基于ZigBee的智慧校园安全管理系统的设计

李子聪

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

1 ZigBee及其构成

1.1 ZigBee技术的内涵

作为一种近程无线网络通信技术，ZigBee技术的标准协议和频段都属于特定的固值，其特点在于速率、复杂程度、成本和功耗都较低。该技术的灵感源自蜜蜂定位花粉，与蜜蜂传递信息的路径较为相似。在ZigBee网络中，按照用途划分，主要包括以下三种节点，即协调器、路由器和终端。其中，协调器节点的作用为网络地址的管理、维持和分配。路由器节点则发现、扩散或允许路由信息与网络关联。而终端节点最核心的任务为控制指令或数据采集。三个节点相互协调，共同搭建网络的通信平台，实现智能预警及实时监控并进行无线通信网络下的数据传输。[1]

1.2 ZigBee技术的优势

在智慧校园安全管理系统中应用ZigBee技术，具有自身距离短和功耗低的优势。以往安全管理系统都是由有线、数字化网络组成，不仅浪费空间而且耗费大量的物力和资金。在网络使用资费方面，更是具有CDMA网和GSM网所无法企及的优势，不需要任何费用。同时，工作可靠性更有保障，可以灵活调整覆盖范围，不受场地限制，根据应用场景进行在线对接，数据传输可以实现多跳以及全范围覆盖。此外，兼容多种传感器设备，避免丢包问题的发生，特别适合远程和自动设计的开发。

1.3 ZigBee无线技术应用设计

随着校园扩建规模的加快，大学校园人员组成日趋复杂，同时受学生安全意识不强，以及学校安全管理工作失职的影响，校园安全问题频发。事故发生的原因也日趋多元化，为了解决上述问题，做好事前预警管理，需要对安防资源进行整合，实现安全管理系统的智能化目标。而基于ZigBee无线技术，将其嵌构于智慧校园安全体系当中，需要有效发挥该技术的桥梁功能，实现传输数据的稳定准确性、安全可靠性。根据ZigBee无线技术的特征，应该合理划分参数配置、数据阐述，有效增删监控信息，综合考虑应用环境和实际特征，力争运营过程兼顾后期维护和低成本，确保安全信息传输网络更为灵活和可靠。[2]

2 安全管理系统总体设计

2.1 系统功能与原则

智慧校园、安全管理系统要与校园实际保持一致，实现集成、综合和多维度防护。首先，采取先进性与兼容性的原则，有效利用学校内部的安全体系，尤其是基础性的安防设施要得到妥善的应用。同时做好各种备份，力争使恢复机制达到预期要求，还需要坚持可靠性和可扩展性原则，为后续安防系统的增加、升级或优化奠定基础。此外系统还应该遵循易操作原则，设置合理的物理隔离，采取可视化人机操作确保其安全性，并降低管理难度。

2.2 系统总体方案设计

基于ZigBee无线技术下的校园安全管理系统主要覆盖防火报警、视频监控和放到系统以及温湿度报警等几个领域，如图1所示。其中，数据感知层可以实现信息的采集，例如对图像、用户以及浓度等安防模块的识别。数据采集单元包括无线感应器等，属于管理体系的最基层。网络层主要包括各种类型的网络，任务是将反馈信息传送到应用层，确保用户与应用层有机融合。而应用层的应用接口为各种客户端，例如Ipad、电视墙、手机等智能移动设备。其工作性质为融合、分析、整理数据，通过预先设定的程序对信息进行识别，以及对指令进行相应处理，最后将传送到用户层。

2.3 基于ZigBee技术的可靠性

在校园当中，构建ZigBee网络会受到其他数据的干扰，例如GPRS、红外、WIFI以及蓝牙等。为了确保传输的稳定性和可靠性，需要做好科学的应对，避免共存环境下受到任何影响。当然ZigBee无线传输本身的优势在于能够很好地抵抗干扰，而且传输距离也可以得到保障，进而呈现低误值的码率。但是也不能麻痹大意，还是要增加信道算法，一旦遇到外界干扰源，可以通过占空比或冲突算法的实时调整，实现传输的稳定性。

3 基于ZigBee的智慧校园安全系统的软硬件要求

3.1 传感器的选择

校园防火安全至关重要，不论是食堂、实验室还是寝室都有一定的火情隐患。为此需要在重点区域设置烟雾传感器。而传感器的选择要符合ZigBee无线网络的要求，力争测温模块能够及时模拟信号，一旦温度超过60℃，可以在校园安全平台报警，及时化解险情。此外，选择传感器还要与其工作环境相吻合，例如处于化学实验室当中，必须要有较强的耐腐蚀性。而在火情出现的检测方面，需要能够与火情的程度相匹配，防止造成安全隐患。

3.2 硬件的设计分析

基于ZigBee模块下的安全管理系统，其核心内涵为通过对监测区域的数据反馈，监控中心实时辨别危险元素和等级。在整个设计的过程中，数据采集工作主要通过无线传感技术来完成，借助上位机的计算，对管辖区域进行有效安全分析和判断。根据智慧校园系统的实际需求，硬件的选择要充分考虑组网特点，在保障丰富功能的前提下，实现模块和人员数据的实时定位。具体设计结构如图2所示。

