多网互通智能化校园安防管理系统的设计

孙胜利, 姜尊然, 吕志成, 魏 哲, 段颖锴, 黄镜陶

(天津科技大学 应用文理学院,天津 300222)

多网互通智能化校园安防管理系统的设计

孙胜利, 姜尊然, 吕志成, 魏 哲, 段颖锴, 黄镜陶

(天津科技大学 应用文理学院,天津 300222)

研究了一种针对校园的安防管理系统，具有可接入局域网、互联网、电话通信网的网络联通功能。同时具有基于B/S功能的监控画面，无需在监控端安装其他软件就可实现摄像头控制、画面监测、门锁控制及报警等功能。该系统硬件部分主要组成包含IP Camera、tiny6410、NFC以及门禁系统等四部分。该安防系统的软件由基于B/S框架、嵌入式LINUX系统、CGI软件、视频流控制软件等部分搭建。此外系统还包括监测传感器模块、报警模块、无线射频识别和短信电话报警功能等。实现了多网互通，人机结合和及时监控等创新点，解决了校园安防系统的不完善。利用网页和嵌入式技术实现了无线监控网络的系统整合，提高了监控网络的功能和便捷。经过实验验证，设计的安防监控系统可实时保障对校园设备和人员的有序管理。

安防管理系统； 校园； 嵌入式系统

0 引 言

在社会信息化进程日益发展的今天，治安管理问题的预防和解决，都有赖于打造一个现代化的监控安防技术防范系统。而现有的安防系统普遍是单纯地依靠设备监控或者人力安防。不仅单一而且耗费资源。有些复杂的情况并不能单纯的依靠人力或者设备解决。尤其是校园环境中的安防系统，在教室，实验室，办公室等环境中，可能存放着贵重物品。然而如今校园中还很少有一个紧密完善的安防系统，仅是监控，保安管理。存在着监控应用效率低；安防报警不及时；人防的结合不够紧密等不足。

为了解决这些问题，系统应用了多种网络联系，多网互通的创新点将安防系统的及时性得到提升。还利用了IP摄像头监控和智能APP等日益流行的软件，运用了各种芯片处理的方式让安防管理者第一时间了解情况。采用人机结合的方法将一些设备难以判断的情况得到更好解决。嵌入式具有很强的针对性，减少了应用在安防系统上的人力与设备资源。目的是打造一个全方位的智能化校园安防管理系统。

1 硬 件

硬件包括3个部分，室外环境负责图像采集，红外报警[1]、读取卡号信息。室内环境负责信息处理、局域网与互联网的连接、传感器的判断。锁的部分则是读卡开门与发送短信的功能。

1.1 室外环境

1.1.1 IP Camera

IP Camera是一种网络摄像机，只要插上以太网线和电源就能通过网络发布和浏览视频信息。因为IP Camera有自己的微处理器和内存，一般用linux操作系统，内置Web服务器，支持多种网络协议，拥有IP地址和DDNS动态域名，可以通过IE浏览器输入IP地址进行视频收看。正是利用了这个原理将它与CGI结合并设计界面。并且，近两年，IP Camera迅速发展，几乎保持每年2、3倍的速度增长，需求量约为115万台。本系统使用此设备充分考虑了市场需求[2]。

IP Camera的突出优势在于，实现用户可通过手机设置IP Camera的WiFi，无需通过WPS或者连接进设备中即可设置好IP Camera，另外就是节省连接线材等硬件成本。安装在门外，用来进行视频监控[3]。

1.1.2 NFC

NFC的全称是近距离无线通信，它是在飞利浦公司提议下发起的，并由索尼、诺基亚等国际著名厂商联合推出的一项近距离无线通信技术。通过在NFC芯片上集成感应式卡片、感应式读卡器和点对点通信的功能,能够在较短距离内与相关设备通信,达到识别和数据交换的目的。Android手机通过集成NFC芯片就可以读取相关NFC标签或者设备的信息，该技术由非接触式射频识别，也就是RFID演变而来，近场通信是一种短距高频的无线电技术，在13.56 MHz频率运行于20 cm距离内。其传输速度有 106 Kbit/s、212 Kbit/s或者424 Kbit/s 3种。近场通信已通过成为ISO/IEC IS 18092国际标准、EMCA-340标准与ETSI TS 102 190标准。NFC采用主动和被动两种读取模式。

