摘? 要：校園安全是學(xué)校教育工作的基礎(chǔ)。為提高校園安防系統(tǒng)的智能化和信息化水平，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計校園安防系統(tǒng)，依托無線通信技術(shù)、RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計防火報警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁模塊，并通過模擬測試驗證了本系統(tǒng)的可用性和丟包率。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地滿足校園安全防護(hù)的要求，且具有穩(wěn)定性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);校園安防;無線通信;RFID技術(shù);ZigBee技術(shù)

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0148-03

Abstract： Campus safety is the basis of school education. In order to improve the intelligence and information level of campus security system， the campus security system is designed by using Internet of things technology. Relying on wireless communication technology， RFID technology， ZigBee technology and sensor technology， fire alarm module， video monitoring module and access control module are designed; the availability and packet loss rate of the system are verified by simulation test. The results show that the system can better meet the requirements of campus security protection， and has stability and robustness.

Keywords： Internet of things; campus security; wireless communication; RFID technology; ZigBee technology

0? 引? 言

伴隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到人們工作和生活的方方面面。物聯(lián)網(wǎng)是指通信設(shè)備按照約定的通信協(xié)議與其他物體或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接并進(jìn)行信息傳輸和交換的網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)是一個寬泛的概念，各類通信技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)等都是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的核心要素[2]。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在公共安全、智能家居、工業(yè)檢測和智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

校園安全是我國教育工作的重要內(nèi)容。目前，大部分學(xué)校也均建立了安防系統(tǒng)，對保障校園安全發(fā)揮了重要的作用。近年來，隨著智能化設(shè)備的增加和5G通信技術(shù)的普及，大量的設(shè)備接入和海量數(shù)據(jù)的匯集對原有的校園安防系統(tǒng)的性能造成了一定的挑戰(zhàn)[3]。因此，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)校園安防系統(tǒng)，充分吸取5G通信、ZigBee組網(wǎng)等技術(shù)，能有效提高校園安防系統(tǒng)的性能。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)積極吸取5G通信技術(shù)、RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、傳感器技術(shù)，以89C52單片機(jī)為核心，建設(shè)校園安防系統(tǒng)，校園安防系統(tǒng)設(shè)計為四層，分別是連接層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

1.1? 連接層

連接層主要負(fù)責(zé)信息的采集，主要由傳感器、攝像頭和RFID等構(gòu)成。其中傳感器主要負(fù)責(zé)采集校園內(nèi)重點(diǎn)消防區(qū)域的溫度、濕度等信息，攝像頭主要采集校園進(jìn)出口的人流和車流、校園內(nèi)重點(diǎn)場所的圖片和視頻信息，RFID技術(shù)是利用射頻識別來實現(xiàn)非接觸式自動識別的目標(biāo)，校園大門及校內(nèi)重要場所的門禁系統(tǒng)均可采用RFID技術(shù)來實現(xiàn)身份識別。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將連接層采集到的信息傳送到應(yīng)用層，采用的通信協(xié)議主要有ZigBee、Internet和4G/5G構(gòu)成。ZigBee是一種適用于距離較短的無線通信技術(shù)，具有低成本、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，主要工作在2.4 GHz頻段，一般采用樹型、星型和網(wǎng)型的組網(wǎng)方式。Internet是基于TCP/IP協(xié)議族的公共計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。4G/5G分別指第四代移動通信技術(shù)和第五代移動通信技術(shù)，目前我國已經(jīng)正式商用了4G和5G。

1.3? 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并形成結(jié)論傳送到用戶層。根據(jù)校園安防系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為防火報警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁模塊。防火報警模塊主要負(fù)責(zé)校園內(nèi)的消防信息的分析、處理和判斷，并將結(jié)論傳送至用戶層。視頻監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)校園內(nèi)視頻監(jiān)控信息的分析、處理和判斷，并將結(jié)論傳送至用戶層。門禁模塊負(fù)責(zé)校園內(nèi)門禁信息的分析、處理和判斷，并將結(jié)論傳送至用戶層。

1.4? 用戶層

用戶層主要負(fù)責(zé)將應(yīng)用層提供的信息以人機(jī)交互的形式提供終端由技術(shù)人員進(jìn)行處理，用戶層主要包括計算機(jī)和智能終端。計算機(jī)主要配置在主控室內(nèi)，安裝與監(jiān)控系統(tǒng)匹配的軟件后進(jìn)行校園安防工作。智能終端主要有智能手機(jī)和平板電腦，經(jīng)安裝匹配的APP后進(jìn)行校園安防工作。

