基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)設計

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院徐州經貿分院 張學芹

傳統(tǒng)的校園安全管理方式需要大量人力、物力，智慧校園安全系統(tǒng)可以實現(xiàn)對校園設備、設施的智能監(jiān)控和遠程控制，優(yōu)化設備和資源的利用，提高校園管理的效率和智能化程度。ZigBee 技術是一種無線網絡通信技術，可以實現(xiàn)低速、低功耗、低成本的無線連接，具有廣泛的應用前景。基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)利用無線網絡技術，通過多種傳感器設備、控制終端和互聯(lián)網平臺等構建一個安全可靠、高效智能的校園安全系統(tǒng)。本文基于ZigBee 技術對校園安全系統(tǒng)進行重新設計，力圖打造全新的智慧校園安全體系。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對于校園安全的要求越來越高。傳統(tǒng)的校園安全監(jiān)控設備存在諸多缺陷，如安裝位置受限、監(jiān)控范圍有限等問題。ZigBee 技術是一種無線通信技術，其優(yōu)勢在于低功耗、低速率、低成本和自組織等特點，適用于小范圍、低速率的無線數(shù)據(jù)傳輸。智慧校園安全系統(tǒng)采用ZigBee 技術，可以實現(xiàn)校園內各種安全設備之間的互聯(lián)互通，如門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)等。當發(fā)生安全事件時，各個設備之間可以實現(xiàn)聯(lián)動，快速響應并報警，提高了安全保障的效率和準確性。本文基于ZigBee 技術對校園安全系統(tǒng)進行重新設計，力圖打造全新的智慧校園安全體系。

1 關鍵技術概括

1.1 ZigBee 技術的概念特點

（1）低功耗。ZigBee 技術采用了基于IEEE 802.15.4標準的低功耗通信協(xié)議，該協(xié)議允許設備在待機模式下消耗非常少的電量[1]。這意味著ZigBee 設備可以在長時間內使用同樣的電池，從而減少更換電池的頻率和成本。同時ZigBee 技術的通信速率較低，一般為250kbps，與其他高速數(shù)據(jù)傳輸技術相比，它所需的功率更少[2]。ZigBee 設備的數(shù)據(jù)傳輸量通常較小，因此可以使用更小容量的電池。

（2）多點連接。多點連接是指一個ZigBee 節(jié)點可以與多個其他節(jié)點進行通信。在ZigBee 網絡中，所有節(jié)點都可以互相通信，這種多點連接的特性使得ZigBee 網絡非常適合用于物聯(lián)網中的傳感器和控制設備。ZigBee 網絡采用星型和網狀型拓撲結構，這種結構使得ZigBee 網絡可以支持多種不同類型的連接。在星型拓撲結構中，一個集中的協(xié)調器負責協(xié)調所有的節(jié)點，節(jié)點只能與協(xié)調器進行通信，不能與其他節(jié)點直接通信。在網狀型拓撲結構中，每個節(jié)點都可以與其他節(jié)點直接通信[3]，這種結構使得ZigBee 網絡更加靈活，能夠適應各種不同的應用場景。

（3）安全性高。ZigBee 技術支持高級加密標準（AES）算法。AES 是一種廣泛使用的對稱加密算法，具有高強度的加密和解密能力。ZigBee 技術支持AES 算法，并通過密鑰交換和管理等措施，保證了數(shù)據(jù)的機密性和完整性。另外，ZigBee 技術采用了認證和授權機制。在ZigBee 網絡中，設備之間的通信必須經過認證和授權，防止非法設備加入網絡或者攻擊者偽裝成合法設備獲取數(shù)據(jù)[4]。

（4）易于擴展。ZigBee 技術具有易于擴展的特性，可以通過添加新的設備來擴展現(xiàn)有網絡。這是因為ZigBee技術采用了分層網絡結構，它將網絡劃分為應用層、網絡層和物理層。每個層次都有自己的功能和特性，可以通過在應用層添加新的設備來擴展網絡。在ZigBee 網絡中，每個設備都有一個唯一的16 位短地址和64 位擴展地址，這使得添加新設備變得非常容易。

1.2 ZigBee 技術的體系結構

ZigBee 技術的體系結構主要由應用層、網絡層和物理層部分組成。應用層包含了所有的應用程序，它為各種不同類型的應用提供了標準接口，比如，本次研究的校園安全系統(tǒng)。網絡層主要負責網絡管理、數(shù)據(jù)傳輸和路由選擇等任務，它定義了協(xié)議棧中的網絡拓撲結構和通信協(xié)議。物理層是將數(shù)字數(shù)據(jù)轉化為無線電信號，完成數(shù)據(jù)的傳輸和接收[5]。基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)可以通過接口與各種類型的傳感器和執(zhí)行器進行通信，例如，溫度傳感器、濕度傳感器、燈光控制器等。網絡層負責數(shù)據(jù)傳輸和路由選擇，它支持星形、樹形和網狀等多種網絡拓撲結構，并提供了多種路由選擇算法，以實現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。物理層則負責將數(shù)字數(shù)據(jù)轉化為無線電信號，完成數(shù)據(jù)的傳輸和接收[6]。

