基于Zigbee技术的智慧校园安全系统的设计

俞慧慧

(安徽电子信息职业技术学院 信息与智能工程系，安徽 蚌埠 233000)

校园安全问题是社会各界普遍关注的重点问题。近年来，来自消防、人身安全等方面的校园安全事件层出不穷，因此推进校园安全系统设计、建设平安校园显得尤为重要。目前，大多数高校已经建立起基于有线通信的安全防护系统。但由于此类安防系统具有前期成本高、维修难度大及灵活性能差等缺点，校园安全防护系统仍存在诸多隐患。随着信息通信技术的快速发展，物联网及无线传感技术日臻成熟，在原有安防网络技术框架基础上，架设无线传感器网络和移动通信网络，在教学楼、办公楼、学生宿舍及体育场馆内搭建无线全覆盖的安防系统，可以最大程度推进“数字化校园”建设。

智慧校园安全系统集合了物联网技术、云计算及智能化设备等，能够更加合理地为校园安全提供管理和服务[1]。Zigbee技术具有传输距离远、复杂程度低、功耗小和传输精度高的优点，可以保证人与物、物与物之间的高质量无线数据传输，并可以很好地解决物联网中无线传感器各节点间的网络连接。因此，Zigbee技术作为核心技术，在建设智慧校园安全系统中发挥着越来越重要的作用。

1 基于Zigbee技术的智慧校园安全系统的相关技术分析

1.1 无线传感网络的技术分析

无线传输技术集合了分布式数据处理技术、微型电子技术、无线通信技术及嵌入式技术，它与传统有线通信技术相比，具有更强大的信息采集能力。这项技术摆脱了传输线的束缚，可以在布置传感器时更加方便灵活。传感器通过无线技术将采集到的信息实时传输给上位机，监控人员通过对实时数据的分析，可以清晰地掌握现场的安全状况。无线传输网络适用于监控面积大或地理条件更加复杂的环境，其监控效果与节点部署情况有直接关系。无线传感器节点数目越多，获取数据信息就越准确。各传感器节点间并不是独立个体，其间会预先设定无线路由协议，保证各节点之间实现数据的传输与转发。由于区域内各节点的位置不同，运行中有它的不确定性，这就要求无线通信网络具有组织能力，实现更加科学的配置管理[2]。无线网络中两个节点间的信息传输时，由于各节点的信息发射能力有限，在无线传输网络内设置中继节点来实现信息的转发，传输过程中各节点在不断地加入和退出，无线网络实时处在动态变化过程之中。无线传感网络通过各节点的广泛部署，实现在一定区域内对必要信息的获取，避免在获取数据时逐一对各节点进行查阅，以数据作为无线传输网络的工作重心，最大程度上保证了网络的实用性[3]。

1.2 Zigbee及相关技术分析

Zigbee技术由其技术联盟制定网络层标准，用户可以根据实际工作需要在应用层进行自主开发，在最大程度上为用户提供灵活的组网方式。Zigbee技术具有3个跨度很大的频段，3个频段的信道数目、信息传输速度及调制方式存在差异。其中2.4GHz频段为免费频段，此段共有16个信道，可以实现最多达250Kbps的数据传输。Zigbee技术可以通过星型网、树型网及网状网实现优异的组网性能。采用多载波的信道接入方式，最大程度避免了载波之间的冲突。Zigbee模块具有较强的网络自适应能力，有较低的信号发射功率，可根据网络质量的不同要求，主动增加或降低发射功率。在非工作状态下可以自动进入休眠状态，从而保证了Zigbee技术的低功耗特征。Zigbee模块的价格便宜，适宜大规模采购。Zigbee技术协议设计简单，实现功能时只需要少量的程序代码，节省了许多专利费用。唤醒休眠状态下的Zigbee模块只需要15ms，查找网内节点数据只需要15ms时延，可以满足时延要求高的领域。基于Zigbee技术搭建的无线通信区域可以实现多网络的协同工作，网络内的各节点具有较强的管理能力，可以满足对254个子节点的操纵。Zigbee技术在设计过程中充分考虑到电磁波干扰、障碍物阻挡及水汽吸收电磁波等问题，制定了具有针对性的防止碰撞策略，有效提升无线数据传输的可靠性。在传输过程中设计了应答方式，确保数据可以达到既定目的地地址。Zigbee技术的协议栈可以实现对数据包的检查功能，具备加密算法认证和鉴权，最大程度上保证了数据传输过程中的安全性[4]。Zigbee技术协议栈的源码和授权对使用者是开放的，在应用开发过程中具有较高的开放性。

