基于Zigbee及RFID的智慧校园安防系统研究

王华德，王明广，莫丽红

(1. 南京审计大学 保卫部，南京 211815；2. 淮安市公安局 物证鉴定所，江苏 淮安 223003；3. 淮阴工学院 自动化学院，江苏 淮安 223003)



基于Zigbee及RFID的智慧校园安防系统研究

王华德1，王明广2，莫丽红3

(1. 南京审计大学 保卫部，南京 211815；2. 淮安市公安局 物证鉴定所，江苏 淮安 223003；3. 淮阴工学院 自动化学院，江苏 淮安 223003)

为了实现校园安防系统“智能化”及“安防”结合，提高安防系统事前预警、事中快速响应、事后准确查询的性能，提出采用ZigBee无线通信技术和射频识别RFID技术的智慧校园安防系统，并对该系统中ZigBee无线火灾预警、RFID门禁系统及智能视频监控系统原理及其实现方式分别进行了介绍，成为智慧校园安防工作的有效技术支撑。

校园安防; 物联网; RFID门禁系统; 智能视频监控

0 引言

随着大学校园的扩建，校园内建筑物的多样性、学生数量的增加及校内人员组成的复杂性，导致近年来部分高校校园内盗窃、暴力事件及火灾等校园事故有所增加。2015年12月18日，清华大学化学系一实验楼发生火灾事故，造成一名博士后研究人员死亡；仅2014年至2015年间全国高校“宿舍”火灾事故已报道的就有20余起，火灾发生原因有线路短路、手机及用电设备操作不当等；2013年下半年，东莞高校发生10余宗校外人员盗窃笔记本电脑案件；2013年东莞某职业技术学院由于处理不及时，由两位学生的冲突最终引发为百余学生群殴事件。为了保护校园内公共财产及学生个人财产安全，保障校内人员的人身安全，在整个校园内构建全面、稳定、可靠的安防系统网络是非常必要的。目前，由于学生对电子产品的广泛使用，且不同建筑物的功能特点，导致校园火灾事故发生原因趋于复杂多样，这些均对校园安防系统的有效性提出了新的挑战[1-2]。传统的校园安防系统通常采用视频监控，这种方式通常是在校园事故发生后调取视频进行内容及过程查看，却不能实现事前预警，且对已发生事故得以及时有效处理的帮助也存在一定局限性[3-5]。此外，在以往的校园安防中，火灾报警系统、门禁系统、视频监控系统等往往是相互独立，互不关联，没有实现校园安防的信息融合及统一布局，且易造成人员及设备等安防资源的浪费。因此，本文基于物联网技术建立智慧校园安防系统，旨在将传统安防技术与“物物相连”的物联网技术相结合，实现校园安防的智能化。

1 安防系统总体设计

1.1 系统功能需求及遵循的原则

待设计的校园安防系统应实现集成、综合的校园安全防护作用，在系统设计及工程实施中均遵循下述原则。

第一，考虑到保留校园原有部分安防设施的需要，系统需同时兼顾先进性与兼容性的原则；第二，可靠性是衡量安防系统是否有效的最基本原则，因此需要建立重要安防设备、网络连接及线路等的冗余备份，通过合理的系统设计实现安防系统的灾难恢复机制；第三，考虑到校园监控节点的增加及后续安防系统的不断完善，系统设计时应考虑可扩展性原则，如预留一定的网络带宽等；第四，安防系统应确保其安全性，通过系统的物理隔离及设置合理的不同用户管理权限，降低黑客攻击的可能；第五，安防系统管理界面应满足易操作原则，通过设计可视化人机操作界面降低对安保人员的操作要求[6-7]。

1.2 系统总体方案设计

图1 校园安防系统总体结构

如图1所示，校园安防系统主要由防火报警子系统、智能视频监控子系统、门禁管理子系统等组成。其中数据感知层是安防系统的最基层，包含了无线感应器、射频识别RFID(Radio Frequency Identification)及摄像头等数据采集单元，实现对烟雾浓度、温度、用户信息及视频图像信息等的采集；网络层则由有线或无线校园网络及ZigBee网组成，主要接收从数据感知层传递的数据信息并传送到应用层，同时可通过网络层实现用户与应用层之间的联系；应用层主要对从网络层接收到的不同类型信息数据进行融合、分析、整理并进行判断，传送到用户层，并可对用户层发出的指令进行相应处理；用户层包含电脑、手机等客户端物联网应用接口。