2? 校園安防系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由主控器模塊、無線通信模塊、防火報警模塊、視頻監(jiān)控模塊和終端模塊。主控器模塊由89C52單片機(jī)為核心，有其他相關(guān)功能模塊支撐，與計算機(jī)應(yīng)用程序和智能手機(jī)APP進(jìn)行實時通信，實現(xiàn)對校園內(nèi)教學(xué)區(qū)、圖書館、進(jìn)出大門等場所進(jìn)行實時監(jiān)測。

2.1? 防火報警模塊

防火報警模塊主要將煙霧傳感器MQ-2、溫濕度傳感器SHT30所采集到的各節(jié)點(diǎn)信息，經(jīng)匯總后傳送至ZigBee節(jié)點(diǎn)，并實時傳送至控制中心，判斷是否存在消防安全隱患，并啟動報警及噴淋器，如圖2所示。

2.2? 視頻監(jiān)控模塊

在校園大門、教學(xué)樓、食堂、宿舍和體育場所等重點(diǎn)區(qū)域，合理配置攝像頭布局，構(gòu)建全面的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將視頻信息實時傳送至計算機(jī)，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻中的關(guān)鍵信息進(jìn)行提取并分析，完成實時監(jiān)控任務(wù)。以智能視頻分析技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，將采集到的視頻流建立樣本數(shù)據(jù)庫，對樣本庫中的信息進(jìn)行動態(tài)甄別，有效識別各類安全隱患并實時預(yù)警，實現(xiàn)校園安防的事前預(yù)警、全天候、全自動的實時監(jiān)控功能，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

視頻監(jiān)控對校園的安防保障起著至關(guān)重要的作用。隨著5G時代的到來，極大地提升了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，超高速傳輸?shù)乃俾士梢灾庇^提升視頻監(jiān)控設(shè)備的性能，這將推動視頻監(jiān)控產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。只有像素越來越清晰的視頻圖像，才能提供更加精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給人工智能技術(shù)?；?G通信的視頻監(jiān)控，前端設(shè)備無須再通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻回傳，具備5G通信模塊的無線聯(lián)網(wǎng)攝像機(jī)可實現(xiàn)即裝即用，這種免拉線的部署方式大大縮短了安裝周期，同時降低了部署成本[4]。比如臨時布控的需求，在重點(diǎn)卡口、重大活動地區(qū)、制高點(diǎn)等位置進(jìn)行臨時布控，采用5G移動布控球進(jìn)行視頻回傳和圖像采集，識別嫌犯，掌握整體校園安防態(tài)勢。移動布控球設(shè)備可隨時隨地移動部署，并快速完成架設(shè)，且本地可配置長時間續(xù)航的電池，也可外接電源系統(tǒng)，確保安防系統(tǒng)可以長時間工作，保障監(jiān)控工作的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3? 門禁模塊

門禁模塊主要配置在校園大門、教室、實驗室、辦公室和寢室等場所，主要由RFID身份識別、天線、警報裝置和控制中心等。首先要先為用戶配置RFID身份信息，當(dāng)用戶需要在裝有門禁模塊的場所出入時，以RFID身份識別完成身份識別，經(jīng)識別確認(rèn)后可打開門禁。若無法識別則門禁會保持關(guān)閉，若訪客強(qiáng)行闖入則會啟動警報。這一過程經(jīng)控制器來完成控制。如圖4所示。

3? 校園安防系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

校園安防系統(tǒng)采用微軟公司的Visual Studio2010進(jìn)行軟件開發(fā)，開發(fā)語言使用c#。軟件系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)設(shè)置。在系統(tǒng)狀態(tài)模塊，技術(shù)人員可以通過軟件訪問防火報警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁系統(tǒng)的每一處節(jié)點(diǎn)，了解每一個傳感器、攝像頭和RFID卡的工作狀態(tài)。當(dāng)有傳感器、攝像頭或RFID卡發(fā)生故障時，系統(tǒng)能及時采集到信息，并提示技術(shù)人員進(jìn)行維修或更換。此外，軟件系統(tǒng)實施接受防火報警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁系統(tǒng)傳送來的信息，實施掌握校園內(nèi)安防信息，為系統(tǒng)預(yù)警和處理提供服務(wù)支撐。

在系統(tǒng)功能設(shè)置模塊可以對整個安防系統(tǒng)進(jìn)行配置。技術(shù)人員可以根據(jù)校園安防數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，適當(dāng)增加或減少傳感器、攝像頭和RFID卡。例如，在學(xué)校舉辦運(yùn)動會時，可以在運(yùn)動場所增加攝像頭，以更好的保障運(yùn)動場所的安全。同時，系統(tǒng)保持良好的開放性，技術(shù)人員可以對系統(tǒng)功能進(jìn)行進(jìn)一步拓展。

