俞慧慧

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與智能工程系，安徽 蚌埠 233000)

校園安全問題是社會各界普遍關(guān)注的重點問題。近年來，來自消防、人身安全等方面的校園安全事件層出不窮，因此推進校園安全系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)平安校園顯得尤為重要。目前，大多數(shù)高校已經(jīng)建立起基于有線通信的安全防護系統(tǒng)。但由于此類安防系統(tǒng)具有前期成本高、維修難度大及靈活性能差等缺點，校園安全防護系統(tǒng)仍存在諸多隱患。隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感技術(shù)日臻成熟，在原有安防網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架基礎(chǔ)上，架設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)，在教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍及體育場館內(nèi)搭建無線全覆蓋的安防系統(tǒng)，可以最大程度推進“數(shù)字化校園”建設(shè)。

智慧校園安全系統(tǒng)集合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算及智能化設(shè)備等，能夠更加合理地為校園安全提供管理和服務(wù)[1]。Zigbee技術(shù)具有傳輸距離遠、復(fù)雜程度低、功耗小和傳輸精度高的優(yōu)點，可以保證人與物、物與物之間的高質(zhì)量無線數(shù)據(jù)傳輸，并可以很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器各節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，Zigbee技術(shù)作為核心技術(shù)，在建設(shè)智慧校園安全系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)分析

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)分析

無線傳輸技術(shù)集合了分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)、微型電子技術(shù)、無線通信技術(shù)及嵌入式技術(shù)，它與傳統(tǒng)有線通信技術(shù)相比，具有更強大的信息采集能力。這項技術(shù)擺脫了傳輸線的束縛，可以在布置傳感器時更加方便靈活。傳感器通過無線技術(shù)將采集到的信息實時傳輸給上位機，監(jiān)控人員通過對實時數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地掌握現(xiàn)場的安全狀況。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)適用于監(jiān)控面積大或地理條件更加復(fù)雜的環(huán)境，其監(jiān)控效果與節(jié)點部署情況有直接關(guān)系。無線傳感器節(jié)點數(shù)目越多，獲取數(shù)據(jù)信息就越準(zhǔn)確。各傳感器節(jié)點間并不是獨立個體，其間會預(yù)先設(shè)定無線路由協(xié)議，保證各節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)。由于區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的位置不同，運行中有它的不確定性，這就要求無線通信網(wǎng)絡(luò)具有組織能力，實現(xiàn)更加科學(xué)的配置管理[2]。無線網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點間的信息傳輸時，由于各節(jié)點的信息發(fā)射能力有限，在無線傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)置中繼節(jié)點來實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸過程中各節(jié)點在不斷地加入和退出，無線網(wǎng)絡(luò)實時處在動態(tài)變化過程之中。無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過各節(jié)點的廣泛部署，實現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)對必要信息的獲取，避免在獲取數(shù)據(jù)時逐一對各節(jié)點進行查閱，以數(shù)據(jù)作為無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的工作重心，最大程度上保證了網(wǎng)絡(luò)的實用性[3]。

1.2 Zigbee及相關(guān)技術(shù)分析

Zigbee技術(shù)由其技術(shù)聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)實際工作需要在應(yīng)用層進行自主開發(fā)，在最大程度上為用戶提供靈活的組網(wǎng)方式。Zigbee技術(shù)具有3個跨度很大的頻段，3個頻段的信道數(shù)目、信息傳輸速度及調(diào)制方式存在差異。其中2.4GHz頻段為免費頻段，此段共有16個信道，可以實現(xiàn)最多達250Kbps的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee技術(shù)可以通過星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)及網(wǎng)狀網(wǎng)實現(xiàn)優(yōu)異的組網(wǎng)性能。采用多載波的信道接入方式，最大程度避免了載波之間的沖突。Zigbee模塊具有較強的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力，有較低的信號發(fā)射功率，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的不同要求，主動增加或降低發(fā)射功率。在非工作狀態(tài)下可以自動進入休眠狀態(tài)，從而保證了Zigbee技術(shù)的低功耗特征。Zigbee模塊的價格便宜，適宜大規(guī)模采購。Zigbee技術(shù)協(xié)議設(shè)計簡單，實現(xiàn)功能時只需要少量的程序代碼，節(jié)省了許多專利費用。喚醒休眠狀態(tài)下的Zigbee模塊只需要15ms，查找網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)只需要15ms時延，可以滿足時延要求高的領(lǐng)域?；赯igbee技術(shù)搭建的無線通信區(qū)域可以實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各節(jié)點具有較強的管理能力，可以滿足對254個子節(jié)點的操縱。Zigbee技術(shù)在設(shè)計過程中充分考慮到電磁波干擾、障礙物阻擋及水汽吸收電磁波等問題，制定了具有針對性的防止碰撞策略，有效提升無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在傳輸過程中設(shè)計了應(yīng)答方式，確保數(shù)據(jù)可以達到既定目的地地址。Zigbee技術(shù)的協(xié)議棧可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的檢查功能，具備加密算法認證和鑒權(quán)，最大程度上保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性[4]。Zigbee技術(shù)協(xié)議棧的源碼和授權(quán)對使用者是開放的，在應(yīng)用開發(fā)過程中具有較高的開放性。

