基于ZigBee+GPRS的智慧校園監測系統設計

田豐

（貴州商學院，貴州貴陽，550025）

隨著我國經濟的飛速發展和社會的快速進步，我國的教育事業在近幾年也得到了快速發展。在中央提出“智慧城市”、“節約型社會”的號召下，建設“智慧校園”和“節約型校園”的工作正式提上歷史日程。近些年，隨著高等院校逐年擴招，學生數量和教學樓的數量也越來越多，如何解決電能消耗、校園火災監控和人員出入校園的管理問題成為了智慧校園建設中的關鍵一環[1]。做好高校節能減排、校園火災監控和平安校園的工作對維護社會穩定具有重要作用。

1 無線通信技術

物聯網的無線通信技術很多，主要分為兩類：一類是Zigbee、WiFi、藍牙等短距離通信技術；另一類是NB-IOT和LORa等長距離無線通信技術。它們或基于傳輸速率、傳輸距離和功耗的特殊要求，或著眼于功能的可擴展性，各有千秋。在物聯網的智能應用中，不僅需要組建短距離的無線傳感網，大多數時候還需要進行長距離的無線通信。下面就電池壽命、傳輸距離、傳輸速率等角度對幾種常見無線通信技術進行橫向和縱向對比，對比結果如表1所示。

從表1可以看出，Zigbee能夠滿足大面積的布網要求，成本較低，適宜于智慧校園監測系統無線傳感網的組建；GPRS通信能夠實現與管理系統或者移動終端的即時通信，大大提高信息到達區域，Zigbee和GPRS兩大通信技術的結合將能進一步完善校園監測系統的智能化建設。

圖1 基于Zigbee+GPRS的智慧校園監測系統框架圖

2 系統總體功能設計

Zigbee技術集穩定性強、組網靈活、易于網絡規模擴展等眾多優點于一身。為了讓我們的校園進入到智能化的實時監測時代，減少不必要的資源浪費以及人員傷亡，讓校園更加和諧，本文研究并設計了以CC2530單片機+傳感器模塊+GPRS作為信息傳輸的智慧校園監測系統，實現了節能照明、校園火災和人員出入三大方面的實時監測，確保校園穩定安全運行。基于Zigbee+GPRS的智慧校園監測系統框架圖如圖1所示。

3 基于ZigBee+GPRS的智慧校園監測系統模塊設計

智慧校園模塊建設主要建立在Zigbee和GPRS無線網絡的基礎上，利用煙霧傳感器、溫度傳感器、CO傳感器、SO2傳感器監測火災情況，利用人體紅外傳感器檢測人體情況，以及利用門禁讀寫器和出入口一體機檢測人員出入道閘的情況，然后經過管理系統的分析與決策進行統一的管理，大大提高校園管理效率和提升校園安全性。基于Zigbee+GPRS的智慧校園監測系統主要包含校園火災監測、照明智能控制[2]、門禁三大子系統。

表1 幾種常見無線通信技術對比

■3.1 校園火災監測系統設計

校園內部一旦出現明火，如果不能有效監測與控制，后果將不堪設想。近幾年來，對高校火災事件的報道屢見不鮮，火災的發生不僅嚴重擾亂學校日常的教學秩序，而且帶來的人員傷亡和財產損失將為高等教育抹上“黑點”。鑒于大學校園火災的多樣性、時段性、時空性等特點，目前的校園火災管理模式的時效性越來越差，不能及時預警校園火災，而且在火災發生初期，不能及時告知消防管理人員，導致火災的蔓延和進一步擴大，從而給社會的和平穩定造成嚴重的傷害。本文設計的校園火災監測系統主要包括煙霧濃度采集、數據傳輸、數據處理、火災報警與聯動控制功能。其中，校園火災監控系統網絡架構圖如圖2所示。

圖2 校園火災監控系統網絡架構圖

Zigbee火災探測節點板檢測環境中的煙霧濃度、SO2濃度、CO濃度和溫度作為分析火災的依據，做出火災是否發生的初期判斷；Zigbee節點板將采集到的火災信號轉發給Zigbee協調器，然后協調器節點板將火災信號轉換為GPRS信號和以太網接口信號，通過GPRS傳輸給應急管理人員或者通過TCP方式傳輸至管理系統進行分析決策[3-4]。當決策系統判斷發生火災后，蜂鳴器立即發出聲音報警，開啟消防廣播通知在校師生迅速撤離現場。校園的相關消防工作人員進一步確認火災信息后迅速和119指揮中心聯系，通知火災位置。