1.3 ZigBee技术

ZigBee技术是一种低功耗、低成本、低复杂度和低速率的基于IEEE 802.15.4标准协议及2.4G ISM频段的近程无线网络通信技术，其技术思想最初启发于由蜜蜂定位花粉位置时通过其ZigZag形舞蹈向同伴传递信息的方式。在ZigBee网络中根据各设备作用的不同可分为终端节点、路由器节点和协调器节点。终端节点采集数据，通过路由器节点或协调器节点接入网络，也可接收从网络通过协调器节点传送来的控制指令；路由器节点负责路由发现、消息传输、允许其他节点通过它接入到网络；协调器节点是整个ZigBee网络的核心，负责建立、维持及管理网络，分配网络地址等。

ZigBee技术作为无线传感器网络的通信平台，可实现对各种环境及参数实时监控和智能预警，网络中每个无线传感器节点可自行组织形成无线传感器通信网络。

1.4 RFID技术

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

RFID又称电子标签、无线射频识别等，是一种非接触式的自动识别技术，主要由识卡器、电子标签(又称应答器)及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是识卡器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时识卡器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。RFID射频识别通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术优势在于其可实现多目标识别、运动目标识别、远距离目标识别、抗潮湿、抗灰尘及抗烟雾，操作快捷方便。

2 校园安防系统的实现

2.1 防火报警子系统

防火报警子系统采用Zigbee无线网络技术，相对于有线传输方式，具有低功耗、低成本、延时短及组网灵活的优点[8-9]。图2显示了防火报警子系统结构图，在感知层，主要采用温度和烟雾浓度传感器检测各节点温度和烟雾浓度信息，并汇总到ZigBee协调器中，通过校园网络实现与防火报警系统的信息交互，当系统判定可能造成火灾或已出现火灾事件时，防火报警系统迅速发出相应操作指令，如启动报警器和喷淋器等。此外，防火报警系统通过校园网及Zigbee无线传感网络的数据传输，还具有实时火灾数据储存、烟雾及温度数据显示、历史火灾数据查询等功能。

2.2 智能视频监控子系统

传统的视频监控中由于海量图像信息依靠人工实时监看，效率低下，且往往存在监而不控的现象。智能视频监控中利用计算机视觉技术，即在图像与图像描述间建立关系，从而使计算机代替人工完成实时监视任务，且在海量视频数据中自动分析和抽取视频源中关键信息，快速搜索目标及事件[10-12]。

根据校园特点，需要对校园的教室、食堂、道路、运动场所等学生密集处、校园出入口、物品看护、室内烟火及人员异常行为等实施智能监控。

图2 火灾报警系统结构

智能视频监控系统结构如图3所示，主要由视频监控点、信息交互所需的网络、网络视频监控平台及用户监控中心组成，视频监控点模块将摄像头采集的视频和音频信息经过智能分析，通过网络将信息传输到网络视频监控平台(实现视频数据的存储、提取等)和视频监控中心(实现预警事件的判断和报警、已发生可疑事件的迅速定位和处理及指定视频图像的显示等)。

图3 视频监控子系统结构

智能视频监控系统中由于引入智能分析设备及智能客户端，相对于传统监控方式，可实现：(1) 更主动地监控，及时对可疑事件进行提前预警；(2)更全面持续地监控，计算机代替人工实现对所有接入视频的实时处理，不只限于监控墙上显示的视频，且克服了人工长时监控容易疲倦的不足；(3) 更有效地监控，系统通过对视频数据关键信息的分析，仅将可疑视频信息进行报警并提交给安防人员，安防人员进一步对该信息进行确认和处理；(4)更强大地监控，系统除了采集分析视频图像关键信息，还对敏感音频信息(如“救命”等)进行采集和诊断，且系统功能应用多样化，不仅可实现可疑事件、火灾等的监控，人脸识别及学校进出口车牌自动识别也属于智能视频监控的范畴。