因为这项技术已经成熟，所以这需采用主动读取卡号信息，系统所做的创新只是把NFC与手机、门禁结合，将重心放到安防上,使用RDM8800型号的NFC无线识别系统，它是继RDM6300后ITEAD STUDIO推出的又一款RFID模块。它不仅仅是一个读卡器模块，还可以将它视为一个ARDUINO+PN532的NFC开放平台。通过Arduino上的PN532支持库，就可以实现系统中开锁的功能。

1.2 室内环境

1.2.1 TINY6410

Tiny6410是一款以ARM11芯片(三星S3C6410)作为主处理器的嵌入式核心板，该CPU基于ARM1176JZF-S核设计，内部集成了强大的多媒体处理单元，支持Mpeg 4, H.264/H.263等格式的视频文件硬件编解码，可同时输出至LCD和TV显示。它可以缩短产品研发周期，使开发人员快速完成原理样机的研究；还并带有3D图形硬件加速器，以实现OpenGL ES 1.1 & 2.0加速渲染，另外它还支持2D图形图像的平滑缩放、翻转等操作[4-6]。

正是利用了TINY6410多媒体模块较多，全屏幕触屏的优点，相对与普通内外网转换媒介，电脑而言，TINY6410体积更小，针对性更强，减少了不必要的能源消耗[7,8]。

1.2.2 花生棒

花生棒是一款实现了动态域名解析技术(NAT-DDNS)的硬件。它主要功能是进行动态域名解析服务，实现支持公网的功能。在本安防系统中，利用花生棒来实现内外网的转换，有效地解决了外网无法访问内网来实现监控的问题。在市场上常见的系统中，用户只能在和IPCAMERA相同的网络环境中来实现监控功能，引进了花生棒以后，系统为用户开辟了一个新的通道，即用户可以在远程通过电脑或手机来实现监控管理。

1.3 锁

1.3.1 短信模块

该部分利用到了RDM8800与SIM900的结合，还运用到了室内的红外报警器，考虑到一些硬性盗窃手段或者是破窗而入。因为SIM900具有多功能的特性，可以与红外报警器结合并经ARDUINO IDE编写程序达到室内没有检测到卡号而红外报警的效果。体现了及时监控的效果，组成框图如图1所示。

1.3.2 开锁模块

开锁部分依旧运用到了RDM8800与ARDUINO NANO，通过ARDUINO NANO控制舵机，刷卡时，RDM8800识别正确卡号，舵机转动，开锁[8]。关门时启动磁感应器，舵机回位，锁门。组成框图如图2所示。

图1 短信模块原理图

图2 锁模块原理图

2 软 件

如果说硬件是实体的话，软件则是这个系统的骨架。软件的编写决定着该系统的灵活性与效率。由于涉及到一些手机和电脑的交互界面，故软件中包括网页CGI语言、与嵌入式结合的BOA语言、编写手机APP的安卓与JAVA语言。关于硬件控制方面，采用的是ARDUINO IDE的编写，因为ARDUINO是一款开源电子原型的平台，适用于电脑程序开发[9-10]。

图3 整体程序流程图

2.1 CGI中有关BOA的语言

该部分与嵌入式TINY6410中的LINUX程序相关，CGI(Common Gateway Interface)是外部应用扩展应用程序与WWW服务器交互的一个标准接口。按照CGI标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端浏览器输入的数据，从而完成客户端与服务器的交互操作。而CGI规范就定义了Web服务器如何向扩展应用程序发送消息，在收到扩展应用程序的信息后又如何进行处理等内容。通过CGI可以提供许多静态的HTM网页无法实现的功能，比如搜索引擎、基于Web的数据库访问等。CGI是外部应用程序(CGI程序)与Web服务器之间的接口标准，是在CGI程序和Web服务器之间传递信息的规程。BOA服务器是一个小巧高效的Web服务器，是一个运行于UNIX或Linux下的，支持CGI的、适合于嵌入式系统的单任务的Http服务器，源代码开放、性能高。所以，TINY6410相当于一个串联BOA与CGI的媒介。