其中，校園火災監控系統中的Zigbee節點板模塊主要由CC2530和煙霧傳感器、溫度傳感器、CO傳感器、SO2傳感器組成。

■3.2 照明智能控制系統設計

教室作為高校學生主要的活動場所，其照明消耗的電量占學校總用電量的40%之多，并且一直居高不下，其中“長明燈”現象對電能的浪費占據很大一部分。由于國內照明技術成熟較晚以及成本問題，目前高校大多采用傳統的照明控制方式，教學樓采用分層供電方式，在關閉樓門時需要管理人員分層去檢查教室并關閉燈具，增加了管理負擔[5]。本文設計的校園照明智能控制系統主要包括人體紅外強度采集、數據傳輸、數據處理與聯動控制功能。其中，照明智能控制系統網絡架構圖如圖3所示。

圖3 照明智能控制系統網絡架構圖

照明智能控制系統的Zigbee節點板檢測教室里或者校園內道路上的人體紅外強度，確認在設定的時段內是否有人存在。若檢測到有人存在，且光照強度低于設定的閾值時，則點亮相應的燈具；若檢測到有人存在，但光照強度高于設定的閾值時，則繼續保持相應的燈具為關閉狀態；若光照強度低于設定閾值，但無人存在，則繼續保持相應燈具為關閉狀態。Zigbee節點板實時采集教室里的光照強度和人員位置。通過檢測人員位置和光照強度，智能控制照明系統，從而降低能耗，節省學校經費支出。其中，照明智能控制系統的Zigbee燈具節點板模塊主要由CC2530、人體紅外傳感器、光照強度傳感器和繼電器組成。

■3.3 門禁系統設計

門禁系統主要是為了提升校園個人出入的安全性而進行的師生身份信息的認證和管理。校園管理系統可以將全校教師的基本信息和學生的在校基本信息上傳到物聯網電子標簽。教師或學生在進出校園時，門禁裝置通過無線讀寫方式讀出物聯網電子標簽中的信息，通過與后臺數據庫比對進而查詢出人員出入的合規性，有效提升校園出入管理的效率。當門禁裝置讀出物聯網電子標簽中的信息后，控制器將數據上傳到管理系統和數據庫進行比對其中的存入信息，從而控制通道閘的打開與關閉、出入口監控一體機的抓拍以及顯示屏進行信息的顯示。其中，校園門禁系統網絡框架圖如圖4所示。

圖4 校園門禁系統網絡框架圖

■3.4 系統軟件設計

基于Zigbee+GPRS的智慧校園監測管理系統是為了實現對火災、照明燈開斷和校園門禁信息的實時采集、接收、存儲、查詢、顯示和統計分析,本系統采用Qt編程實現，通過該系統可以實時掌握火災、照明燈開斷和校園門禁信息，并對相應緊急情況做出相應處理。基于Zigbee+GPRS的智慧校園監測管理系統主要包含校園火災監測子系統、照明智能控制子系統和校園門禁系統三個子系統，分別采用分層設計方法，主要分為硬件抽象層、系統服務層和應用層。管理系統對接收的數據進行分析，作出相應的決策。

4 系統測試和結果分析

考慮到現實生活中火災發生時刻的無規律性，故在校園中150m3范圍內設置四個采集點進行系統模擬測試。采集點的測試時間間隔為1分鐘，某次檢測結果如表2所示。

表2 某次四個采集點檢測結果

從以上四個傳感節點的監測結果可以看出，節點板3的實測溫度、CO濃度和SO2濃度明顯高于其余三塊節點板，系統判決結果為預警I級，此時有必要出動相關管理人員進行確認和消除異常，確保意外事件的發生[6]。

5 結語

本文將Zigbee技術和GPRS融合,組建無線傳感器網絡，實現對火災、照明燈開斷和校園門禁信息的實時采集、接收、存儲、查詢、顯示和統計分析。充分利用了Zigbee技術組網靈活、節點板可以靈活定制不同傳感器以及GPRS能夠進行長距離移動通信的能力，實現了對校園環境和安全的實時遠程監測。利用該系統，我們可以對校園火災、照明燈開斷和校園門禁信息進行全天候、全方位的監測，同時對更多數量的智慧管理和智慧城市建設具有一定的指導意義[7]。