基于物聯網的校園安防系統設計研究

摘? 要：校園安全是學校教育工作的基礎。為提高校園安防系統的智能化和信息化水平，采用物聯網技術設計校園安防系統，依托無線通信技術、RFID技術、ZigBee技術和傳感器技術，設計防火報警模塊、視頻監控模塊和門禁模塊，并通過模擬測試驗證了本系統的可用性和丟包率。結果表明，該系統能較好地滿足校園安全防護的要求，且具有穩定性和魯棒性。

關鍵詞：物聯網;校園安防;無線通信;RFID技術;ZigBee技術

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0148-03

Abstract： Campus safety is the basis of school education. In order to improve the intelligence and information level of campus security system， the campus security system is designed by using Internet of things technology. Relying on wireless communication technology， RFID technology， ZigBee technology and sensor technology， fire alarm module， video monitoring module and access control module are designed; the availability and packet loss rate of the system are verified by simulation test. The results show that the system can better meet the requirements of campus security protection， and has stability and robustness.

Keywords： Internet of things; campus security; wireless communication; RFID technology; ZigBee technology

0? 引? 言

伴隨著信息技術的快速發展，物聯網已經深入到人們工作和生活的方方面面。物聯網是指通信設備按照約定的通信協議與其他物體或網絡進行連接并進行信息傳輸和交換的網絡[1]。物聯網是一個寬泛的概念，各類通信技術、傳感技術和人工智能技術等都是構成物聯網的核心要素[2]。目前，物聯網已經在公共安全、智能家居、工業檢測和智能交通等領域得到了廣泛的應用。

校園安全是我國教育工作的重要內容。目前，大部分學校也均建立了安防系統，對保障校園安全發揮了重要的作用。近年來，隨著智能化設備的增加和5G通信技術的普及，大量的設備接入和海量數據的匯集對原有的校園安防系統的性能造成了一定的挑戰[3]。因此，采用物聯網技術建設校園安防系統，充分吸取5G通信、ZigBee組網等技術，能有效提高校園安防系統的性能。

1? 系統總體設計

本系統積極吸取5G通信技術、RFID技術、ZigBee技術、傳感器技術，以89C52單片機為核心，建設校園安防系統，校園安防系統設計為四層，分別是連接層、網絡層、應用層和用戶層，如圖1所示。

1.1? 連接層

連接層主要負責信息的采集，主要由傳感器、攝像頭和RFID等構成。其中傳感器主要負責采集校園內重點消防區域的溫度、濕度等信息，攝像頭主要采集校園進出口的人流和車流、校園內重點場所的圖片和視頻信息，RFID技術是利用射頻識別來實現非接觸式自動識別的目標，校園大門及校內重要場所的門禁系統均可采用RFID技術來實現身份識別。

1.2? 網絡層

網絡層主要負責將連接層采集到的信息傳送到應用層，采用的通信協議主要有ZigBee、Internet和4G/5G構成。ZigBee是一種適用于距離較短的無線通信技術，具有低成本、低功耗、可靠性高等優點，主要工作在2.4 GHz頻段，一般采用樹型、星型和網型的組網方式。Internet是基于TCP/IP協議族的公共計算機網絡。4G/5G分別指第四代移動通信技術和第五代移動通信技術，目前我國已經正式商用了4G和5G。

1.3? 應用層

應用層主要負責對網絡層傳輸來的數據進行分析和處理，并形成結論傳送到用戶層。根據校園安防系統的構成主要分為防火報警模塊、視頻監控模塊和門禁模塊。防火報警模塊主要負責校園內的消防信息的分析、處理和判斷，并將結論傳送至用戶層。視頻監控模塊負責校園內視頻監控信息的分析、處理和判斷，并將結論傳送至用戶層。門禁模塊負責校園內門禁信息的分析、處理和判斷，并將結論傳送至用戶層。