系统通过LINUX和BOA嵌入式服务器构成一个浏览器/服务器(B/S)的监控系统，嵌入式作为安防系统的一个节点和服务器，通过CGI页面显示NFC模块读取的卡号信息，通过 无线局域网络进行传输，发送信息给PC上的监控页面。PC则同时收集IP Camera和嵌入式门禁这两个模块信息，并通过BOA服务器建立登录界面、信息显示界面，从而可以在浏览器上显示监控画面。

将Boa移植到运行uClinux操作系统的ARM处理器上,建立嵌入式Web服务器, 为用户提供基于Http协议的网络接入方式,这样的设计方案可以很好地运用到网络监控系统中。软件从网上下载，通过交叉编译链接生成最后的可执行文件，对BOA的配置文件boa.conf进行修改，包括存放主页的主目录和首页名称等，然后把boa和boa.conf这两个文件拷贝到开发板操作系统中，再执行BOA主程序，嵌入式服务器就生成好了。NFC则基于ARDUINO开发环境开发,当读卡器识别考卡号后，经过嵌入式系统进行对照处理，判断该卡号是否允许通过，同时卡号被传送到PC当中，实时显示到浏览器中，并通过SIM900模块把卡号发送到指定手机的短信当中。根据需要去创建CGI程序，实现视频和卡号识别等监控信息的整合[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的程序编写

ARDUINO IDE，开发环境的要求较为宽松，只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到ARDUINO电路板后，程序便会告诉ARDUINO电路板要做些什么了。IDE编写的对象则是各式各样的ARDUINO模块，ARDUINO是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。它能通过各种各样的传感器来感知环境，有一些拥有特殊功能的面板，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过ARDUINO的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。系统中利用了它跨平台、简单清晰、开放性强等特点。利用RDM800与SIM900的信息传输功能实现发送卡号短信，利用RDM6300与ADRUINO NANO处理器通过程序定义舵机的PWM引脚完成刷卡开锁的过程[14]。

短信部分中定义目标手机号的部分：

#include

#include

#define delaytime 2000

#define timeout1 5000

#define timeout2 7000

char number[20] = "13XXXXXXX49"; //改成接收短信的手机号码

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;

开锁部分中调节舵机脉宽与识别卡号的部分：

void pulse( int serpin,int angle)

{

int width;//舵机输出脉宽

width=(angle*11)+500;//将角度转化为500-2480的脉宽值

digitalWrite(serpin,HIGH);//将舵机接口电平至高

delayMicroseconds(width);//延时脉宽值的微秒数

digitalWrite(serpin,LOW);//将舵机接口电平至低

delay(20-width/1000);

}

Serial.println(Num);

if((Num==Password1)||(Num==Password2))//识别卡号

{

digitalWrite(13,HIGH);

delay(5);

for(int i=0;i<=50;i++)//给予舵机足够的时间让它转到指定角度

{

pulse(serpin,20);//引用脉冲函数

}

2.3 手机安卓APP的编写

目前市场上已经有很多IP Camera的版本，像IP Camera Viewer、P2PIP Camra这些软件在市场上已经很普遍了，而系统中的手机APP是基于校园安防系统和IP Camera结合的一款APP，它在界面上与市场上P2P IP Camera这款软件的区别是我们结合了门锁的部分。首先进入手机APP界面会显示监控画面，画面旁边有个人信息栏和报警按钮。这可以使主人在监控的同时可以看到通过刷卡进入屋内人的个人信息，如果非系统内人员进入屋内，手机APP界面会显示报错，这时房屋主人可根据监控画面来判断是否报警。