1.3 節(jié)點故障檢測技術(shù)分析

與有線網(wǎng)絡(luò)存在的數(shù)據(jù)傳輸包丟失的情況相同，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)也存在傳輸信息不到位或得不到傳輸反饋的問題。為提高無線信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，須采用節(jié)點故障檢測技術(shù)對丟包故障進行檢測。該技術(shù)可以檢測出網(wǎng)絡(luò)中斷、數(shù)據(jù)延遲及能源限制等故障。在無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中常用的節(jié)點故障檢測技術(shù)主要包括：集中式故障檢測法、分布式故障檢測法和心跳故障檢測機制。其中，集中式故障檢測法主要用于檢查問題節(jié)點的成因，它主要采用輪詢方式周期性的向周圍節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息，實現(xiàn)對周圍節(jié)點故障信息的實時采集。工作結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 集中式故障檢測機制結(jié)構(gòu)圖

分布式故障檢測法作為另一種常用的節(jié)點故障檢測技術(shù)，將故障管理工作分散到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，使各節(jié)點都具有獨立的判斷與處理故障的權(quán)限。這樣處理，不僅可以降低中心節(jié)點的工作壓力，還能在一定程度上提高節(jié)點故障檢測的可靠性。分布式故障檢測法已經(jīng)成為未來故障檢測的一種發(fā)展趨勢，滿足區(qū)域內(nèi)多種類的節(jié)點故障檢測需求。心跳故障檢測機制是分布式節(jié)點故障檢測的延伸。該故障檢測模式會向外定期傳輸數(shù)據(jù)包，并進行周期性的數(shù)據(jù)收發(fā)。在傳輸過程中判斷套接字的狀態(tài)是連接或斷開，就可以知道無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的工作是否正常。系統(tǒng)傳輸?shù)男奶鼘儆谝环N自定義的結(jié)構(gòu)體，其中包含了少量的狀態(tài)信息，有些狀態(tài)下僅包含特定的標(biāo)識碼或反饋碼來表明心跳碼的身份。

2 基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)的具體設(shè)計

2.1 智慧校園安全系統(tǒng)傳感器的選擇

在進行智慧校園安全系統(tǒng)設(shè)計過程中，選用TO-92式封裝的溫度傳感器LM35DZ測量監(jiān)測點的溫升變化情況。該測溫模塊構(gòu)造簡單、成本低，直接將電壓值和溫度信息通過模擬信號傳出去。電壓值與攝氏度之間呈線性關(guān)系，安裝時直接將杜邦線與主板相連，安裝靈活簡便。該傳感器的測溫范圍是0℃～100℃，當(dāng)所測區(qū)域溫度超過60℃時，可以判斷此處有發(fā)生火災(zāi)的危險，需要消防人員前來處理。煙霧傳感器MQ-2是另一種常用的檢測模塊，主要用于檢查化學(xué)實驗室的易燃、易爆及有毒氣體。除此之外，MQ-2還可以檢測出氦氣和液化氣，工作電壓范圍處于0～24V之間，該傳感器在使用前需要用5V電壓對其加熱。煙霧傳感器MQ-2在空氣中的電導(dǎo)率較低，有較強的耐腐蝕性，使用壽命長，檢測氣體的化學(xué)反應(yīng)具有可逆性，便于煙霧傳感器循環(huán)使用。其機械性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)檢測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)煙霧或有害氣體時，SnO2材料商的晶粒電導(dǎo)率會發(fā)生變化，實時檢測一定區(qū)域內(nèi)是否有火情出現(xiàn)，煙霧濃度與電導(dǎo)率成正比，且可以判斷出火情的程度。為了防止危險人員潛入校園造成安全隱患，還應(yīng)設(shè)置人體紅外熱釋電傳感器，以探測人體發(fā)出的輻射，進一步判斷區(qū)域內(nèi)是否有人進入。該傳感器對于10μm的紅外輻射有較強的敏感性，當(dāng)有人進入?yún)^(qū)域內(nèi)時會使傳感器的電荷失去平衡，向外釋放電荷，并將報警信號傳遞到監(jiān)控中心。

