孫勝利, 姜尊然, 呂志成, 魏 哲, 段穎鍇, 黃鏡陶

(天津科技大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院,天津 300222)

多網(wǎng)互通智能化校園安防管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫勝利, 姜尊然, 呂志成, 魏 哲, 段穎鍇, 黃鏡陶

(天津科技大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院,天津 300222)

研究了一種針對(duì)校園的安防管理系統(tǒng)，具有可接入局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電話通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通功能。同時(shí)具有基于B/S功能的監(jiān)控畫面，無需在監(jiān)控端安裝其他軟件就可實(shí)現(xiàn)攝像頭控制、畫面監(jiān)測(cè)、門鎖控制及報(bào)警等功能。該系統(tǒng)硬件部分主要組成包含IP Camera、tiny6410、NFC以及門禁系統(tǒng)等四部分。該安防系統(tǒng)的軟件由基于B/S框架、嵌入式LINUX系統(tǒng)、CGI軟件、視頻流控制軟件等部分搭建。此外系統(tǒng)還包括監(jiān)測(cè)傳感器模塊、報(bào)警模塊、無線射頻識(shí)別和短信電話報(bào)警功能等。實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)互通，人機(jī)結(jié)合和及時(shí)監(jiān)控等創(chuàng)新點(diǎn)，解決了校園安防系統(tǒng)的不完善。利用網(wǎng)頁和嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)整合，提高了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能和便捷。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的安防監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)保障對(duì)校園設(shè)備和人員的有序管理。

安防管理系統(tǒng)； 校園； 嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

在社會(huì)信息化進(jìn)程日益發(fā)展的今天，治安管理問題的預(yù)防和解決，都有賴于打造一個(gè)現(xiàn)代化的監(jiān)控安防技術(shù)防范系統(tǒng)。而現(xiàn)有的安防系統(tǒng)普遍是單純地依靠設(shè)備監(jiān)控或者人力安防。不僅單一而且耗費(fèi)資源。有些復(fù)雜的情況并不能單純的依靠人力或者設(shè)備解決。尤其是校園環(huán)境中的安防系統(tǒng)，在教室，實(shí)驗(yàn)室，辦公室等環(huán)境中，可能存放著貴重物品。然而如今校園中還很少有一個(gè)緊密完善的安防系統(tǒng)，僅是監(jiān)控，保安管理。存在著監(jiān)控應(yīng)用效率低；安防報(bào)警不及時(shí)；人防的結(jié)合不夠緊密等不足。

為了解決這些問題，系統(tǒng)應(yīng)用了多種網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，多網(wǎng)互通的創(chuàng)新點(diǎn)將安防系統(tǒng)的及時(shí)性得到提升。還利用了IP攝像頭監(jiān)控和智能APP等日益流行的軟件，運(yùn)用了各種芯片處理的方式讓安防管理者第一時(shí)間了解情況。采用人機(jī)結(jié)合的方法將一些設(shè)備難以判斷的情況得到更好解決。嵌入式具有很強(qiáng)的針對(duì)性，減少了應(yīng)用在安防系統(tǒng)上的人力與設(shè)備資源。目的是打造一個(gè)全方位的智能化校園安防管理系統(tǒng)。

1 硬 件

硬件包括3個(gè)部分，室外環(huán)境負(fù)責(zé)圖像采集，紅外報(bào)警[1]、讀取卡號(hào)信息。室內(nèi)環(huán)境負(fù)責(zé)信息處理、局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接、傳感器的判斷。鎖的部分則是讀卡開門與發(fā)送短信的功能。

1.1 室外環(huán)境

1.1.1 IP Camera

IP Camera是一種網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，只要插上以太網(wǎng)線和電源就能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和瀏覽視頻信息。因?yàn)镮P Camera有自己的微處理器和內(nèi)存，一般用linux操作系統(tǒng)，內(nèi)置Web服務(wù)器，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，擁有IP地址和DDNS動(dòng)態(tài)域名，可以通過IE瀏覽器輸入IP地址進(jìn)行視頻收看。正是利用了這個(gè)原理將它與CGI結(jié)合并設(shè)計(jì)界面。并且，近兩年，IP Camera迅速發(fā)展，幾乎保持每年2、3倍的速度增長(zhǎng)，需求量約為115萬臺(tái)。本系統(tǒng)使用此設(shè)備充分考慮了市場(chǎng)需求[2]。