在APP实现外网观看视频监控的过程中，系统采用了花生棒这一硬件来解决内外网无法互通的问题。花生棒是一款实现了内网穿透动态域名解析技术(NAT-DDNS)的硬件，它可以产生一个可供外网使用域名，手机用户就可以在IP Camera的局域网以外或者使用数据流量随时随地的观看监控视频，不再受局域的限制。手机APP的制作是基于Java语言主要在Eclipse中编写程序，以市场上P2P IP Camera这一款手机APP为参考，研发出一款集门禁监控和IP Camera于一体的手机软件[14-15]。

3 系统整体运行效果

整个过程是:首先NFC判断卡号是否正确，如果卡号正确的话，ARDUINO NANO控制开锁，SIM900会发送开锁记录；若是错误的卡号，SIM900会首先发送错误的开锁记录，用户可以使用APP访问互联网中的TINY6410，此时嵌入式已经通过花生棒建立起固定的IP地址，这就体现了系统多网互通的性质。用户就可以通过IP摄像头所拍摄的画面来判断情况的缓急，来选择电话报警，或者仅仅是启动报警器起到威慑作用。这就体现了系统人防和设备防护的优点。当遇到一些硬性的盗窃方案，比如破门而入或破窗而入，这时就可以通过SIM900与屋内的红外传感器结合，当ARDUINO NANO没有运行时，红外传感器工作，检测到信号时会使SIM900给用户的手机打电话，让用户及时了解情况，实现全方位的实时监控[16]。

整个监控系统不需要电缆，也不需要装额外的软件，只要装有浏览器，就可以通过花生棒从外部的局域网键入已由路由器分配好的内网地址，就可以进行实时观察，而且在浏览器与手机APP界面中可以同时控制摄像头的运动，以及报警信息，因为硬件部分的芯片都是低耗能，利用电池供电，克服了停电时的失控状况，全方位、全天候地实现监控无线化和智能化。

[1] 方建超. 一种新型家居智能安防报警系统的研究[J]. 中国科技信息,2005(17):49.

[2] 汪 奇,朱 煜. 基于B/S结构的数字视频监控系统的设计与实现[J]. 计算机工程,2006(19):251-252,272.

[3] 秦丰林,刘 琚. P2P网络流媒体关键技术[J]. 电子学报,2011(4):919-927.

[4] 刘海亮,曹家年,郭逢丽. 嵌入式智能家居安防系统的研究与实现[J]. 应用科技,2011(2):61-66.

[5] 王云亮,李 莹. 嵌入式安防远程监控系统的设计[J]. 化工自动化及仪表,2013(2):237-240.

[6] 汪海燕. 基于ARM的嵌入式安防系统[J]. 微计算机信息,2009(20):95-97.

[7] 祝忠方,刘 红. 基于Tiny6410开发板的应用研究[J]. 价值工程,2013(23):210-212.

[8] 陈文正. 基于Android系统的NFC技术实现[D].大连:大连理工大学,2011.

[9] 严建涛.基于DM368的高清IPCamera的硬件系统设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2011.

[10] 张军卫,韩佩富,矫春海. 基于嵌入式Web服务器的视频监控系统设计[J]. 计算机安全,2011(2):5-8.

[11] 郑 伟,徐荣华,王 钦.嵌入式Linux系统CGI程序设计技术[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(10):21-23.

[12] 陆永健,王 萍,吴 佳,等. 嵌入式Web服务器Boa的移植及其应用[J].河海大学常州分校学报,2005,19(4):44-47.

[13] 王 也. 基于aJson的Arduino平台上的Web应用研究[D].长春:吉林大学,2015.

[14] 龚文涛. 一种基于静态路由和NAT的局域网架构设计[J]. 信息技术,2015(1):195-197,204.

[15] 盛 平,韩 伟. 基于Android平台的视频监控客户端的设计与实现[J]. 电子设计工程,2015(22):7-10.

[16] 魏 哲,黄镜陶,段颖凯,等. 基于网络监控的校园安防系统[J]. 科学时代,2015(9):194-195.

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

国家级大学生创新创业项目(201510057188)

孙胜利(1966-)，男，天津人，学士，副教授，研究方向为测控技术与仪器。

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

TP 277

A

1006-7167(2017)02-0131-05