2.2 智慧校園安全系統(tǒng)硬件的設(shè)計分析

智慧校園安全系統(tǒng)通過Zigbee模塊搜集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測信息，將存在潛在危險的現(xiàn)場狀態(tài)實時傳遞給監(jiān)控中心。在整個過程中，利用無線傳感技術(shù)實時采集數(shù)據(jù)，并通過上位機的計算，對現(xiàn)場狀態(tài)進行分析和判斷。根據(jù)智慧校園安全系統(tǒng)的實際需求和Zigbee模塊的應(yīng)用特點，需要綜合溫度、濃度、煙霧采集、紅外數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩乜紤]組網(wǎng)特點，利用溫度傳感器LM35DZ、煙霧傳感器MQ-2及人體紅外熱釋電傳感器來獲取現(xiàn)場信息，構(gòu)建組網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。為豐富其功能，在算法程序中增加測距模塊和人員定位模塊，實現(xiàn)對潛入人員的實時定位。智慧校園安全系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 智慧校園安全系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，底層節(jié)點負責(zé)獲取、發(fā)送數(shù)據(jù)；路由節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與管理，可以有效擴大網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測范圍；頂層節(jié)點可實現(xiàn)對已知節(jié)點的信息消化。Zigbee模塊上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在設(shè)置好的頻率下周期性傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將獲取的信息統(tǒng)一打包后上傳至PC端。當(dāng)出現(xiàn)危險報警時，終端節(jié)點就會及時將報警信息傳達給警務(wù)系統(tǒng)并發(fā)出警報。以Zigbee的快速組網(wǎng)優(yōu)勢和RSSI測距功能，可以準(zhǔn)確給警務(wù)人員提供危險報警的具體位置。在進行智慧校園安全系統(tǒng)硬件電路設(shè)計過程中，選擇CC2530搭建智慧校園安全系統(tǒng)的硬件平臺。該芯片具有體積小、功耗低、組網(wǎng)方便及易于擴展的特點。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器要完成對網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及節(jié)點的管理。在本系統(tǒng)中，需要將接收的數(shù)據(jù)通過串口傳遞給服務(wù)器；需要架設(shè)射頻天線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)；設(shè)計LED燈來顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)；設(shè)計按鍵用于復(fù)位模塊狀態(tài)。在設(shè)計電源模塊時，采用5V電源供電，而模塊的工作電壓為3.3V，需要采用LM1117實現(xiàn)5V到3.3V電壓的轉(zhuǎn)換。通信模塊采用RS-232串行通信接口，可以任選CC2530模塊的一組串行接口實現(xiàn)通信。接口轉(zhuǎn)換器選擇PL2303，內(nèi)置USB收發(fā)、振蕩器及UART通用異步收發(fā)傳輸器，只需配置電容，即可實現(xiàn)USB信號與RS-232信號的轉(zhuǎn)換。PL2303具有高兼容驅(qū)動器，可以滿足大多數(shù)上位機系統(tǒng)的傳統(tǒng)COM需求。CC2530的時鐘模塊包括工作模式和休眠模式兩種工作狀態(tài)，分別由32MHz晶振和32.768KHz晶振提供計數(shù)。

2.3 智慧校園安全系統(tǒng)的軟件設(shè)計分析

智慧校園安全系統(tǒng)軟件部分需要完成對PC端操作界面、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析處理模塊、嵌入式部分協(xié)調(diào)器、路由設(shè)備及終端節(jié)點的設(shè)計。信息采集、檢測算法及節(jié)點定位處算法的設(shè)計，本系統(tǒng)采用B/S模式來保證運行的實時性。采用Myeclipse實現(xiàn)操作管理，以C/S模式實現(xiàn)程序編寫。數(shù)據(jù)采集管理流程是在服務(wù)器啟動后對各部門進行初始化，在完成信息的采集、傳輸及分析處理后，將各節(jié)點處的數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，通過串口設(shè)備實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的打包。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中，為滿足控制的靈活性安排一個區(qū)域內(nèi)分設(shè)多個協(xié)調(diào)器，保證任何一個協(xié)調(diào)器管理多個子節(jié)點，不同節(jié)點分別完成不同任務(wù)。協(xié)調(diào)器和路由器都由FDD構(gòu)成，分別負責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)傳遞工作。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，要求協(xié)調(diào)器和路由器均具有組網(wǎng)能力，在使用時，需要先啟用協(xié)調(diào)器，再使用路由設(shè)備，兩者都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。智慧校園安全系統(tǒng)算法設(shè)計中，主要涉及數(shù)據(jù)采集部分的心跳發(fā)送算法和節(jié)點定位算法。在進行心跳算法設(shè)計時，要滿足數(shù)據(jù)采集的需求，信息采集包括內(nèi)容、節(jié)點編號及采集時間。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目過多，中心節(jié)點處理能力有限，采取分布式故障檢測算法比較適宜?？紤]到心跳信息在傳遞時也會加大網(wǎng)絡(luò)壓力，對網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸造成不利影響，設(shè)計了PULL心跳檢查機制，使檢測方法具有更好的主動性能，保證了檢測算法的靈活性。

3 結(jié)束語

基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)，可以保證在學(xué)校內(nèi)部建立一個規(guī)范的故障預(yù)警保護機制。安保人員可從多個途徑獲取故障預(yù)警信息，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的安全運行報告統(tǒng)計系統(tǒng)，方便運行和維護人員及時了解系統(tǒng)運行狀態(tài)，為學(xué)校安全保障工作適時提供科學(xué)合理的信息。智慧校園安全系統(tǒng)建立起一體化的運營維護監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，打破了不同監(jiān)控區(qū)域之間的壁壘，有利于高度集約化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建立，使校園有了更加安全的保障。