基于ZigBee技術的智慧校園安全系統設計研究

楊婉珍

（云南商務信息工程學校，云南 昆明 650204）

近年來，信息技術的廣泛應用以及智慧校園建設逐漸興起，給高校安全管理工作提出了創新的發展視角，基于ZigBee技術形成的智慧校園安全系統成為校園安全建設的全新發展趨勢，結合ZigBee無線技術應用優勢形成的智慧校園安全系統將更具實時性和靈活性，因此，深入研究基于ZigBee技術的智慧校園安全系統設計對提升高校安全防御水平將具有十分重要的現實意義[1]。

1 智慧校園的概念及信息化框架設計

1.1 智慧校園的基本概念

智慧校園是信息技術廣泛應用背景下誕生的全新理念，是一種信息化和數字化的表現形式，將校園內的生活環境、多種學習以及教學管理等具體內容，以信息化應用服務系統為載體，執行信息化的科研、學習、教學、管理和生活活動。智慧校園的一切功能性都以智慧校園信息一體化智能系統為基礎，因此，智慧校園的總體架構和系統設計都必須以校園發展和管理、師生一切活動需求為明確目標，不斷完善智慧校園的個性化服務，在學校范圍內以及學校和外部環境之間搭建一個實時溝通和交互感知的接口，將網絡信息服務深度應用于校園服務當中。

1.2 智慧校園的信息化框架設計

智慧校園的信息化框架設計主要分為五個部分：網絡基礎設施、教學環境基礎設施、教學資源基礎設施、校園管理基礎設施以及校園服務基礎設施，其中，與基于ZigBee技術智慧校園安全系統設計有關的主要框架為網絡基礎設施部分和校園管理基礎設施部分。一方面，網絡基礎設施設計是基于ZigBee技術的智慧校園安全系統建設的硬件基礎部分，需要能夠滿足智慧校園安全系統的信息傳輸相關要求，并能夠實現實時采集環境信息的智能化設備，能夠對相關要求的狀態信息進行感知、識別以及記錄等；另一方面，校園管理基礎設施部分是基于ZigBee技術的智慧校園安全系統的具體執行板塊，基于ZigBee技術的智慧校園安全系統的一切內容都需要設立在校園管理基礎設施板塊之中[2]。

2 基于ZigBee的智慧校園安全系統相關 技術解析

2.1 無線傳感網絡技術解析

無線傳感網絡技術集成了嵌入式、分布式、微電子等技術，并利用無線通信的方式代替有線傳輸，使得數據信息能夠更加方便、快捷、安全地通過傳感器采集，最終以強大的實時數據分析能力助力監控人員更好地控制現場安全情況。在無線傳感網絡控制范圍內，無線傳感器的節點越多則數據信息的采集越準確，監控效果就越好。同時，無線通信網絡更加具有組織性，能夠實現無線傳感網絡內各個節點的科學合理配置，使無線網絡時刻處于動態變化過程，避免了數據獲取過程中逐一對各節點進行查閱，最大限度地確保無線網絡的實用性。

2.2 ZigBee技術的內涵

ZigBee技術是一種近程范圍內的無線網絡通信技術，具有成本低、復雜性低、速率低以及功耗低等巨大優勢，它的頻段以及標準協議都屬于特定固值，涵蓋協調器、路由器以及終端三種節點。ZigBee技術的應用靈感來源于蜜蜂定位花粉，蜜蜂定位的方式是通過太陽、采蜜地點和蜂房來判斷行進路線的，三個節點一動二靜，不斷地改善蜜蜂的8字形走法，而ZigBee技術則是將協調器看作太陽，能夠動態地分配網絡地址，將路由器看作采蜜地點，能夠發現并擴散網絡和路由信息，以保證二者有所關聯，將終端看作蜂房，作為最核心的節點，終端可以發布指令，操控數據的采集和控制，三個節點同樣是一動二靜，使得網絡通信平臺能夠做到實時監控多個數據的傳輸路徑，保證三個節點協調一致，進而結合終端智能化數據采集設備，實現智能預警、實時監控、并行高效等傳輸要求。

2.3 ZigBee無線技術應用解析

ZigBee無線技術的特點和優勢與智慧校園安全系統建設的需求完全匹配，隨著我國高校建設規模的不斷擴大，校園服務的功能性變得越來越多元化，大學校園的人員組成結構將變得日益復雜，校園安全管理工作對安防資源整合以及智能化要求變得越來越高?；赯igBee無線技術下的智慧校園安全系統設計是將ZigBee無線技術嵌入到智慧校園安全系統當中，充分發揮ZigBee無線技術在數據傳輸方面的橋梁優勢，將ZigBee無線技術安全性、實時性、穩定性的特點嵌入到智慧校園安全系統當中，通過綜合考量高校的實際應用環境以及覆蓋特征，合理劃分參數配置，結合智能終端采集設備實現低成本、低后期維護的智慧校園安全系統建設，使校內安全信息網絡變得更具可靠性和靈活性[3]。

3 基于ZigBee的智慧校園安全系統總體 設計

3.1 安全系統總體方案規劃

本文研究的基于ZigBee無線技術下的智慧校園安全系統在總體方案規劃上共計分為視頻監控、防火報警、溫濕度報警以及防盜門禁等領域，具體結構如圖1所示。

圖1 基于ZigBee的智慧校園安全系統示意圖

圖中，無線傳感器、RFID以及攝像頭等智能信息采集設備構成了管理體系的最基層，形成了數據采集單元，校園網、ZigBee、移動通信以及Internet形成了網絡層，以ZigBee無線技術為核心傳輸技術，將數據采集單元收集的反饋信息傳輸至應用層，實現防火報警、智能監控、防盜門禁以及溫濕度報警等智能應用，應用層客戶端口由PC、電視墻、手機、iPad構成，最終將信息識別和指令傳輸到用戶層。

