基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统设计

江苏联合职业技术学院徐州经贸分院 张学芹

传统的校园安全管理方式需要大量人力、物力，智慧校园安全系统可以实现对校园设备、设施的智能监控和远程控制，优化设备和资源的利用，提高校园管理的效率和智能化程度。ZigBee 技术是一种无线网络通信技术，可以实现低速、低功耗、低成本的无线连接，具有广泛的应用前景。基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统利用无线网络技术，通过多种传感器设备、控制终端和互联网平台等构建一个安全可靠、高效智能的校园安全系统。本文基于ZigBee 技术对校园安全系统进行重新设计，力图打造全新的智慧校园安全体系。

随着科技的不断发展，人们对于校园安全的要求越来越高。传统的校园安全监控设备存在诸多缺陷，如安装位置受限、监控范围有限等问题。ZigBee 技术是一种无线通信技术，其优势在于低功耗、低速率、低成本和自组织等特点，适用于小范围、低速率的无线数据传输。智慧校园安全系统采用ZigBee 技术，可以实现校园内各种安全设备之间的互联互通，如门禁系统、监控系统、火灾报警系统等。当发生安全事件时，各个设备之间可以实现联动，快速响应并报警，提高了安全保障的效率和准确性。本文基于ZigBee 技术对校园安全系统进行重新设计，力图打造全新的智慧校园安全体系。

1 关键技术概括

1.1 ZigBee 技术的概念特点

（1）低功耗。ZigBee 技术采用了基于IEEE 802.15.4标准的低功耗通信协议，该协议允许设备在待机模式下消耗非常少的电量[1]。这意味着ZigBee 设备可以在长时间内使用同样的电池，从而减少更换电池的频率和成本。同时ZigBee 技术的通信速率较低，一般为250kbps，与其他高速数据传输技术相比，它所需的功率更少[2]。ZigBee 设备的数据传输量通常较小，因此可以使用更小容量的电池。

（2）多点连接。多点连接是指一个ZigBee 节点可以与多个其他节点进行通信。在ZigBee 网络中，所有节点都可以互相通信，这种多点连接的特性使得ZigBee 网络非常适合用于物联网中的传感器和控制设备。ZigBee 网络采用星型和网状型拓扑结构，这种结构使得ZigBee 网络可以支持多种不同类型的连接。在星型拓扑结构中，一个集中的协调器负责协调所有的节点，节点只能与协调器进行通信，不能与其他节点直接通信。在网状型拓扑结构中，每个节点都可以与其他节点直接通信[3]，这种结构使得ZigBee 网络更加灵活，能够适应各种不同的应用场景。

（3）安全性高。ZigBee 技术支持高级加密标准（AES）算法。AES 是一种广泛使用的对称加密算法，具有高强度的加密和解密能力。ZigBee 技术支持AES 算法，并通过密钥交换和管理等措施，保证了数据的机密性和完整性。另外，ZigBee 技术采用了认证和授权机制。在ZigBee 网络中，设备之间的通信必须经过认证和授权，防止非法设备加入网络或者攻击者伪装成合法设备获取数据[4]。

（4）易于扩展。ZigBee 技术具有易于扩展的特性，可以通过添加新的设备来扩展现有网络。这是因为ZigBee技术采用了分层网络结构，它将网络划分为应用层、网络层和物理层。每个层次都有自己的功能和特性，可以通过在应用层添加新的设备来扩展网络。在ZigBee 网络中，每个设备都有一个唯一的16 位短地址和64 位扩展地址，这使得添加新设备变得非常容易。

1.2 ZigBee 技术的体系结构

ZigBee 技术的体系结构主要由应用层、网络层和物理层部分组成。应用层包含了所有的应用程序，它为各种不同类型的应用提供了标准接口，比如，本次研究的校园安全系统。网络层主要负责网络管理、数据传输和路由选择等任务，它定义了协议栈中的网络拓扑结构和通信协议。物理层是将数字数据转化为无线电信号，完成数据的传输和接收[5]。基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统可以通过接口与各种类型的传感器和执行器进行通信，例如，温度传感器、湿度传感器、灯光控制器等。网络层负责数据传输和路由选择，它支持星形、树形和网状等多种网络拓扑结构，并提供了多种路由选择算法，以实现高效、可靠的数据传输。物理层则负责将数字数据转化为无线电信号，完成数据的传输和接收[6]。