在本系统中，系统硬件平台的重要性不言而喻。为此，电路设计要使用SV电源供电，RS-232串行通信接口作为通信模块，此外，接口转换器、振荡器及异步收发传输器都要同步协调，发挥信息消化以及快速组网优势。

3.3 软件设计分析

在Zigbee网络中，在上述硬件基础之上，还要构建与之吻合的软件系统。本设计采用B/S模式，程序编写为C/S模式、操作管理选取Myeclipse模式。系统软件部分的任务主要针对终端节点的设计、处理模块的数据分析、路由设备及协调器的设计，还囊括算法检测和采集信息的使命。为了确保组网能力，算法设计还应该具备节点定位和心跳发送功能。鉴于网络压力的考虑，实施分布式故障检测以及心跳检查机制十分必要，可以凸显算法的灵活性并强化主动性能。

4 基于ZigBee的智慧校园安全管理系统的实现

4.1 防火报警子系统

在智慧校园安全体系当中，防火工作具有举足轻重的地位。通过ZigBee为机理的无线传感网络，可以根据烟雾浓度和温度进行报警器和喷淋器的开启或警示，有效发挥其组网灵活、延时间隔短、成本和功耗较低的优势。防火报警系统的构建还要依靠传感器的检测，通过感知层的反馈，迅速发出相应的行动指示。ZigBee无线传感网络还可以进行历史火灾数据查询，储存烟雾及火灾数据，在校园网的助力下，完成数据传输和系统的信息交互。

4.2 智能视频监控子系统

随着校园外来人群的增多，校园内安全隐患不断提升。为了改变这一现状，需要构建智能视频监控，对人流密集处以及公共场所进行智能监控。其中包括食堂、寝室、教室等出入口。智能视频监控系统需要ZigBee的支撑，能够解决传统视频监控的弊端，通过搭建计算机视觉技术平台，完成频源中关键信息的抽取与分析，并可以进行目标及事件的高效运作或搜寻。其中，视频监控系统主要由监控中心、监控平台、信息网络和监控点组成。视频监控点模块是智慧校园安全管理的重要环节，能够主动监控、存储、提取信息，并进行视频的实时处理，这不仅提升了后续安全事件进度的处理速度，还提升了管理系统的质量和效率。在智能客户端引入分析设备，既是采集和诊断敏感音频的保障，更是自动识别视频图像关键信息的基础保障。

4.3 防盗监测系统设计

校园设备防盗系统同样是安全管理工作的有机组成，为了保障学校公共财产以及师生个人隐私的安全，防盗监测系统设计要嵌入传感器节点，并通过ZigBee形成节点移动区域的网络。一旦设备出现位置变化，或与预定的范围区间发生冲突，无线传感器将会实时发出警告，通知管理中心或工作人员要采取措施阻止设备出入。首先，防盗系统的设计要与定位系统的设计协调平衡，根据ZigBee网络的特征，节点芯片要与防盗体系有机匹配。定位跟踪引擎系统可选用CC2431芯片，不仅可以满足ZigBee网络的需求，还可以使各项性能发挥出最佳化效果。智慧校园设备防盗系统组成结构详见如图3所示。

在RSSI定位技术的应用中，需要使用RSSI定位引擎，利用其速度快、精度高的特点，将ZigBee网络与参考节点设计相吻合，实际布防时，参考节点要多于5个，交错间隔放置，为了保证定位精度需要将参考节点合理分布。盲节点设计要根据需求，结合定位引擎功能，采用CC2431硬件主芯片，进而提高网络效率。同时采用体眠和唤醒的模式，将调度节点设定为1分钟间隔。而在ZigBee网关设计中，网络协调器发挥主导作用，考虑数据的传递，按照设备防盗系统的需求，通过数据访问实现接口转换，如果没有匹配认证，联动控制会同步传送管理中心。

4.4 温湿度安全传感设计

ZigBee无线传感网络的结构组成包括软件、网关和节点，收集、处理和传输数据实现远程控制，能够与多种传感器设备兼容，在协调器连接温湿度过程中，要符合信息化建设的现状，其中协调器作为核心，并连接温湿度，为此树形网络结构将作为本系统设计的主要结构，如图4所示。温湿度的变化检测包括烟雾传感器、人体红外传感器以及门磁传感器，借助上述传感器的实时监测，能够通过无线终端采集，为此大大提升智慧校园的安防监控效率。

总之，随着物联网技术的发展，构建智慧校园安全系统已是大势所趋。基于ZigBee设计的安全管理系统，具有兼容性、扩展性和保密性优势，实现了智能、快速、有效的智慧校园管理。克服了以往有线监控系统的不足，兼顾了事先预防，实现智能报警功能，便于维护工作者掌握系统运行状态，并大大节约了安防系统的成本，在反馈和传输监控信息时稳定性高，有助于构建集约化服务网络以及校园安全监管的智能化，实现核心业务模块的重组可为监控提供重要参考，未来应用必然十分广阔的研究意义和实践价值。