基于ZigBee+GPRS的智慧校园监测系统设计

田丰

（贵州商学院，贵州贵阳，550025）

随着我国经济的飞速发展和社会的快速进步，我国的教育事业在近几年也得到了快速发展。在中央提出“智慧城市”、“节约型社会”的号召下，建设“智慧校园”和“节约型校园”的工作正式提上历史日程。近些年，随着高等院校逐年扩招，学生数量和教学楼的数量也越来越多，如何解决电能消耗、校园火灾监控和人员出入校园的管理问题成为了智慧校园建设中的关键一环[1]。做好高校节能减排、校园火灾监控和平安校园的工作对维护社会稳定具有重要作用。

1 无线通信技术

物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是Zigbee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术；另一类是NB-IOT和LORa等长距离无线通信技术。它们或基于传输速率、传输距离和功耗的特殊要求，或着眼于功能的可扩展性，各有千秋。在物联网的智能应用中，不仅需要组建短距离的无线传感网，大多数时候还需要进行长距离的无线通信。下面就电池寿命、传输距离、传输速率等角度对几种常见无线通信技术进行横向和纵向对比，对比结果如表1所示。

从表1可以看出，Zigbee能够满足大面积的布网要求，成本较低，适宜于智慧校园监测系统无线传感网的组建；GPRS通信能够实现与管理系统或者移动终端的即时通信，大大提高信息到达区域，Zigbee和GPRS两大通信技术的结合将能进一步完善校园监测系统的智能化建设。

图1 基于Zigbee+GPRS的智慧校园监测系统框架图

2 系统总体功能设计

Zigbee技术集稳定性强、组网灵活、易于网络规模扩展等众多优点于一身。为了让我们的校园进入到智能化的实时监测时代，减少不必要的资源浪费以及人员伤亡，让校园更加和谐，本文研究并设计了以CC2530单片机+传感器模块+GPRS作为信息传输的智慧校园监测系统，实现了节能照明、校园火灾和人员出入三大方面的实时监测，确保校园稳定安全运行。基于Zigbee+GPRS的智慧校园监测系统框架图如图1所示。

3 基于ZigBee+GPRS的智慧校园监测系统模块设计

智慧校园模块建设主要建立在Zigbee和GPRS无线网络的基础上，利用烟雾传感器、温度传感器、CO传感器、SO2传感器监测火灾情况，利用人体红外传感器检测人体情况，以及利用门禁读写器和出入口一体机检测人员出入道闸的情况，然后经过管理系统的分析与决策进行统一的管理，大大提高校园管理效率和提升校园安全性。基于Zigbee+GPRS的智慧校园监测系统主要包含校园火灾监测、照明智能控制[2]、门禁三大子系统。

表1 几种常见无线通信技术对比

■3.1 校园火灾监测系统设计

校园内部一旦出现明火，如果不能有效监测与控制，后果将不堪设想。近几年来，对高校火灾事件的报道屡见不鲜，火灾的发生不仅严重扰乱学校日常的教学秩序，而且带来的人员伤亡和财产损失将为高等教育抹上“黑点”。鉴于大学校园火灾的多样性、时段性、时空性等特点，目前的校园火灾管理模式的时效性越来越差，不能及时预警校园火灾，而且在火灾发生初期，不能及时告知消防管理人员，导致火灾的蔓延和进一步扩大，从而给社会的和平稳定造成严重的伤害。本文设计的校园火灾监测系统主要包括烟雾浓度采集、数据传输、数据处理、火灾报警与联动控制功能。其中，校园火灾监控系统网络架构图如图2所示。

图2 校园火灾监控系统网络架构图

Zigbee火灾探测节点板检测环境中的烟雾浓度、SO2浓度、CO浓度和温度作为分析火灾的依据，做出火灾是否发生的初期判断；Zigbee节点板将采集到的火灾信号转发给Zigbee协调器，然后协调器节点板将火灾信号转换为GPRS信号和以太网接口信号，通过GPRS传输给应急管理人员或者通过TCP方式传输至管理系统进行分析决策[3-4]。当决策系统判断发生火灾后，蜂鸣器立即发出声音报警，开启消防广播通知在校师生迅速撤离现场。校园的相关消防工作人员进一步确认火灾信息后迅速和119指挥中心联系，通知火灾位置。