2 基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)

基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成主要包括傳感器、控制器、網關以及可視化終端。

（1）傳感器。傳感器的作用是采集各種信息，例如，火災、煤氣泄漏、水浸等預警信息。這些傳感器可以部署在各個關鍵位置，例如，宿舍、教學樓、實驗室等地方，以實現(xiàn)對整個校園環(huán)境的全面監(jiān)測。在智慧校園安全系統(tǒng)中，常用的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、光纖傳感器等。其中，溫度傳感器可以用于監(jiān)測室內溫度，保證室內溫度在適宜范圍內，通常可以測量溫度范圍為-40℃～+85℃，本次設計應用的型號有DHT11、DHT22；濕度傳感器可用于監(jiān)測室內濕度，防止出現(xiàn)過于潮濕或過于干燥的情況，濕度范圍為0%～100%，同樣應用DHT11、DHT22 型號傳感器；煙霧傳感器可以監(jiān)測煙霧，及時報警避免火災事故，本次設計應用的型號有MQ-2、MQ-5；氣體傳感器可以檢測室內氣體濃度，例如，二氧化碳濃度、甲醛濃度等，保證室內空氣質量，本次設計應用的型號有MQ-2、MQ-5；光纖傳感器則可以自動調節(jié)室內照明亮度，節(jié)約能源。

（2）控制器。控制器負責接收傳感器采集到的信息，對數(shù)據(jù)進行處理分析，進而進行決策。控制器可以采用基于單片機或嵌入式系統(tǒng)的設計，其功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制指令生成等。由于ZigBee 技術采用了短數(shù)據(jù)包和低功率消耗的方式，其控制器可以使用較小的電池容量實現(xiàn)長時間的運行，這大大降低了系統(tǒng)運行的成本。另外，基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)控制器具有可擴展性強的特點。ZigBee 技術允許不同的設備之間進行互聯(lián)互通，同時也可以通過添加新的設備來擴展系統(tǒng)的功能。這使得控制器可以根據(jù)需要逐步擴展，以適應不同規(guī)模的學校。基于上述要求，本次研究中基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)控制器是L-SPC。該控制器采用了自主研發(fā)的高性能芯片，可以實現(xiàn)多種安全設備的無線接入，同時支持遠程控制和智能化管理。此外，L-SPC 還具有安裝簡單、操作方便、故障率低等優(yōu)點，是智慧校園安全系統(tǒng)的理想選擇。

（3）網關。網關是連接控制器和可視化終端的重要組成部分。網關的主要作用是收集控制器處理的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給可視化終端。網關通常具備多種通信接口，例如，有線通信接口（如以太網、串口等）和無線通信接口（如ZigBee、藍牙等）。智慧校園安全系統(tǒng)的網關設計是基于ZigBee 技術實現(xiàn)的，其主要功能是將ZigBee 傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳輸至云端。智慧校園安全系統(tǒng)的網關設計可以實現(xiàn)對學校內部環(huán)境的實時監(jiān)測，如溫度、濕度、煙霧、CO2等數(shù)據(jù)，同時可以進行報警處理，確保學校內部環(huán)境的安全性和穩(wěn)定性。此外，網關設計還能將學生出入校門的信息進行采集和傳輸，實現(xiàn)對學生出入校門的實時監(jiān)測和管理。通過網關設計的實現(xiàn)，學校可以對學生的行為進行有效的監(jiān)測和管理，避免學生在校內出現(xiàn)安全問題。在實際的應用中，智慧校園安全系統(tǒng)的網關設計還需要考慮到數(shù)據(jù)的傳輸安全性和穩(wěn)定性。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕W關設計需要采用加密算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密處理。同時，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，網關設計需要采用雙備份機制，即在數(shù)據(jù)傳輸過程中，備份一份數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸不會因為任何一方的失誤而出現(xiàn)中斷。

（4）可視化終端。可視化終端是用戶與智慧校園安全系統(tǒng)進行交互的重要途徑，可以是PC 端、手機App等。用戶可以通過可視化終端實時監(jiān)測校園的安全狀況、查看警報信息、進行遠程控制等操作。當前校園安全問題日益突出，普通的人工巡邏方式已經不能滿足管理需求。傳統(tǒng)的校園安全管理方式受到空間和人力資源的限制，導致安全隱患難以得到及時有效地發(fā)現(xiàn)和處理。而基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)可以采用無線傳感器網絡、視頻監(jiān)控、智能門禁等技術，實現(xiàn)對校園各區(qū)域的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和分析處理，提高校園安全管理水平和應急處理能力。在智慧校園安全系統(tǒng)中，可視化終端是用戶與系統(tǒng)之間的重要交互界面，主要負責實時監(jiān)控校園安全情況、預警信息展示和緊急處理等功能。因此，本文以可視化終端設計為研究對象，探究基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)可視化終端的設計與實現(xiàn)方法。通過對校園安全數(shù)據(jù)的采集和分析，設計出符合用戶需求的可視化界面，實現(xiàn)對校園安全情況的實時監(jiān)控和管理。

