基于物联网技术的智能校园安防管理系统的设计

王悦， 卢娜

(西安航空学院 经济管理学院， 陕西 西安 710077)

0 引言

校园是培养下一代的场所，校园的安全和谐影响着广大师生的身心健康。近年来我国高校学生数量连年递增，高校领导和一线教师极其关注校园安全问题。随着突发的校园安全事件的增多，校园安全引起了全社会的关注。维护校园安全稳定也成为构建和谐社会的重要保证。目前，校园安全防范应急工作较薄弱，迫切需要采用技术手段来加强校园安全[1]。十九大以来，“互联网+”、人工智能和大数据等技术的发展成为我国重大战略、规划和举措。新技术的发展为校园安全管理带来了挑战和机遇。高校具有利用信息化技术改革的先决条件与优势，不仅可以研发信息化技术，而且要成为信息化技术应用的典范[2]。物联网(Internet of Things)，即万物互连，是通过射频、红外感应等设备将物品与互联网相连实现信息交互，是世界信息产业发展的第三次浪潮[3]。物联网技术的使用已经遍及智能交通、公共安全、平安家居、工业监测等多个领域。将物联网技术与校园安防系统结合，促进了“平安校园”的建设工作。

国内外学者在“平安校园”方面做了大量的研究，学者刘潜[4]研究了事故发生、预防、控制的一般规律；皮祖训等[5]深度分析了影响校园安全的因素；Hu P等[6]提出了校园智能安全解决校园安全问题的方案；Li X等[7]提出了基于GIS的校园安全框架模型。传统校园安防监控大多采用人工巡逻，实时预警较差，不具备联动报警机制，可靠性较低。本文以提高校园安防监控的可靠性为目的，结合物联网技术，嵌入式技术，互联网技术，设计了基于物联网技术的智能校园安防管理系统，利用多网互通提高了预警的及时性，还利用智能App应用软件让管理人员第一时间了解校园安全情况。“互联网+校园安全”是互联网与校园安全的深度融合，是校园安全体系在 互联网平台得到有效构建[8]。

1 高校校园安全影响因素及安防系统需求特点

1.1 安全隐患发现及时性差

安全事故发生都会有量变到质变的发展过程。现行安全管理模式是在安全事件没有发生之前，进行专项检查与日常检查，没有对安全隐患干涉做明确具体要求和规定，致使很多的安全隐患没有被管理人员察觉。所以传统安全管理模式下的细微安全隐患难以及时发现，难以提高安全管理人员的重视度。

1.2 管理人员存在侥幸心理

大多数安全隐患在短时间内，不会造成重大损失，不会形成强烈的社会舆情，这极易造成管理人员的侥幸心理，只要安全事件不发生在管理人员的职责期限内，就无需对事件负责，只要拖过他的工作时间期限，一切就事不关己了。

1.3 安全制度不健全

高校的人才培养、文化传承创新的实现需要一个良好的安全环境，各地方院校的建设指标体系中很少提及安全方面。这就造成了高校安全要求仅挂于墙上，停留在文件里，形成了形式主义的安全考核。安全制度是校园安全的基本保障。但一些制度仅停留在形式上, 其可行性不高。这种管理模式与安全隐患的消除存在一定的相背之处，更多的是起到治标的作用，难以在源头上消除安全隐患[9]。

1.4 安全教育松懈

高校校园安全工作的两个重要内容是安全管理和安全教育，它们有着相辅相成的关系。通过管理手段来规避安全风险是很多高校采用的方式,然而不重视教育和引导师生避免危险。许多高校仅依赖公益宣传方式的安全教育, 缺少系统性和深入性，未把安全教育融入教育教学的体系之中[10]。

2 系统总体设计

2.1 物联网技术

物联网，即万物互联的网络。是按约定的协议，通过传感设备(红外感应、射频识别等)，实现物到物、人到物、人到人之间的网络互联，是信息产业发展的第三次浪潮。其结构如图1所示。

图1 物联网基本组成

其主要特征是通过传感设备获取各种信息，结合互联网进行信息交互，通过智能计算技术分析处理这些信息，实现智能化控制。感知层、网络层和应用层是物联网的三个组成部分。其中，感知层主要负责数据采集和自组织网络系统；网络层是承载网支撑系统；应用层包括物联网业务子系统和物联网应用子系统。随着NB-IoT、5G等设施的完善，万物互联不再是纸上谈兵，物联网产业进入了“跨界融合、集成创新”阶段。本文将物联网技术运用于校园安防系统中，提高了系统的实时性和可靠性。

ZigBee是一种短距离无线通信技术。主要特点为低功耗、低成本、短距离传输、传输速率低、短延时、高可靠性。ZigBee技术有三种频段:2.4 GHz为全球通用频段；915 MHz为美国的ISM频段；868 MHz为欧洲的ISM频段。ZigBee组网方式有星型、树型、网型三种拓扑结构。该技术可应用于工业控制、健康医疗、现代农业等领域。

RFID(射频识别)是一种非接触式的自动识别技术，可工作于各种恶劣环境，同时可识别多个标签，可识别静止或高速运动的物体。RFID标签具有防水防磁、耐高温高压、可加密性强等特点，广泛应用于商业零售配送、智能门禁系统、交通物流运输等领域[11]。