APP采用安卓平臺開發(fā)，具有與軟件系統(tǒng)相同的功能，主要安裝在安防人員的智能終端上，以供隨時掌握的校園內(nèi)的門禁、消防和監(jiān)控系統(tǒng)信息，并通過4G/5G通信與監(jiān)控中心實時聯(lián)系。APP界面如圖5所示，圖示中共有通知公告、校園監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安防檢查、安防報修、安防知識和更多功能共8個模塊，便于安防技術(shù)人員隨時訪問，實時掌握校園安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確信息。

3.2? 校園安防系統(tǒng)的通信設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要采用4G/5G通信、ZigBee技術(shù)、Internet等技術(shù)。4G/5G通信在通信模塊上接入移動通信運(yùn)營商，利用運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)通信目標(biāo)。ZigBee采用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易于維護(hù)和拓展。以自組織網(wǎng)的方式組建無線網(wǎng)絡(luò)，通過與傳感器、路由器相連，實現(xiàn)校園內(nèi)溫濕度等信息的傳輸[5]。系統(tǒng)軟件安裝在計算機(jī)上，相關(guān)信息在主控計算機(jī)上經(jīng)Internet實現(xiàn)校園安防信息的傳輸和共享。

4? 性能測試

本設(shè)計的基于互聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)的性能在我校采用實驗進(jìn)行檢測。主要測試校園安防系統(tǒng)的終端的可用度和通信丟包率。

4.1? 終端可用度測試

主要檢測指標(biāo)為RFID身份識別終端T1、視頻攝像頭終端T2、圖像顯示終端T3、報警設(shè)備終端T4和門禁控制終端T5的可用度。在我校內(nèi)的大門外、運(yùn)動場和圖書館大門前三處對上述終端的可用度進(jìn)行測試，其測試結(jié)果如表1所示。

測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)內(nèi)各終端具有良好的可用度，能夠在長時間運(yùn)行下保持良好的工作狀態(tài)。

4.2? 系統(tǒng)丟包率測試

對校園安防系統(tǒng)的通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行測試，主要測試安防系統(tǒng)中ZigBee組網(wǎng)的丟包率。在校園內(nèi)根據(jù)距離遠(yuǎn)近分別選取6個位置進(jìn)行測試，距離分別為5 m、10 m、20 m、60 m、100 m、200 m處發(fā)送10 000個數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計接收端的丟包量和丟包率，測試結(jié)果如表2所示。

經(jīng)測試，系統(tǒng)的丟包率呈現(xiàn)隨著距離增加而上升的態(tài)勢，但整體丟包率較低，不影響系統(tǒng)的通信性能。

5? 結(jié)? 論

校園安全將是智慧校園的重要組成部分，校園安防系統(tǒng)將對校園內(nèi)部的人、車、設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控與檢查，解決傳統(tǒng)模式下校園安全管理的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，實現(xiàn)校內(nèi)人、車、設(shè)備的實時監(jiān)控和智能分析，為學(xué)校提供更精細(xì)化的管理手段。設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)、5G通信技術(shù)傳輸，結(jié)合視覺識別及分析技術(shù)，利用云端大腦進(jìn)行圖像識別，實現(xiàn)進(jìn)出校園人員、車輛的身份識別，教師課堂點(diǎn)名，校內(nèi)人員實時定位，體溫測量等功能，主動預(yù)防校園安全事件發(fā)生，快速處理校園安全事件，提前發(fā)現(xiàn)人員異常聚集，大幅提高了校園安全的保障水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張崗.物聯(lián)網(wǎng)在消防安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究 [J].中國公共安全（學(xué)術(shù)版），2011（3）：106-108.

[2] 陳威.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實踐及信息通信技術(shù)供應(yīng)鏈安全的研究 [J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（14）：248-249.

[3] 宋煜，江志凌，呂忠闖.基于5G技術(shù)的武漢卷煙廠安防監(jiān)控建設(shè)應(yīng)用與研究 [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2020（5）：19-26.

[4] 李春旭.低時延高可靠性的5G承載網(wǎng)絡(luò)探討 [J].通訊世界，2019，26（8）：223-224.

[5] 劉寧寧，樊建席，林政寬.基于地址空間的樹型網(wǎng)絡(luò)地址分配 [J].計算機(jī)科學(xué)，2020，47（2）：239-244.

作者簡介：孫迪（1988—），男，漢族，江蘇鹽城人，助教，學(xué)士，主要研究方向：安全防范技術(shù)。