基于ZigBee的智慧校園安全管理系統的設計

李子聰

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

1 ZigBee及其構成

1.1 ZigBee技術的內涵

作為一種近程無線網絡通信技術，ZigBee技術的標準協議和頻段都屬于特定的固值，其特點在于速率、復雜程度、成本和功耗都較低。該技術的靈感源自蜜蜂定位花粉，與蜜蜂傳遞信息的路徑較為相似。在ZigBee網絡中，按照用途劃分，主要包括以下三種節點，即協調器、路由器和終端。其中，協調器節點的作用為網絡地址的管理、維持和分配。路由器節點則發現、擴散或允許路由信息與網絡關聯。而終端節點最核心的任務為控制指令或數據采集。三個節點相互協調，共同搭建網絡的通信平臺，實現智能預警及實時監控并進行無線通信網絡下的數據傳輸。[1]

1.2 ZigBee技術的優勢

在智慧校園安全管理系統中應用ZigBee技術，具有自身距離短和功耗低的優勢。以往安全管理系統都是由有線、數字化網絡組成，不僅浪費空間而且耗費大量的物力和資金。在網絡使用資費方面，更是具有CDMA網和GSM網所無法企及的優勢，不需要任何費用。同時，工作可靠性更有保障，可以靈活調整覆蓋范圍，不受場地限制，根據應用場景進行在線對接，數據傳輸可以實現多跳以及全范圍覆蓋。此外，兼容多種傳感器設備，避免丟包問題的發生，特別適合遠程和自動設計的開發。

1.3 ZigBee無線技術應用設計

隨著校園擴建規模的加快，大學校園人員組成日趨復雜，同時受學生安全意識不強，以及學校安全管理工作失職的影響，校園安全問題頻發。事故發生的原因也日趨多元化，為了解決上述問題，做好事前預警管理，需要對安防資源進行整合，實現安全管理系統的智能化目標。而基于ZigBee無線技術，將其嵌構于智慧校園安全體系當中，需要有效發揮該技術的橋梁功能，實現傳輸數據的穩定準確性、安全可靠性。根據ZigBee無線技術的特征，應該合理劃分參數配置、數據闡述，有效增刪監控信息，綜合考慮應用環境和實際特征，力爭運營過程兼顧后期維護和低成本，確保安全信息傳輸網絡更為靈活和可靠。[2]

2 安全管理系統總體設計

2.1 系統功能與原則

智慧校園、安全管理系統要與校園實際保持一致，實現集成、綜合和多維度防護。首先，采取先進性與兼容性的原則，有效利用學校內部的安全體系，尤其是基礎性的安防設施要得到妥善的應用。同時做好各種備份，力爭使恢復機制達到預期要求，還需要堅持可靠性和可擴展性原則，為后續安防系統的增加、升級或優化奠定基礎。此外系統還應該遵循易操作原則，設置合理的物理隔離，采取可視化人機操作確保其安全性，并降低管理難度。

2.2 系統總體方案設計

基于ZigBee無線技術下的校園安全管理系統主要覆蓋防火報警、視頻監控和放到系統以及溫濕度報警等幾個領域，如圖1所示。其中，數據感知層可以實現信息的采集，例如對圖像、用戶以及濃度等安防模塊的識別。數據采集單元包括無線感應器等，屬于管理體系的最基層。網絡層主要包括各種類型的網絡，任務是將反饋信息傳送到應用層，確保用戶與應用層有機融合。而應用層的應用接口為各種客戶端，例如Ipad、電視墻、手機等智能移動設備。其工作性質為融合、分析、整理數據，通過預先設定的程序對信息進行識別，以及對指令進行相應處理，最后將傳送到用戶層。

2.3 基于ZigBee技術的可靠性

在校園當中，構建ZigBee網絡會受到其他數據的干擾，例如GPRS、紅外、WIFI以及藍牙等。為了確保傳輸的穩定性和可靠性，需要做好科學的應對，避免共存環境下受到任何影響。當然ZigBee無線傳輸本身的優勢在于能夠很好地抵抗干擾，而且傳輸距離也可以得到保障，進而呈現低誤值的碼率。但是也不能麻痹大意，還是要增加信道算法，一旦遇到外界干擾源，可以通過占空比或沖突算法的實時調整，實現傳輸的穩定性。

3 基于ZigBee的智慧校園安全系統的軟硬件要求

3.1 傳感器的選擇

校園防火安全至關重要，不論是食堂、實驗室還是寢室都有一定的火情隱患。為此需要在重點區域設置煙霧傳感器。而傳感器的選擇要符合ZigBee無線網絡的要求，力爭測溫模塊能夠及時模擬信號，一旦溫度超過60℃，可以在校園安全平臺報警，及時化解險情。此外，選擇傳感器還要與其工作環境相吻合，例如處于化學實驗室當中，必須要有較強的耐腐蝕性。而在火情出現的檢測方面，需要能夠與火情的程度相匹配，防止造成安全隱患。

3.2 硬件的設計分析

基于ZigBee模塊下的安全管理系統，其核心內涵為通過對監測區域的數據反饋，監控中心實時辨別危險元素和等級。在整個設計的過程中，數據采集工作主要通過無線傳感技術來完成，借助上位機的計算，對管轄區域進行有效安全分析和判斷。根據智慧校園系統的實際需求，硬件的選擇要充分考慮組網特點，在保障豐富功能的前提下，實現模塊和人員數據的實時定位。具體設計結構如圖2所示。