2.2 智能校园安防系统总体设计

随着物联网技术、云技术、传感器技术的发展与应用，促进了校园安防系统在技术上的飞跃。本系统以STM32单片机作为中央处理器，结合门禁系统、无线通信模块、防火预警模块、视频监控模块等组成了校园安防系统。校园安防系统结构如图2所示。

图2 校园安防系统总体结构

该校园安防系统的设计应实现集成、综合的保护校园师生安全的作用，在系统设计时应考虑到保留原有校园安防设施；在系统构建中应考虑系统可靠性问题；同时，系统应具有高安全性和易操作等特点。该系统的基层为感知层，包含了传感器、RFID、摄像头等，实现信息采集;网络层由Internet、ZigBee网、4G5G组成，主要接收数据信息并传送到应用层； 应用层主要对数据进行分析、整理、判断，并传送到用户层；用户层就是PC机、手机App等客户端。

3 系统关键技术

3.1 系统硬件结构

系统硬件结构主要由门禁系统、主控制器模块、无线通信模块、防火报警模块、视频监控模块和终端模块六部分组成。主控制器模块选用STM8S207单片机，它内部集成的数据存储器和程序存储单元以及30万次的擦写周期可以满足本设计的需求。该系统设计的App可与嵌入式Web服务器长时间连接，通过App对嵌入式Web服务器的数据操作，实现了远程实时控制[12]。该系统通过门禁系统、监控系统、报警系统重点监测教学区、实训区、生活区等场所。

3.2 门禁系统

门禁系统主要包括校园门口、教室、实验室、宿舍等门禁系统。其结构包括了底层的身份识别和报警等装置；中间层控制器用来采集人员信息，并进行校验后做出处理；终端层计算机通过总线获取控制器处理来的数据。门禁系统结构图如图3所示。

图3 门禁系统结构图

其功能可概括为权限管理、实时监控、记录查询、异常报警等。

3.3 视频监控模块

通过计算机视觉技术，分析海量视频数据，抽取视频源中关键信息，使计算机完成实时监视任务。校园通过摄像头监控教室、宿舍、食堂、运动场所等学生密集处实施智能监控。

以大数据技术为基础，通过摄像头采集建立一个样本数据库，并及时更新样本数据库的信息，实现有效识别目标的目的。该模块可实现事前预警、全自动、全天候、实时监控处理的功能，有效解决了传统校园安防系统较为落后的弊端。视频监控结构图如图4所示。

图4 视频监控结构图

3.4 防火报警模块

防火报警模块把传感器(烟雾传感器MQ-2、温度传感器DS18B20、火焰传感器等)检测的各节点信息，汇总到ZigBee协调器中，并通过校园网进行信息交互，判断是否有火情，是否需要启动报警器，是否需要开启喷淋器。通过Zigbee无线通信技术的数据传输，实现实时火灾数据储存和显示以及历史数据查询等功能。

3.5 无线组网

ZigBee节点通过交换路由信息维护自身的路由表，通过优化分析来自其他节点的路由更新信息，选择最优路径。以自组网形式组成无线网络，实现数据采集、处理和传输。无线组网结构的核心是协调器，主要负责连接传感器或路由器，用于控制整个网络；路由器用于连接传感器，主要负责数据传输；终端节点就是各种传感器。本系统根据设计需要选择易于施工、扩展和维护的树形网络结构。

3.6 云技术

云技术是一种新的计算平台，融合了网格计算、虚拟化、弹性计算等技术。该物联网校园安防系统云架构的设计上，采用公有云模式。该校园安防系统能够关联各个孤立的监控系统，实现优化整合资源和信息共享的目的。该功能是采用公共云技术有效实现的，即在全校范围内建立一个公共云平台，将各个监控区域中有关的安全数据上传到该云平台汇聚处理，以便为校园安防监控中心对安全事件预测与应急处理提供决策依据[13]。该系统采用云技术将大幅提高了安全性，解决了以往一些终端设备无法被有效监管的问题。

4 实验分析

本文设计的物联网校园安防系统通过实验检测系统的可靠性。主要测试指标为门禁识别执行终端A1、视频摄像机A2、图像显示终端A3、报警设备A4、无线传输丢包率A5、门禁控制A6等。设定实验环境为：某高校内任意三个地点，对以上指标进行测试，其结果如表1所示。

表1 测试数据

由表1结果可知,该系统能够稳定运行，通信效果良好，能够满足校园安防的需要。

对整个系统进行模拟通信测试——ZigBee组网测试，验证通信的可靠性及稳定性。通过对ZigBee模块的传输数据的丢包率进行测试。选取校园任意5个点进行测试，且测试距离不同。测试结果如表2所示。

表2 丢包率测试

5 总结

本文结合物联网技术、云技术、传感器技术，构建了一款校园安防管理系统，详细阐述了该系统的各个功能模块组成，通过模拟测试，对数据丢包率进行了测试，结果表明：通信稳定且可靠性高。又通过对门禁识别执行终端、视频摄像机、图像显示终端、报警设备等设备可靠性进行了测试，测试结果表明：系统运行稳定。