3.2 基于ZigBee技術的無線傳感網絡構建

3.2.1 基于ZigBee技術的無線傳感網絡的初始化

基于ZigBee技術的無線傳感網絡要想確保智慧校園安全系統能夠正常運轉，就必須完成整個網絡的初始化工作，技術人員需要調度協調器設備，從協調器所在的應用層向網絡層發起網絡建立命令，以便保證網絡的初步建立。具體的調度方法可以使用原語指令，并且在調度的過程中需要時刻保證FFD節點的連接，FFD節點的作用在于能夠保證網絡的獨立性，杜絕其他網絡的干擾。

3.2.2 基于ZigBee技術的無線傳感網絡的節點錄入

基于ZigBee技術智慧校園安全系統網絡初始化搭建完成之后，相關技術人員需要利用協調器發起請求，待收到各個節點的反饋后，再使用邏輯判斷的考察方式來明確能夠加入的網絡設備；接下來，利用網絡協調器查找周邊范圍內想要申請入網的協調器信息，并向其發送一個確認幀；確認幀的發出會觸發指令繼續向協調器上一層傳遞，然后協調器會審核自身情況，若可以匹配申請要求，便分配相關地址，每一個申請要求都會自動發送一個獨立的節點地址，并且在協調器的資源利用率達到限度時停止自動發送。

3.2.3 基于ZigBee技術的無線傳感網絡的網絡路由

當前，我國高校智慧校園安全系統設計所普遍使用的ZigBee無線傳感技術采用2.4 GHz 頻段，短距離數據傳輸具有較高的精準性和穩定性，但為了滿足高校日益擴大的安全防御規模，需要借助ZigBee 路由器來增加數據傳輸距離。由于AODV 路由協議是ZigBee 路由器實現路由功能的主要依據，因此，ZigBee 路由器在很大程度上能夠在實現應對范圍廣且復雜多變的安全監控系統的同時，避免數據丟失、連接失敗或者傳輸延遲。隨著5G技術的不斷完善以及高校5G基礎網絡建設的不斷優化，未來ZigBee無線傳感將不再依賴網絡路由，實現更加高效和大范圍的數據傳輸覆蓋。

4 基于ZigBee技術的智慧校園安全系統 具體實踐

4.1 防火報警子系統

防火報警子系統應用ZigBee技術可以通過傳感器反饋回來的煙霧或溫度數據信息進行智能判斷，并通過預算模型自動化控制報警器和噴淋器實現防火警示和開啟。感知層中的各類傳感器形成的反饋信息通過無線傳感網絡能夠實現靈活組網和精準反應，能夠十分迅速且精確地發出防火報警的相應行動指令。此外，ZigBee技術在防火報警子系統中的應用實踐還可以實現歷史火災數據查詢，數據庫實現火災和煙霧數據的存儲，在智慧校園網的協助下，實現信息交互處理。

4.2 智能視頻監控子系統

隨著校園規模的不斷擴大以及校園服務功能性的不斷拓展，校園內的外來人群將變得越來越多，結構也越來越復雜，來自外部的安全隱患也越來越嚴峻。在ZigBee技術的強力支撐下，智慧校園安全系統中的智能視頻監控子系統能夠通過搭建計算機視覺技術平臺，結合智能化視頻監控設備實現視頻源中的關鍵信息采集、錄取和分析，對目標事件或人物實現更加高效的檢索。同時，基于ZigBee技術搭建的監控中心能夠通過智能化監控平臺、監控節點實現校園內全范圍的視頻實時處理，并結合智能終端設備、智能分析設備以及自動識別技術、敏感音頻診斷技術等在校園內營造一個更加安全舒適的活動環境。

4.3 防盜監測子系統

基于ZigBee技術的智慧校園安全系統搭建的防盜監測子系統是一項更具針對性的安全管理體系，主要是有針對性地為學校公共財產和師生個人隱私提供充足的保障。ZigBee技術在防盜監測子系統的應用實踐過程中主要是突出嵌入傳感器節點的優勢，利用ZigBee技術形成節點移動區域網絡，一旦設備與預定范圍區間發生沖突或者出現位置變化，無線傳感器就會第一時間向相關工作人員或管理中心信息平臺發出警報。防盜監測子系統應用ZigBee技術的關鍵步驟就是需要與定位系統的設計實現平衡協調，防盜體系要與節點芯片有機匹配。

4.4 溫濕度安全傳感子系統

與防火報警子系統相同的是，基于ZigBee技術的智慧校園安全系統溫濕度安全傳感子系統，應用ZigBee技術感知層中的各類傳感器形成的反饋信息，通過無線傳感網絡實現靈活組網和精準反應，能夠十分迅速且精確地發出防火報警的相應行動指令。只是溫濕度安全傳感子系統傳感器所需要檢測的目標數值包括煙霧數據信息、人體紅外數據信息、溫度數據信息以及濕度數據信息等。采用ZigBee技術在應用過程中實現軟件、網關以及節點的有機結合，完成數據信息的遠程收集、分析、傳輸以及控制，同時與多種類傳感器設備實現兼容，形成樹形網絡，具體如圖2所示。

圖2 溫濕度安全傳感子系統ZigBee樹形網絡結構示意圖

5 結束語

基于ZigBee技術的智慧校園安全系統建設是當前強化高校安全管理水平的有效途徑。高校需充分認識到智慧校園安全管理的內涵以及ZigBee技術的巨大優勢，在遵循一定原則的前提下，全面開展基于ZigBee技術的智慧校園安全系統設計工作，構建智慧校園安全管理一體化運維服務體系，實現校園安全管理的網絡高度集約化服務，進而全面提升高校安全管理工作質量?！?/p>