2.3 门禁子系统

门禁管理子系统主要由RFID卡、RFID读卡器、门禁控制和门禁管理组成，如图4所示。

图4 门禁子系统结构

RFID卡内保存了不同类型用户如教师、学生及校外协作单位人员的信息及其权限，对临时出入学校人员发放临时出如RFID卡，对不同用户RFID卡，其内信息、权限及外观均应在设计上有所区别。此外RFID卡还应同时考虑远距离及近距离非接触感应需求，如携带RFID卡的教职工出入办公场所时，在远距离自动被门禁系统感应并保存其出入信息。

RFID读卡器可安装在学校图书馆、办公楼、教学楼、宿舍及学校出入通道处，通过读取用户RFID卡内信息及其权限，传送到门禁控制端，门禁控制端通过网络层与应用层门禁管理系统数据库内信息进行匹配分析，传送指令到门禁控制系统，门禁控制端据此进行该门禁放行与否的操作。

门禁控制主要读取RFID读卡器获得的用户信息并传送到门禁管理系统，另一方面，接收门禁管理传送来的指令并执行信息显示、放行及关闭通道等操作。

门禁管理系统中一方面保存门禁出入人员及出入时间等信息；另一方面，对为携带RFID卡用户、非法闯入及超时逗留等异常情况进行及时提醒及警示，并对人员进入其无权限区域进行警告。

对于非RFID人员门禁尾随他人进入或在敏感区域滞留等情况，则需将门禁系统与视频监控信息相结合进行事件检测和判断，并对门禁尾随和非权限敏感区域滞留事件一旦发现即刻报警。

3 结论

本文针对智慧校园安防系统总体方案及其实现方式进行了研究，充分考虑安防系统设计原则及发展趋势，充分利用了物联网技术，以实现校园安防的智能性、快速性、有效性及安全性，克服了以往安防系统仅停留在“安”的不足，兼顾了事先“预防”的需求。

[1] 叶忠杰，赵俊波.基于物联网技术的校园综治安全系统研究[J].现代电子技术，2012(22)：51-54．

[2] 杨丙根.物联网在平安校园建设中的应用[J].无锡商业职业技术学院学报，2010(3)：93-95．

[3] 褚文杰，杨楠.校园网络监控系统的设计[J].物联网技术，2015(4)：99-102．

[4] 信师国，刘庆磊，刘全斌.网络视频监控系统现状和发展趋势[J].网络与通信，2010(1)：23-25．

[5] 叶斌.视频监控技术的发展与现状[J].中国传媒科技，2012(12)：229-230.

[6] 石婷萍.校园综合安防监控系统的设计与管理研究[D].广州：华南理工大学，2010．

[7] 刘兆元.物联网业务关键技术与模式探讨[J].广东通信技术，2009(12)：2-7．

[8] 王东，张金荣，魏延，等．利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J].重庆大学学报，2006(8)：95-97.

[9] 原羿，苏鸿根．基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件，2004(6)：89-91.

[10] 武建.智能视频监控系统设计与实现[D].济南：山东大学，2013.

[11] 张颖，李凯，王建伟.一种有源RFID局域定位系统设计[J].电子设计工程，2012(5)：68-70.

[12] 王洁，石红丽，瞿小玲，等．基于射频识别的无线传感网节点设计研究[J]．电子设计工程，2011(5)：174-176．

(责任编辑：孙文彬)

Research of the Intelligent Campus Security System Based on Zigbee and RFID Technologies

WANG Hua-de1, WANG Ming-guang2, MO Li-hong3

(1. Security Department, Nanjing Audit University, Nanjing 211815, China; 2. Institute of Material Evidence Identification, Huai'an Municipal Public Security Bureau, Huai'an Jiangsu 223003, China; 3. Faculty of Automation, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

In order to achieve the implementation of campus security system and the combination of safety and precaution, and to improve the system early warning, quick-response during the events, and correct inquiry after the events, a campus security system based on Zigbee wireless communication and radio frequency identification technology is proposed. The ZigBee wireless fire alarm system, RFID access control system, intelligent video surveillance system and their implementation method are introduced, which provide a valid technical support for the intelligent campus security.

campus security; EPC network; radio frequency identification access control systems; intelligent video surveillance system

2016-07-23

王华德(1972-)，男，安徽安庆人，主要从事高校治安管理与技术研究。

TP393

A

1009-7961(2016)05-0015-0004