基于物联网的校园安防系统设计研究

摘  要：校园安全是学校教育工作的基础。为提高校园安防系统的智能化和信息化水平，采用物联网技术设计校园安防系统，依托无线通信技术、RFID技术、ZigBee技术和传感器技术，设计防火报警模块、视频监控模块和门禁模块，并通过模拟测试验证了本系统的可用性和丢包率。结果表明，该系统能较好地满足校园安全防护的要求，且具有稳定性和鲁棒性。

关键词：物联网;校园安防;无线通信;RFID技术;ZigBee技术

中图分类号：TN929.5       文献标识码：A文章编号：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

伴随着信息技术的快速发展，物联网已经深入到人们工作和生活的方方面面。物联网是指通信设备按照约定的通信协议与其他物体或网络进行连接并进行信息传输和交换的网络[1]。物联网是一个宽泛的概念，各类通信技术、传感技术和人工智能技术等都是构成物联网的核心要素[2]。目前，物聯网已经在公共安全、智能家居、工业检测和智能交通等领域得到了广泛的应用。

校园安全是我国教育工作的重要内容。目前，大部分学校也均建立了安防系统，对保障校园安全发挥了重要的作用。近年来，随着智能化设备的增加和5G通信技术的普及，大量的设备接入和海量数据的汇集对原有的校园安防系统的性能造成了一定的挑战[3]。因此，采用物联网技术建设校园安防系统，充分吸取5G通信、ZigBee组网等技术，能有效提高校园安防系统的性能。

1  系统总体设计

本系统积极吸取5G通信技术、RFID技术、ZigBee技术、传感器技术，以89C52单片机为核心，建设校园安防系统，校园安防系统设计为四层，分别是连接层、网络层、应用层和用户层，如图1所示。

1.1  连接层

连接层主要负责信息的采集，主要由传感器、摄像头和RFID等构成。其中传感器主要负责采集校园内重点消防区域的温度、湿度等信息，摄像头主要采集校园进出口的人流和车流、校园内重点场所的图片和视频信息，RFID技术是利用射频识别来实现非接触式自动识别的目标，校园大门及校内重要场所的门禁系统均可采用RFID技术来实现身份识别。

1.2  网络层

网络层主要负责将连接层采集到的信息传送到应用层，采用的通信协议主要有ZigBee、Internet和4G/5G构成。ZigBee是一种适用于距离较短的无线通信技术，具有低成本、低功耗、可靠性高等优点，主要工作在2.4 GHz频段，一般采用树型、星型和网型的组网方式。Internet是基于TCP/IP协议族的公共计算机网络。4G/5G分别指第四代移动通信技术和第五代移动通信技术，目前我国已经正式商用了4G和5G。

1.3  应用层

应用层主要负责对网络层传输来的数据进行分析和处理，并形成结论传送到用户层。根据校园安防系统的构成主要分为防火报警模块、视频监控模块和门禁模块。防火报警模块主要负责校园内的消防信息的分析、处理和判断，并将结论传送至用户层。视频监控模块负责校园内视频监控信息的分析、处理和判断，并将结论传送至用户层。门禁模块负责校园内门禁信息的分析、处理和判断，并将结论传送至用户层。

1.4  用户层

用户层主要负责将应用层提供的信息以人机交互的形式提供终端由技术人员进行处理，用户层主要包括计算机和智能终端。计算机主要配置在主控室内，安装与监控系统匹配的软件后进行校园安防工作。智能终端主要有智能手机和平板电脑，经安装匹配的APP后进行校园安防工作。

2  校园安防系统的硬件设计

系统硬件结构主要由主控器模块、无线通信模块、防火报警模块、视频监控模块和终端模块。主控器模块由89C52单片机为核心，有其他相关功能模块支撑，与计算机应用程序和智能手机APP进行实时通信，实现对校园内教学区、图书馆、进出大门等场所进行实时监测。

2.1  防火报警模块

防火报警模块主要将烟雾传感器MQ-2、温湿度传感器SHT30所采集到的各节点信息，经汇总后传送至ZigBee节点，并实时传送至控制中心，判断是否存在消防安全隐患，并启动报警及喷淋器，如图2所示。

2.2  视频监控模块

在校园大门、教学楼、食堂、宿舍和体育场所等重点区域，合理配置摄像头布局，构建全面的视频监控系统，将视频信息实时传送至计算机，由视频监控系统对视频中的关键信息进行提取并分析，完成实时监控任务。以智能视频分析技术和大数据技术为基础，将采集到的视频流建立样本数据库，对样本库中的信息进行动态甄别，有效识别各类安全隐患并实时预警，实现校园安防的事前预警、全天候、全自动的实时监控功能，结构示意图如图3所示。

視频监控对校园的安防保障起着至关重要的作用。随着5G时代的到来，极大地提升了视频监控系统的数据传输能力，超高速传输的速率可以直观提升视频监控设备的性能，这将推动视频监控产生质的飞跃。只有像素越来越清晰的视频图像，才能提供更加精准的基础数据给人工智能技术。基于5G通信的视频监控，前端设备无须再通过有线网络进行视频回传，具备5G通信模块的无线联网摄像机可实现即装即用，这种免拉线的部署方式大大缩短了安装周期，同时降低了部署成本[4]。比如临时布控的需求，在重点卡口、重大活动地区、制高点等位置进行临时布控，采用5G移动布控球进行视频回传和图像采集，识别嫌犯，掌握整体校园安防态势。移动布控球设备可随时随地移动部署，并快速完成架设，且本地可配置长时间续航的电池，也可外接电源系统，确保安防系统可以长时间工作，保障监控工作的安全稳定运行。