1.3 节点故障检测技术分析

与有线网络存在的数据传输包丢失的情况相同，无线传输网络也存在传输信息不到位或得不到传输反馈的问题。为提高无线信息传输的准确性，须采用节点故障检测技术对丢包故障进行检测。该技术可以检测出网络中断、数据延迟及能源限制等故障。在无线传输网络中常用的节点故障检测技术主要包括：集中式故障检测法、分布式故障检测法和心跳故障检测机制。其中，集中式故障检测法主要用于检查问题节点的成因，它主要采用轮询方式周期性的向周围节点发送状态信息，实现对周围节点故障信息的实时采集。工作结构见图1所示。

图1 集中式故障检测机制结构图

分布式故障检测法作为另一种常用的节点故障检测技术，将故障管理工作分散到各网络节点中，使各节点都具有独立的判断与处理故障的权限。这样处理，不仅可以降低中心节点的工作压力，还能在一定程度上提高节点故障检测的可靠性。分布式故障检测法已经成为未来故障检测的一种发展趋势，满足区域内多种类的节点故障检测需求。心跳故障检测机制是分布式节点故障检测的延伸。该故障检测模式会向外定期传输数据包，并进行周期性的数据收发。在传输过程中判断套接字的状态是连接或断开，就可以知道无线传输网络的工作是否正常。系统传输的心跳包属于一种自定义的结构体，其中包含了少量的状态信息，有些状态下仅包含特定的标识码或反馈码来表明心跳码的身份。

2 基于Zigbee技术的智慧校园安全系统的具体设计

2.1 智慧校园安全系统传感器的选择

在进行智慧校园安全系统设计过程中，选用TO-92式封装的温度传感器LM35DZ测量监测点的温升变化情况。该测温模块构造简单、成本低，直接将电压值和温度信息通过模拟信号传出去。电压值与摄氏度之间呈线性关系，安装时直接将杜邦线与主板相连，安装灵活简便。该传感器的测温范围是0℃～100℃，当所测区域温度超过60℃时，可以判断此处有发生火灾的危险，需要消防人员前来处理。烟雾传感器MQ-2是另一种常用的检测模块，主要用于检查化学实验室的易燃、易爆及有毒气体。除此之外，MQ-2还可以检测出氦气和液化气，工作电压范围处于0～24V之间，该传感器在使用前需要用5V电压对其加热。烟雾传感器MQ-2在空气中的电导率较低，有较强的耐腐蚀性，使用寿命长，检测气体的化学反应具有可逆性，便于烟雾传感器循环使用。其机械性能良好，结构简单，当检测区域内出现烟雾或有害气体时，SnO2材料商的晶粒电导率会发生变化，实时检测一定区域内是否有火情出现，烟雾浓度与电导率成正比，且可以判断出火情的程度。为了防止危险人员潜入校园造成安全隐患，还应设置人体红外热释电传感器，以探测人体发出的辐射，进一步判断区域内是否有人进入。该传感器对于10μm的红外辐射有较强的敏感性，当有人进入区域内时会使传感器的电荷失去平衡，向外释放电荷，并将报警信号传递到监控中心。