IP Camera的突出優(yōu)勢(shì)在于，實(shí)現(xiàn)用戶可通過手機(jī)設(shè)置IP Camera的WiFi，無需通過WPS或者連接進(jìn)設(shè)備中即可設(shè)置好IP Camera，另外就是節(jié)省連接線材等硬件成本。安裝在門外，用來進(jìn)行視頻監(jiān)控[3]。

1.1.2 NFC

NFC的全稱是近距離無線通信，它是在飛利浦公司提議下發(fā)起的，并由索尼、諾基亞等國(guó)際著名廠商聯(lián)合推出的一項(xiàng)近距離無線通信技術(shù)。通過在NFC芯片上集成感應(yīng)式卡片、感應(yīng)式讀卡器和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功能,能夠在較短距離內(nèi)與相關(guān)設(shè)備通信,達(dá)到識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。Android手機(jī)通過集成NFC芯片就可以讀取相關(guān)NFC標(biāo)簽或者設(shè)備的信息，該技術(shù)由非接觸式射頻識(shí)別，也就是RFID演變而來，近場(chǎng)通信是一種短距高頻的無線電技術(shù)，在13.56 MHz頻率運(yùn)行于20 cm距離內(nèi)。其傳輸速度有 106 Kbit/s、212 Kbit/s或者424 Kbit/s 3種。近場(chǎng)通信已通過成為ISO/IEC IS 18092國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、EMCA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)。NFC采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式。

因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，所以這需采用主動(dòng)讀取卡號(hào)信息，系統(tǒng)所做的創(chuàng)新只是把NFC與手機(jī)、門禁結(jié)合，將重心放到安防上,使用RDM8800型號(hào)的NFC無線識(shí)別系統(tǒng)，它是繼RDM6300后ITEAD STUDIO推出的又一款RFID模塊。它不僅僅是一個(gè)讀卡器模塊，還可以將它視為一個(gè)ARDUINO+PN532的NFC開放平臺(tái)。通過Arduino上的PN532支持庫，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中開鎖的功能。

1.2 室內(nèi)環(huán)境

1.2.1 TINY6410

Tiny6410是一款以ARM11芯片(三星S3C6410)作為主處理器的嵌入式核心板，該CPU基于ARM1176JZF-S核設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了強(qiáng)大的多媒體處理單元，支持Mpeg 4, H.264/H.263等格式的視頻文件硬件編解碼，可同時(shí)輸出至LCD和TV顯示。它可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，使開發(fā)人員快速完成原理樣機(jī)的研究；還并帶有3D圖形硬件加速器，以實(shí)現(xiàn)OpenGL ES 1.1 & 2.0加速渲染，另外它還支持2D圖形圖像的平滑縮放、翻轉(zhuǎn)等操作[4-6]。

正是利用了TINY6410多媒體模塊較多，全屏幕觸屏的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)與普通內(nèi)外網(wǎng)轉(zhuǎn)換媒介，電腦而言，TINY6410體積更小，針對(duì)性更強(qiáng)，減少了不必要的能源消耗[7,8]。

1.2.2 花生棒

花生棒是一款實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)域名解析技術(shù)(NAT-DDNS)的硬件。它主要功能是進(jìn)行動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)支持公網(wǎng)的功能。在本安防系統(tǒng)中，利用花生棒來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，有效地解決了外網(wǎng)無法訪問內(nèi)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的問題。在市場(chǎng)上常見的系統(tǒng)中，用戶只能在和IPCAMERA相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，引進(jìn)了花生棒以后，系統(tǒng)為用戶開辟了一個(gè)新的通道，即用戶可以在遠(yuǎn)程通過電腦或手機(jī)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理。