1.4? 用戶層

用戶層主要負責將應用層提供的信息以人機交互的形式提供終端由技術人員進行處理，用戶層主要包括計算機和智能終端。計算機主要配置在主控室內，安裝與監控系統匹配的軟件后進行校園安防工作。智能終端主要有智能手機和平板電腦，經安裝匹配的APP后進行校園安防工作。

2? 校園安防系統的硬件設計

系統硬件結構主要由主控器模塊、無線通信模塊、防火報警模塊、視頻監控模塊和終端模塊。主控器模塊由89C52單片機為核心，有其他相關功能模塊支撐，與計算機應用程序和智能手機APP進行實時通信，實現對校園內教學區、圖書館、進出大門等場所進行實時監測。

2.1? 防火報警模塊

防火報警模塊主要將煙霧傳感器MQ-2、溫濕度傳感器SHT30所采集到的各節點信息，經匯總后傳送至ZigBee節點，并實時傳送至控制中心，判斷是否存在消防安全隱患，并啟動報警及噴淋器，如圖2所示。

2.2? 視頻監控模塊

在校園大門、教學樓、食堂、宿舍和體育場所等重點區域，合理配置攝像頭布局，構建全面的視頻監控系統，將視頻信息實時傳送至計算機，由視頻監控系統對視頻中的關鍵信息進行提取并分析，完成實時監控任務。以智能視頻分析技術和大數據技術為基礎，將采集到的視頻流建立樣本數據庫，對樣本庫中的信息進行動態甄別，有效識別各類安全隱患并實時預警，實現校園安防的事前預警、全天候、全自動的實時監控功能，結構示意圖如圖3所示。

視頻監控對校園的安防保障起著至關重要的作用。隨著5G時代的到來，極大地提升了視頻監控系統的數據傳輸能力，超高速傳輸的速率可以直觀提升視頻監控設備的性能，這將推動視頻監控產生質的飛躍。只有像素越來越清晰的視頻圖像，才能提供更加精準的基礎數據給人工智能技術。基于5G通信的視頻監控，前端設備無須再通過有線網絡進行視頻回傳，具備5G通信模塊的無線聯網攝像機可實現即裝即用，這種免拉線的部署方式大大縮短了安裝周期，同時降低了部署成本[4]。比如臨時布控的需求，在重點卡口、重大活動地區、制高點等位置進行臨時布控，采用5G移動布控球進行視頻回傳和圖像采集，識別嫌犯，掌握整體校園安防態勢。移動布控球設備可隨時隨地移動部署，并快速完成架設，且本地可配置長時間續航的電池，也可外接電源系統，確保安防系統可以長時間工作，保障監控工作的安全穩定運行。

2.3? 門禁模塊

門禁模塊主要配置在校園大門、教室、實驗室、辦公室和寢室等場所，主要由RFID身份識別、天線、警報裝置和控制中心等。首先要先為用戶配置RFID身份信息，當用戶需要在裝有門禁模塊的場所出入時，以RFID身份識別完成身份識別，經識別確認后可打開門禁。若無法識別則門禁會保持關閉，若訪客強行闖入則會啟動警報。這一過程經控制器來完成控制。如圖4所示。

3? 校園安防系統的軟件設計

3.1? 軟件系統設計

校園安防系統采用微軟公司的Visual Studio2010進行軟件開發，開發語言使用c#。軟件系統功能主要包括系統狀態和系統設置。在系統狀態模塊，技術人員可以通過軟件訪問防火報警模塊、視頻監控模塊和門禁系統的每一處節點，了解每一個傳感器、攝像頭和RFID卡的工作狀態。當有傳感器、攝像頭或RFID卡發生故障時，系統能及時采集到信息，并提示技術人員進行維修或更換。此外，軟件系統實施接受防火報警模塊、視頻監控模塊和門禁系統傳送來的信息，實施掌握校園內安防信息，為系統預警和處理提供服務支撐。