2.2 智慧校园安全系统硬件的设计分析

智慧校园安全系统通过Zigbee模块搜集监控区域内的监测信息，将存在潜在危险的现场状态实时传递给监控中心。在整个过程中，利用无线传感技术实时采集数据，并通过上位机的计算，对现场状态进行分析和判断。根据智慧校园安全系统的实际需求和Zigbee模块的应用特点，需要综合温度、浓度、烟雾采集、红外数据及数据传输等因素考虑组网特点，利用温度传感器LM35DZ、烟雾传感器MQ-2及人体红外热释电传感器来获取现场信息，构建组网将数据传送至服务器。为丰富其功能，在算法程序中增加测距模块和人员定位模块，实现对潜入人员的实时定位。智慧校园安全系统设计结构见图2所示。

图2 智慧校园安全系统设计结构图

在Zigbee网络结构中，底层节点负责获取、发送数据；路由节点负责数据的转发与管理，可以有效扩大网络监测范围；顶层节点可实现对已知节点的信息消化。Zigbee模块上传输的数据在设置好的频率下周期性传给协调器，协调器再将获取的信息统一打包后上传至PC端。当出现危险报警时，终端节点就会及时将报警信息传达给警务系统并发出警报。以Zigbee的快速组网优势和RSSI测距功能，可以准确给警务人员提供危险报警的具体位置。在进行智慧校园安全系统硬件电路设计过程中，选择CC2530搭建智慧校园安全系统的硬件平台。该芯片具有体积小、功耗低、组网方便及易于扩展的特点。Zigbee网络中的协调器要完成对网络的建设以及节点的管理。在本系统中，需要将接收的数据通过串口传递给服务器；需要架设射频天线来实现数据的收发；设计LED灯来显示数据收发状态；设计按键用于复位模块状态。在设计电源模块时，采用5V电源供电，而模块的工作电压为3.3V，需要采用LM1117实现5V到3.3V电压的转换。通信模块采用RS-232串行通信接口，可以任选CC2530模块的一组串行接口实现通信。接口转换器选择PL2303，内置USB收发、振荡器及UART通用异步收发传输器，只需配置电容，即可实现USB信号与RS-232信号的转换。PL2303具有高兼容驱动器，可以满足大多数上位机系统的传统COM需求。CC2530的时钟模块包括工作模式和休眠模式两种工作状态，分别由32MHz晶振和32.768KHz晶振提供计数。

2.3 智慧校园安全系统的软件设计分析

智慧校园安全系统软件部分需要完成对PC端操作界面、数据库、数据分析处理模块、嵌入式部分协调器、路由设备及终端节点的设计。信息采集、检测算法及节点定位处算法的设计，本系统采用B/S模式来保证运行的实时性。采用Myeclipse实现操作管理，以C/S模式实现程序编写。数据采集管理流程是在服务器启动后对各部门进行初始化，在完成信息的采集、传输及分析处理后，将各节点处的数据传输至协调器，通过串口设备实现对数据的打包。在系统数据库设计过程中，为满足控制的灵活性安排一个区域内分设多个协调器，保证任何一个协调器管理多个子节点，不同节点分别完成不同任务。协调器和路由器都由FDD构成，分别负责管理网络以及数据传递工作。在Zigbee网络中，要求协调器和路由器均具有组网能力，在使用时，需要先启用协调器，再使用路由设备，两者都可以实现数据的双向传输。智慧校园安全系统算法设计中，主要涉及数据采集部分的心跳发送算法和节点定位算法。在进行心跳算法设计时，要满足数据采集的需求，信息采集包括内容、节点编号及采集时间。由于无线传感器网络中节点数目过多，中心节点处理能力有限，采取分布式故障检测算法比较适宜。考虑到心跳信息在传递时也会加大网络压力，对网络信号的传输造成不利影响，设计了PULL心跳检查机制，使检测方法具有更好的主动性能，保证了检测算法的灵活性。

3 结束语

基于Zigbee技术的智慧校园安全系统，可以保证在学校内部建立一个规范的故障预警保护机制。安保人员可从多个途径获取故障预警信息，实现标准化的安全运行报告统计系统，方便运行和维护人员及时了解系统运行状态，为学校安全保障工作适时提供科学合理的信息。智慧校园安全系统建立起一体化的运营维护监控服务系统，打破了不同监控区域之间的壁垒，有利于高度集约化服务网络的建立，使校园有了更加安全的保障。