2 基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统设计

2.1 硬件系统

基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统硬件系统组成主要包括传感器、控制器、网关以及可视化终端。

（1）传感器。传感器的作用是采集各种信息，例如，火灾、煤气泄漏、水浸等预警信息。这些传感器可以部署在各个关键位置，例如，宿舍、教学楼、实验室等地方，以实现对整个校园环境的全面监测。在智慧校园安全系统中，常用的传感器有温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、气体传感器、光纤传感器等。其中，温度传感器可以用于监测室内温度，保证室内温度在适宜范围内，通常可以测量温度范围为-40℃～+85℃，本次设计应用的型号有DHT11、DHT22；湿度传感器可用于监测室内湿度，防止出现过于潮湿或过于干燥的情况，湿度范围为0%～100%，同样应用DHT11、DHT22 型号传感器；烟雾传感器可以监测烟雾，及时报警避免火灾事故，本次设计应用的型号有MQ-2、MQ-5；气体传感器可以检测室内气体浓度，例如，二氧化碳浓度、甲醛浓度等，保证室内空气质量，本次设计应用的型号有MQ-2、MQ-5；光纤传感器则可以自动调节室内照明亮度，节约能源。

（2）控制器。控制器负责接收传感器采集到的信息，对数据进行处理分析，进而进行决策。控制器可以采用基于单片机或嵌入式系统的设计，其功能包括数据采集、数据处理、控制指令生成等。由于ZigBee 技术采用了短数据包和低功率消耗的方式，其控制器可以使用较小的电池容量实现长时间的运行，这大大降低了系统运行的成本。另外，基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统控制器具有可扩展性强的特点。ZigBee 技术允许不同的设备之间进行互联互通，同时也可以通过添加新的设备来扩展系统的功能。这使得控制器可以根据需要逐步扩展，以适应不同规模的学校。基于上述要求，本次研究中基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统控制器是L-SPC。该控制器采用了自主研发的高性能芯片，可以实现多种安全设备的无线接入，同时支持远程控制和智能化管理。此外，L-SPC 还具有安装简单、操作方便、故障率低等优点，是智慧校园安全系统的理想选择。

（3）网关。网关是连接控制器和可视化终端的重要组成部分。网关的主要作用是收集控制器处理的数据，并将数据传输给可视化终端。网关通常具备多种通信接口，例如，有线通信接口（如以太网、串口等）和无线通信接口（如ZigBee、蓝牙等）。智慧校园安全系统的网关设计是基于ZigBee 技术实现的，其主要功能是将ZigBee 传感器节点采集的数据传输至云端。智慧校园安全系统的网关设计可以实现对学校内部环境的实时监测，如温度、湿度、烟雾、CO2等数据，同时可以进行报警处理，确保学校内部环境的安全性和稳定性。此外，网关设计还能将学生出入校门的信息进行采集和传输，实现对学生出入校门的实时监测和管理。通过网关设计的实现，学校可以对学生的行为进行有效的监测和管理，避免学生在校内出现安全问题。在实际的应用中，智慧校园安全系统的网关设计还需要考虑到数据的传输安全性和稳定性。为了确保数据传输的安全性，网关设计需要采用加密算法对传输的数据进行加密处理。同时，为了保证数据传输的稳定性，网关设计需要采用双备份机制，即在数据传输过程中，备份一份数据，确保数据传输不会因为任何一方的失误而出现中断。

（4）可视化终端。可视化终端是用户与智慧校园安全系统进行交互的重要途径，可以是PC 端、手机App等。用户可以通过可视化终端实时监测校园的安全状况、查看警报信息、进行远程控制等操作。当前校园安全问题日益突出，普通的人工巡逻方式已经不能满足管理需求。传统的校园安全管理方式受到空间和人力资源的限制，导致安全隐患难以得到及时有效地发现和处理。而基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统可以采用无线传感器网络、视频监控、智能门禁等技术，实现对校园各区域的实时监测、数据采集和分析处理，提高校园安全管理水平和应急处理能力。在智慧校园安全系统中，可视化终端是用户与系统之间的重要交互界面，主要负责实时监控校园安全情况、预警信息展示和紧急处理等功能。因此，本文以可视化终端设计为研究对象，探究基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统可视化终端的设计与实现方法。通过对校园安全数据的采集和分析，设计出符合用户需求的可视化界面，实现对校园安全情况的实时监控和管理。