在本系統中，系統硬件平臺的重要性不言而喻。為此，電路設計要使用SV電源供電，RS-232串行通信接口作為通信模塊，此外，接口轉換器、振蕩器及異步收發傳輸器都要同步協調，發揮信息消化以及快速組網優勢。

3.3 軟件設計分析

在Zigbee網絡中，在上述硬件基礎之上，還要構建與之吻合的軟件系統。本設計采用B/S模式，程序編寫為C/S模式、操作管理選取Myeclipse模式。系統軟件部分的任務主要針對終端節點的設計、處理模塊的數據分析、路由設備及協調器的設計，還囊括算法檢測和采集信息的使命。為了確保組網能力，算法設計還應該具備節點定位和心跳發送功能。鑒于網絡壓力的考慮，實施分布式故障檢測以及心跳檢查機制十分必要，可以凸顯算法的靈活性并強化主動性能。

4 基于ZigBee的智慧校園安全管理系統的實現

4.1 防火報警子系統

在智慧校園安全體系當中，防火工作具有舉足輕重的地位。通過ZigBee為機理的無線傳感網絡，可以根據煙霧濃度和溫度進行報警器和噴淋器的開啟或警示，有效發揮其組網靈活、延時間隔短、成本和功耗較低的優勢。防火報警系統的構建還要依靠傳感器的檢測，通過感知層的反饋，迅速發出相應的行動指示。ZigBee無線傳感網絡還可以進行歷史火災數據查詢，儲存煙霧及火災數據，在校園網的助力下，完成數據傳輸和系統的信息交互。

4.2 智能視頻監控子系統

隨著校園外來人群的增多，校園內安全隱患不斷提升。為了改變這一現狀，需要構建智能視頻監控，對人流密集處以及公共場所進行智能監控。其中包括食堂、寢室、教室等出入口。智能視頻監控系統需要ZigBee的支撐，能夠解決傳統視頻監控的弊端，通過搭建計算機視覺技術平臺，完成頻源中關鍵信息的抽取與分析，并可以進行目標及事件的高效運作或搜尋。其中，視頻監控系統主要由監控中心、監控平臺、信息網絡和監控點組成。視頻監控點模塊是智慧校園安全管理的重要環節，能夠主動監控、存儲、提取信息，并進行視頻的實時處理，這不僅提升了后續安全事件進度的處理速度，還提升了管理系統的質量和效率。在智能客戶端引入分析設備，既是采集和診斷敏感音頻的保障，更是自動識別視頻圖像關鍵信息的基礎保障。

4.3 防盜監測系統設計

校園設備防盜系統同樣是安全管理工作的有機組成，為了保障學校公共財產以及師生個人隱私的安全，防盜監測系統設計要嵌入傳感器節點，并通過ZigBee形成節點移動區域的網絡。一旦設備出現位置變化，或與預定的范圍區間發生沖突，無線傳感器將會實時發出警告，通知管理中心或工作人員要采取措施阻止設備出入。首先，防盜系統的設計要與定位系統的設計協調平衡，根據ZigBee網絡的特征，節點芯片要與防盜體系有機匹配。定位跟蹤引擎系統可選用CC2431芯片，不僅可以滿足ZigBee網絡的需求，還可以使各項性能發揮出最佳化效果。智慧校園設備防盜系統組成結構詳見如圖3所示。

在RSSI定位技術的應用中，需要使用RSSI定位引擎，利用其速度快、精度高的特點，將ZigBee網絡與參考節點設計相吻合，實際布防時，參考節點要多于5個，交錯間隔放置，為了保證定位精度需要將參考節點合理分布。盲節點設計要根據需求，結合定位引擎功能，采用CC2431硬件主芯片，進而提高網絡效率。同時采用體眠和喚醒的模式，將調度節點設定為1分鐘間隔。而在ZigBee網關設計中，網絡協調器發揮主導作用，考慮數據的傳遞，按照設備防盜系統的需求，通過數據訪問實現接口轉換，如果沒有匹配認證，聯動控制會同步傳送管理中心。

4.4 溫濕度安全傳感設計

ZigBee無線傳感網絡的結構組成包括軟件、網關和節點，收集、處理和傳輸數據實現遠程控制，能夠與多種傳感器設備兼容，在協調器連接溫濕度過程中，要符合信息化建設的現狀，其中協調器作為核心，并連接溫濕度，為此樹形網絡結構將作為本系統設計的主要結構，如圖4所示。溫濕度的變化檢測包括煙霧傳感器、人體紅外傳感器以及門磁傳感器，借助上述傳感器的實時監測，能夠通過無線終端采集，為此大大提升智慧校園的安防監控效率。

總之，隨著物聯網技術的發展，構建智慧校園安全系統已是大勢所趨。基于ZigBee設計的安全管理系統，具有兼容性、擴展性和保密性優勢，實現了智能、快速、有效的智慧校園管理。克服了以往有線監控系統的不足，兼顧了事先預防，實現智能報警功能，便于維護工作者掌握系統運行狀態，并大大節約了安防系統的成本，在反饋和傳輸監控信息時穩定性高，有助于構建集約化服務網絡以及校園安全監管的智能化，實現核心業務模塊的重組可為監控提供重要參考，未來應用必然十分廣闊的研究意義和實踐價值。