1.3 鎖

1.3.1 短信模塊

該部分利用到了RDM8800與SIM900的結(jié)合，還運(yùn)用到了室內(nèi)的紅外報(bào)警器，考慮到一些硬性盜竊手段或者是破窗而入。因?yàn)镾IM900具有多功能的特性，可以與紅外報(bào)警器結(jié)合并經(jīng)ARDUINO IDE編寫程序達(dá)到室內(nèi)沒有檢測(cè)到卡號(hào)而紅外報(bào)警的效果。體現(xiàn)了及時(shí)監(jiān)控的效果，組成框圖如圖1所示。

1.3.2 開鎖模塊

開鎖部分依舊運(yùn)用到了RDM8800與ARDUINO NANO，通過ARDUINO NANO控制舵機(jī)，刷卡時(shí)，RDM8800識(shí)別正確卡號(hào)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開鎖[8]。關(guān)門時(shí)啟動(dòng)磁感應(yīng)器，舵機(jī)回位，鎖門。組成框圖如圖2所示。

圖1 短信模塊原理圖

圖2 鎖模塊原理圖

2 軟 件

如果說硬件是實(shí)體的話，軟件則是這個(gè)系統(tǒng)的骨架。軟件的編寫決定著該系統(tǒng)的靈活性與效率。由于涉及到一些手機(jī)和電腦的交互界面，故軟件中包括網(wǎng)頁CGI語言、與嵌入式結(jié)合的BOA語言、編寫手機(jī)APP的安卓與JAVA語言。關(guān)于硬件控制方面，采用的是ARDUINO IDE的編寫，因?yàn)锳RDUINO是一款開源電子原型的平臺(tái)，適用于電腦程序開發(fā)[9-10]。

圖3 整體程序流程圖

2.1 CGI中有關(guān)BOA的語言

該部分與嵌入式TINY6410中的LINUX程序相關(guān)，CGI(Common Gateway Interface)是外部應(yīng)用擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端瀏覽器輸入的數(shù)據(jù)，從而完成客戶端與服務(wù)器的交互操作。而CGI規(guī)范就定義了Web服務(wù)器如何向擴(kuò)展應(yīng)用程序發(fā)送消息，在收到擴(kuò)展應(yīng)用程序的信息后又如何進(jìn)行處理等內(nèi)容。通過CGI可以提供許多靜態(tài)的HTM網(wǎng)頁無法實(shí)現(xiàn)的功能，比如搜索引擎、基于Web的數(shù)據(jù)庫訪問等。CGI是外部應(yīng)用程序(CGI程序)與Web服務(wù)器之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是在CGI程序和Web服務(wù)器之間傳遞信息的規(guī)程。BOA服務(wù)器是一個(gè)小巧高效的Web服務(wù)器，是一個(gè)運(yùn)行于UNIX或Linux下的，支持CGI的、適合于嵌入式系統(tǒng)的單任務(wù)的Http服務(wù)器，源代碼開放、性能高。所以，TINY6410相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)BOA與CGI的媒介。

系統(tǒng)通過LINUX和BOA嵌入式服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的監(jiān)控系統(tǒng)，嵌入式作為安防系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器，通過CGI頁面顯示NFC模塊讀取的卡號(hào)信息，通過 無線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，發(fā)送信息給PC上的監(jiān)控頁面。PC則同時(shí)收集IP Camera和嵌入式門禁這兩個(gè)模塊信息，并通過BOA服務(wù)器建立登錄界面、信息顯示界面，從而可以在瀏覽器上顯示監(jiān)控畫面。

將Boa移植到運(yùn)行uClinux操作系統(tǒng)的ARM處理器上,建立嵌入式Web服務(wù)器, 為用戶提供基于Http協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入方式,這樣的設(shè)計(jì)方案可以很好地運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中。軟件從網(wǎng)上下載，通過交叉編譯鏈接生成最后的可執(zhí)行文件，對(duì)BOA的配置文件boa.conf進(jìn)行修改，包括存放主頁的主目錄和首頁名稱等，然后把boa和boa.conf這兩個(gè)文件拷貝到開發(fā)板操作系統(tǒng)中，再執(zhí)行BOA主程序，嵌入式服務(wù)器就生成好了。NFC則基于ARDUINO開發(fā)環(huán)境開發(fā),當(dāng)讀卡器識(shí)別考卡號(hào)后，經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照處理，判斷該卡號(hào)是否允許通過，同時(shí)卡號(hào)被傳送到PC當(dāng)中，實(shí)時(shí)顯示到瀏覽器中，并通過SIM900模塊把卡號(hào)發(fā)送到指定手機(jī)的短信當(dāng)中。根據(jù)需要去創(chuàng)建CGI程序，實(shí)現(xiàn)視頻和卡號(hào)識(shí)別等監(jiān)控信息的整合[11-14]。