其中，校园火灾监控系统中的Zigbee节点板模块主要由CC2530和烟雾传感器、温度传感器、CO传感器、SO2传感器组成。

■3.2 照明智能控制系统设计

教室作为高校学生主要的活动场所，其照明消耗的电量占学校总用电量的40%之多，并且一直居高不下，其中“长明灯”现象对电能的浪费占据很大一部分。由于国内照明技术成熟较晚以及成本问题，目前高校大多采用传统的照明控制方式，教学楼采用分层供电方式，在关闭楼门时需要管理人员分层去检查教室并关闭灯具，增加了管理负担[5]。本文设计的校园照明智能控制系统主要包括人体红外强度采集、数据传输、数据处理与联动控制功能。其中，照明智能控制系统网络架构图如图3所示。

图3 照明智能控制系统网络架构图

照明智能控制系统的Zigbee节点板检测教室里或者校园内道路上的人体红外强度，确认在设定的时段内是否有人存在。若检测到有人存在，且光照强度低于设定的阈值时，则点亮相应的灯具；若检测到有人存在，但光照强度高于设定的阈值时，则继续保持相应的灯具为关闭状态；若光照强度低于设定阈值，但无人存在，则继续保持相应灯具为关闭状态。Zigbee节点板实时采集教室里的光照强度和人员位置。通过检测人员位置和光照强度，智能控制照明系统，从而降低能耗，节省学校经费支出。其中，照明智能控制系统的Zigbee灯具节点板模块主要由CC2530、人体红外传感器、光照强度传感器和继电器组成。

■3.3 门禁系统设计

门禁系统主要是为了提升校园个人出入的安全性而进行的师生身份信息的认证和管理。校园管理系统可以将全校教师的基本信息和学生的在校基本信息上传到物联网电子标签。教师或学生在进出校园时，门禁装置通过无线读写方式读出物联网电子标签中的信息，通过与后台数据库比对进而查询出人员出入的合规性，有效提升校园出入管理的效率。当门禁装置读出物联网电子标签中的信息后，控制器将数据上传到管理系统和数据库进行比对其中的存入信息，从而控制通道闸的打开与关闭、出入口监控一体机的抓拍以及显示屏进行信息的显示。其中，校园门禁系统网络框架图如图4所示。

图4 校园门禁系统网络框架图

■3.4 系统软件设计

基于Zigbee+GPRS的智慧校园监测管理系统是为了实现对火灾、照明灯开断和校园门禁信息的实时采集、接收、存储、查询、显示和统计分析,本系统采用Qt编程实现，通过该系统可以实时掌握火灾、照明灯开断和校园门禁信息，并对相应紧急情况做出相应处理。基于Zigbee+GPRS的智慧校园监测管理系统主要包含校园火灾监测子系统、照明智能控制子系统和校园门禁系统三个子系统，分别采用分层设计方法，主要分为硬件抽象层、系统服务层和应用层。管理系统对接收的数据进行分析，作出相应的决策。

4 系统测试和结果分析

考虑到现实生活中火灾发生时刻的无规律性，故在校园中150m3范围内设置四个采集点进行系统模拟测试。采集点的测试时间间隔为1分钟，某次检测结果如表2所示。

表2 某次四个采集点检测结果

从以上四个传感节点的监测结果可以看出，节点板3的实测温度、CO浓度和SO2浓度明显高于其余三块节点板，系统判决结果为预警I级，此时有必要出动相关管理人员进行确认和消除异常，确保意外事件的发生[6]。

5 结语

本文将Zigbee技术和GPRS融合,组建无线传感器网络，实现对火灾、照明灯开断和校园门禁信息的实时采集、接收、存储、查询、显示和统计分析。充分利用了Zigbee技术组网灵活、节点板可以灵活定制不同传感器以及GPRS能够进行长距离移动通信的能力，实现了对校园环境和安全的实时远程监测。利用该系统，我们可以对校园火灾、照明灯开断和校园门禁信息进行全天候、全方位的监测，同时对更多数量的智慧管理和智慧城市建设具有一定的指导意义[7]。