在系統功能設置模塊可以對整個安防系統進行配置。技術人員可以根據校園安防數據進行動態調整，適當增加或減少傳感器、攝像頭和RFID卡。例如，在學校舉辦運動會時，可以在運動場所增加攝像頭，以更好的保障運動場所的安全。同時，系統保持良好的開放性，技術人員可以對系統功能進行進一步拓展。

APP采用安卓平臺開發，具有與軟件系統相同的功能，主要安裝在安防人員的智能終端上，以供隨時掌握的校園內的門禁、消防和監控系統信息，并通過4G/5G通信與監控中心實時聯系。APP界面如圖5所示，圖示中共有通知公告、校園監控、門禁系統、消防系統、安防檢查、安防報修、安防知識和更多功能共8個模塊，便于安防技術人員隨時訪問，實時掌握校園安防系統的準確信息。

3.2? 校園安防系統的通信設計

本系統的軟件系統主要采用4G/5G通信、ZigBee技術、Internet等技術。4G/5G通信在通信模塊上接入移動通信運營商，利用運營商的網絡配置實現通信目標。ZigBee采用樹型網絡結構，該結構易于維護和拓展。以自組織網的方式組建無線網絡，通過與傳感器、路由器相連，實現校園內溫濕度等信息的傳輸[5]。系統軟件安裝在計算機上，相關信息在主控計算機上經Internet實現校園安防信息的傳輸和共享。

4? 性能測試

本設計的基于互聯網的校園安防系統的性能在我校采用實驗進行檢測。主要測試校園安防系統的終端的可用度和通信丟包率。

4.1? 終端可用度測試

主要檢測指標為RFID身份識別終端T1、視頻攝像頭終端T2、圖像顯示終端T3、報警設備終端T4和門禁控制終端T5的可用度。在我校內的大門外、運動場和圖書館大門前三處對上述終端的可用度進行測試，其測試結果如表1所示。

測試結果顯示，系統內各終端具有良好的可用度，能夠在長時間運行下保持良好的工作狀態。

4.2? 系統丟包率測試

對校園安防系統的通信系統的可靠性和穩定性進行測試，主要測試安防系統中ZigBee組網的丟包率。在校園內根據距離遠近分別選取6個位置進行測試，距離分別為5 m、10 m、20 m、60 m、100 m、200 m處發送10 000個數據包，統計接收端的丟包量和丟包率，測試結果如表2所示。

經測試，系統的丟包率呈現隨著距離增加而上升的態勢，但整體丟包率較低，不影響系統的通信性能。

5? 結? 論

校園安全將是智慧校園的重要組成部分，校園安防系統將對校園內部的人、車、設備進行實時監控與檢查，解決傳統模式下校園安全管理的痛點和難點，實現校內人、車、設備的實時監控和智能分析，為學校提供更精細化的管理手段。設備采集的數據通過ZigBee技術、5G通信技術傳輸，結合視覺識別及分析技術，利用云端大腦進行圖像識別，實現進出校園人員、車輛的身份識別，教師課堂點名，校內人員實時定位，體溫測量等功能，主動預防校園安全事件發生，快速處理校園安全事件，提前發現人員異常聚集，大幅提高了校園安全的保障水平。

參考文獻：

[1] 張崗.物聯網在消防安全領域的應用研究 [J].中國公共安全（學術版），2011（3）：106-108.

[2] 陳威.物聯網應用實踐及信息通信技術供應鏈安全的研究 [J].電子技術與軟件工程，2021（14）：248-249.

[3] 宋煜，江志凌，呂忠闖.基于5G技術的武漢卷煙廠安防監控建設應用與研究 [J].機器人技術與應用，2020（5）：19-26.

[4] 李春旭.低時延高可靠性的5G承載網絡探討 [J].通訊世界，2019，26（8）：223-224.

[5] 劉寧寧，樊建席，林政寬.基于地址空間的樹型網絡地址分配 [J].計算機科學，2020，47（2）：239-244.

作者簡介：孫迪（1988—），男，漢族，江蘇鹽城人，助教，學士，主要研究方向：安全防范技術。