2.2 软件系统

（1）系统架构。本系统采用客户端/服务器（C/S）架构，包括服务器和多个客户端。服务器用于管理、控制和处理各个子系统之间的信息和通信，客户端用于实时监测和管理各个子系统的状态。服务器采用MySQL 数据库进行数据存储和管理，同时实现了Web 服务，方便客户端通过浏览器进行访问和管理。

（2）ZigBee 节点管理模块。负责对ZigBee 节点进行管理，包括节点的注册、删除、维护等。该模块通过与底层硬件交互，获取节点信息，并将其存储到数据库中，以便后续的节点查询与控制。

（3）数据库管理模块。负责对智慧校园安全系统的各类数据进行管理，包括节点信息、安全预警信息、事件日志等。该模块通过与数据库进行交互，实现数据的存储、查询、更新等操作。

（4）安全监测模块。负责对校园内的安全状况进行实时监测，包括火灾、水浸、燃气泄漏等安全事件的监测。该模块通过与ZigBee 节点进行通信，获取节点采集到的环境数据，然后通过数据分析算法对数据进行处理，并在发现安全事件时及时发出预警信息。

（5）预警处理模块。负责对安全事件进行处理，包括事件的分级、处理流程的定义等。该模块通过与数据库进行交互，获取历史事件信息，根据安全事件的类型和级别进行预警处理，并将处理结果反馈给用户。

（6）安全控制模块。负责对校园内的安全设备进行控制，包括警报器、喷淋系统、防火门等。该模块通过与ZigBee 节点进行通信，实现对设备的远程控制。

（7）用户界面模块。负责系统的用户界面设计，包括数据展示、操作控制等功能。该模块通过与其他模块进行交互，实现用户对系统的操作与管理。

2.3 具体实验过程及结果

该系统主要由传感器节点、协调器节点和智能控制中心组成，传感器节点主要用于检测学校内部区域的温度、湿度、光照、人员进出等信息，协调器节点负责将传感器节点的数据传输到智能控制中心，智能控制中心根据数据进行分析和处理，实现对学校内部区域的实时监控和安全管理。

（1）硬件搭建:首先搭建实验平台，包括传感器节点、协调器节点和智能控制中心。传感器节点采用温湿度传感器、光照传感器、红外传感器等，协调器节点和智能控制中心采用ZigBee 无线通信模块。

（2）软件编程:利用嵌入式系统开发板进行软件编程，包括传感器节点、协调器节点和智能控制中心的程序设计。通过程序设计实现传感器节点数据的采集和传输、协调器节点数据的接收和传输、智能控制中心数据的处理和管理。

（3）实验操作:将传感器节点安装在学校内部关键区域，采集温度、湿度、光照、人员进出等数据，并通过协调器节点将数据传输到智能控制中心。智能控制中心根据数据进行分析和处理，实现对学校内部区域的实时监控和安全管理。

（4）实验结果:通过该实验，成功实现了基于ZigBee技术的智慧校园安全系统的建立和应用。该系统可以实现对学校内部区域的实时监控和安全管理，具有较高的实用价值和推广应用前景。

3 总结

基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统是一种新型的校园安全管理模式，它利用无线网络技术，通过多种传感器设备、控制终端和互联网平台等构建一个安全可靠、高效智能的校园安全系统。传统的校园安全管理方式主要是以人工巡逻、物理隔离等方式为主，存在人工疏忽、漏洞等问题。而基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统可以实现对校园的实时监控、预警和快速响应等功能，提升了校园安全管理的精准性、实时性和有效性。综上所述，基于ZigBee 技术的智慧校园安全系统具有提升校园安全管理水平、保障师生身体安全、提高校园管理效率和加强与家长的沟通等重要价值。这种新型的校园安全管理模式将会成为未来校园安全管理的发展方向和趋势。