部分CGI程序：

html,body{ width:100%; height:100%;}

body {

margin-left: 0px;

margin-top: 0px;

margin-right: 0px;

margin-bottom: 0px;

}

</p><p>

2.2 ARDUINO IDE的程序編寫

ARDUINO IDE，開發(fā)環(huán)境的要求較為寬松，只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到ARDUINO電路板后，程序便會(huì)告訴ARDUINO電路板要做些什么了。IDE編寫的對(duì)象則是各式各樣的ARDUINO模塊，ARDUINO是一個(gè)基于開放原始碼的軟硬件平臺(tái)，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。它能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，有一些擁有特殊功能的面板，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過ARDUINO的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。系統(tǒng)中利用了它跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰、開放性強(qiáng)等特點(diǎn)。利用RDM800與SIM900的信息傳輸功能實(shí)現(xiàn)發(fā)送卡號(hào)短信，利用RDM6300與ADRUINO NANO處理器通過程序定義舵機(jī)的PWM引腳完成刷卡開鎖的過程[14]。

短信部分中定義目標(biāo)手機(jī)號(hào)的部分：

#include

#include

#define delaytime 2000

#define timeout1 5000

#define timeout2 7000

char number[20] = "13XXXXXXX49"; //改成接收短信的手機(jī)號(hào)碼

byte comm_buf[20];

const int LED = 3;

#define PN532_CS 10

PN532 nfc(PN532_CS);

//#define NFC_DEMO_DEBUG 1

unsigned int frame_format;

開鎖部分中調(diào)節(jié)舵機(jī)脈寬與識(shí)別卡號(hào)的部分：

void pulse( int serpin,int angle)

{

int width;//舵機(jī)輸出脈寬

width=(angle*11)+500;//將角度轉(zhuǎn)化為500-2480的脈寬值

digitalWrite(serpin,HIGH);//將舵機(jī)接口電平至高

delayMicroseconds(width);//延時(shí)脈寬值的微秒數(shù)

digitalWrite(serpin,LOW);//將舵機(jī)接口電平至低

delay(20-width/1000);

}

Serial.println(Num);

if((Num==Password1)||(Num==Password2))//識(shí)別卡號(hào)

{

digitalWrite(13,HIGH);

delay(5);

for(int i=0;i<=50;i++)//給予舵機(jī)足夠的時(shí)間讓它轉(zhuǎn)到指定角度

{

pulse(serpin,20);//引用脈沖函數(shù)

}

2.3 手機(jī)安卓APP的編寫

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多IP Camera的版本，像IP Camera Viewer、P2PIP Camra這些軟件在市場(chǎng)上已經(jīng)很普遍了，而系統(tǒng)中的手機(jī)APP是基于校園安防系統(tǒng)和IP Camera結(jié)合的一款A(yù)PP，它在界面上與市場(chǎng)上P2P IP Camera這款軟件的區(qū)別是我們結(jié)合了門鎖的部分。首先進(jìn)入手機(jī)APP界面會(huì)顯示監(jiān)控畫面，畫面旁邊有個(gè)人信息欄和報(bào)警按鈕。這可以使主人在監(jiān)控的同時(shí)可以看到通過刷卡進(jìn)入屋內(nèi)人的個(gè)人信息，如果非系統(tǒng)內(nèi)人員進(jìn)入屋內(nèi)，手機(jī)APP界面會(huì)顯示報(bào)錯(cuò)，這時(shí)房屋主人可根據(jù)監(jiān)控畫面來判斷是否報(bào)警。