2.2 軟件系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)架構。本系統(tǒng)采用客戶端/服務器（C/S）架構，包括服務器和多個客戶端。服務器用于管理、控制和處理各個子系統(tǒng)之間的信息和通信，客戶端用于實時監(jiān)測和管理各個子系統(tǒng)的狀態(tài)。服務器采用MySQL 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲和管理，同時實現(xiàn)了Web 服務，方便客戶端通過瀏覽器進行訪問和管理。

（2）ZigBee 節(jié)點管理模塊。負責對ZigBee 節(jié)點進行管理，包括節(jié)點的注冊、刪除、維護等。該模塊通過與底層硬件交互，獲取節(jié)點信息，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)的節(jié)點查詢與控制。

（3）數(shù)據(jù)庫管理模塊。負責對智慧校園安全系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)進行管理，包括節(jié)點信息、安全預警信息、事件日志等。該模塊通過與數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、更新等操作。

（4）安全監(jiān)測模塊。負責對校園內的安全狀況進行實時監(jiān)測，包括火災、水浸、燃氣泄漏等安全事件的監(jiān)測。該模塊通過與ZigBee 節(jié)點進行通信，獲取節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)分析算法對數(shù)據(jù)進行處理，并在發(fā)現(xiàn)安全事件時及時發(fā)出預警信息。

（5）預警處理模塊。負責對安全事件進行處理，包括事件的分級、處理流程的定義等。該模塊通過與數(shù)據(jù)庫進行交互，獲取歷史事件信息，根據(jù)安全事件的類型和級別進行預警處理，并將處理結果反饋給用戶。

（6）安全控制模塊。負責對校園內的安全設備進行控制，包括警報器、噴淋系統(tǒng)、防火門等。該模塊通過與ZigBee 節(jié)點進行通信，實現(xiàn)對設備的遠程控制。

（7）用戶界面模塊。負責系統(tǒng)的用戶界面設計，包括數(shù)據(jù)展示、操作控制等功能。該模塊通過與其他模塊進行交互，實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的操作與管理。

2.3 具體實驗過程及結果

該系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和智能控制中心組成，傳感器節(jié)點主要用于檢測學校內部區(qū)域的溫度、濕度、光照、人員進出等信息，協(xié)調器節(jié)點負責將傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂浦行模悄芸刂浦行母鶕?jù)數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)對學校內部區(qū)域的實時監(jiān)控和安全管理。

（1）硬件搭建:首先搭建實驗平臺，包括傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和智能控制中心。傳感器節(jié)點采用溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器等，協(xié)調器節(jié)點和智能控制中心采用ZigBee 無線通信模塊。

（2）軟件編程:利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板進行軟件編程，包括傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和智能控制中心的程序設計。通過程序設計實現(xiàn)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的采集和傳輸、協(xié)調器節(jié)點數(shù)據(jù)的接收和傳輸、智能控制中心數(shù)據(jù)的處理和管理。

（3）實驗操作:將傳感器節(jié)點安裝在學校內部關鍵區(qū)域，采集溫度、濕度、光照、人員進出等數(shù)據(jù)，并通過協(xié)調器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂浦行摹Ｖ悄芸刂浦行母鶕?jù)數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)對學校內部區(qū)域的實時監(jiān)控和安全管理。

（4）實驗結果:通過該實驗，成功實現(xiàn)了基于ZigBee技術的智慧校園安全系統(tǒng)的建立和應用。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對學校內部區(qū)域的實時監(jiān)控和安全管理，具有較高的實用價值和推廣應用前景。

3 總結

基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)是一種新型的校園安全管理模式，它利用無線網絡技術，通過多種傳感器設備、控制終端和互聯(lián)網平臺等構建一個安全可靠、高效智能的校園安全系統(tǒng)。傳統(tǒng)的校園安全管理方式主要是以人工巡邏、物理隔離等方式為主，存在人工疏忽、漏洞等問題。而基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)可以實現(xiàn)對校園的實時監(jiān)控、預警和快速響應等功能，提升了校園安全管理的精準性、實時性和有效性。綜上所述，基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統(tǒng)具有提升校園安全管理水平、保障師生身體安全、提高校園管理效率和加強與家長的溝通等重要價值。這種新型的校園安全管理模式將會成為未來校園安全管理的發(fā)展方向和趨勢。