2.3  门禁模块

门禁模块主要配置在校园大门、教室、实验室、办公室和寝室等场所，主要由RFID身份识别、天线、警报装置和控制中心等。首先要先为用户配置RFID身份信息，当用户需要在装有门禁模块的场所出入时，以RFID身份识别完成身份识别，经识别确认后可打开门禁。若无法识别则门禁会保持关闭，若访客强行闯入则会启动警报。这一过程经控制器来完成控制。如图4所示。

3  校园安防系统的软件设计

3.1  软件系统设计

校园安防系统采用微软公司的Visual Studio2010进行软件开发，开发语言使用c#。软件系统功能主要包括系统状态和系统设置。在系统状态模块，技术人员可以通过软件访问防火报警模块、视频监控模块和门禁系统的每一处节点，了解每一个传感器、摄像头和RFID卡的工作状态。当有传感器、摄像头或RFID卡发生故障时，系统能及时采集到信息，并提示技术人员进行维修或更换。此外，软件系统实施接受防火报警模块、视频监控模块和门禁系统传送来的信息，实施掌握校园内安防信息，为系统预警和处理提供服务支撑。

在系统功能设置模块可以对整个安防系统进行配置。技术人员可以根据校园安防数据进行动态调整，适当增加或减少传感器、摄像头和RFID卡。例如，在学校举办运动会时，可以在运动场所增加摄像头，以更好的保障运动场所的安全。同时，系统保持良好的开放性，技术人员可以对系统功能进行进一步拓展。

APP采用安卓平台开发，具有与软件系统相同的功能，主要安装在安防人员的智能终端上，以供随时掌握的校园内的门禁、消防和监控系统信息，并通过4G/5G通信与监控中心实时联系。APP界面如图5所示，图示中共有通知公告、校园监控、门禁系统、消防系统、安防检查、安防报修、安防知识和更多功能共8个模块，便于安防技术人员随时访问，实时掌握校园安防系统的准确信息。

3.2  校园安防系统的通信设计

本系统的软件系统主要采用4G/5G通信、ZigBee技术、Internet等技术。4G/5G通信在通信模块上接入移动通信运营商，利用运营商的网络配置实现通信目标。ZigBee采用树型网络结构，该结构易于维护和拓展。以自组织网的方式组建无线网络，通过与传感器、路由器相连，实现校园内温湿度等信息的传输[5]。系统软件安装在计算机上，相关信息在主控计算机上经Internet实现校园安防信息的传输和共享。

4  性能测试

本设计的基于互联网的校园安防系统的性能在我校采用实验进行检测。主要测试校园安防系统的终端的可用度和通信丢包率。

4.1  终端可用度测试

主要检测指标为RFID身份识别终端T1、视频摄像头终端T2、图像显示终端T3、报警设备终端T4和门禁控制终端T5的可用度。在我校内的大门外、运动场和图书馆大门前三处对上述终端的可用度进行测试，其测试结果如表1所示。

测试结果显示，系统内各终端具有良好的可用度，能够在长时间运行下保持良好的工作状态。

4.2  系统丢包率测试

对校园安防系统的通信系统的可靠性和稳定性进行测试，主要测试安防系统中ZigBee组网的丢包率。在校园内根据距离远近分别选取6个位置进行测试，距离分别为5 m、10 m、20 m、60 m、100 m、200 m处发送10 000个数据包，统计接收端的丢包量和丢包率，测试结果如表2所示。

经测试，系统的丢包率呈现随着距离增加而上升的态势，但整体丢包率较低，不影响系统的通信性能。

5  结  论

校园安全将是智慧校园的重要组成部分，校园安防系统将对校园内部的人、车、设备进行实时监控与检查，解决传统模式下校园安全管理的痛点和难点，实现校内人、车、设备的实时监控和智能分析，为学校提供更精细化的管理手段。设备采集的数据通过ZigBee技术、5G通信技术传输，结合视觉识别及分析技术，利用云端大脑进行图像识别，实现进出校园人员、车辆的身份识别，教师课堂点名，校内人员实时定位，体温测量等功能，主动预防校园安全事件发生，快速处理校园安全事件，提前发现人员异常聚集，大幅提高了校园安全的保障水平。

参考文献：

[1] 张岗.物联网在消防安全领域的应用研究 [J].中国公共安全（学术版），2011（3）：106-108.

[2] 陈威.物联网应用实践及信息通信技术供应链安全的研究 [J].电子技术与软件工程，2021（14）：248-249.

[3] 宋煜，江志凌，吕忠闯.基于5G技术的武汉卷烟厂安防监控建设应用与研究 [J].机器人技术与应用，2020（5）：19-26.

[4] 李春旭.低时延高可靠性的5G承载网络探讨 [J].通讯世界，2019，26（8）：223-224.

[5] 刘宁宁，樊建席，林政宽.基于地址空间的树型网络地址分配 [J].计算机科学，2020，47（2）：239-244.

作者简介：孙迪（1988—），男，汉族，江苏盐城人，助教，学士，主要研究方向：安全防范技术。