在APP實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)觀看視頻監(jiān)控的過程中，系統(tǒng)采用了花生棒這一硬件來解決內(nèi)外網(wǎng)無法互通的問題?；ㄉ羰且豢顚?shí)現(xiàn)了內(nèi)網(wǎng)穿透動(dòng)態(tài)域名解析技術(shù)(NAT-DDNS)的硬件，它可以產(chǎn)生一個(gè)可供外網(wǎng)使用域名，手機(jī)用戶就可以在IP Camera的局域網(wǎng)以外或者使用數(shù)據(jù)流量隨時(shí)隨地的觀看監(jiān)控視頻，不再受局域的限制。手機(jī)APP的制作是基于Java語言主要在Eclipse中編寫程序，以市場(chǎng)上P2P IP Camera這一款手機(jī)APP為參考，研發(fā)出一款集門禁監(jiān)控和IP Camera于一體的手機(jī)軟件[14-15]。

3 系統(tǒng)整體運(yùn)行效果

整個(gè)過程是:首先NFC判斷卡號(hào)是否正確，如果卡號(hào)正確的話，ARDUINO NANO控制開鎖，SIM900會(huì)發(fā)送開鎖記錄；若是錯(cuò)誤的卡號(hào)，SIM900會(huì)首先發(fā)送錯(cuò)誤的開鎖記錄，用戶可以使用APP訪問互聯(lián)網(wǎng)中的TINY6410，此時(shí)嵌入式已經(jīng)通過花生棒建立起固定的IP地址，這就體現(xiàn)了系統(tǒng)多網(wǎng)互通的性質(zhì)。用戶就可以通過IP攝像頭所拍攝的畫面來判斷情況的緩急，來選擇電話報(bào)警，或者僅僅是啟動(dòng)報(bào)警器起到威懾作用。這就體現(xiàn)了系統(tǒng)人防和設(shè)備防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)遇到一些硬性的盜竊方案，比如破門而入或破窗而入，這時(shí)就可以通過SIM900與屋內(nèi)的紅外傳感器結(jié)合，當(dāng)ARDUINO NANO沒有運(yùn)行時(shí)，紅外傳感器工作，檢測(cè)到信號(hào)時(shí)會(huì)使SIM900給用戶的手機(jī)打電話，讓用戶及時(shí)了解情況，實(shí)現(xiàn)全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控[16]。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)不需要電纜，也不需要裝額外的軟件，只要裝有瀏覽器，就可以通過花生棒從外部的局域網(wǎng)鍵入已由路由器分配好的內(nèi)網(wǎng)地址，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，而且在瀏覽器與手機(jī)APP界面中可以同時(shí)控制攝像頭的運(yùn)動(dòng)，以及報(bào)警信息，因?yàn)橛布糠值男酒际堑秃哪?，利用電池供電，克服了停電時(shí)的失控狀況，全方位、全天候地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?zé)o線化和智能化。

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Design of Intelligent Network Security Management System

SUNShengli,JIANGZunran,LüZhicheng,WEIZhe,DUANYingkai,HUANGJingtao

(College of Applied Arts and Scicences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China)

Today， the development of campus security system has been completed, but is still lack of systemic and flexibility, the management is difficult. This paper introduces a new campus security system which can operate network monitoring, and connect with LAN, the Internet, and telephone communications network. This system’s hardware mainly uses IP CAMERA, tiny6410, NFC and entrance guard system. The software mainly includes B/S framework, embedded LINUX operation system, CGI software and VIDEO stream controller software. In addition the system includes monitoring sensor module, network transmission module, alarm module, radio frequency identification and SMS phone alarm, etc. Not only does it use the multi-network communication but contains innovation such as network communication, man-machine combination and timely monitoring. In order to solve the shortcoming of campus security, the use of web pages and embedded technology has implemented in integration of the wireless monitoring network system, to enhance the functionality and convenience of the monitoring system. Through experimental verification, the system reached the purpose of real-timely protecting campus equipment and personal safety.

security management system; campus; embedded system

2016-05-05

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201510057188)

孫勝利(1966-)，男，天津人，學(xué)士，副教授，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。

Tel.:15122799166;E-mail:15122799166@126.com

TP 277

A

1006-7167(2017)02-0131-05