基于Zigbee及RFID的智慧校園安防系統(tǒng)研究

王華德，王明廣，莫麗紅

(1. 南京審計(jì)大學(xué) 保衛(wèi)部，南京 211815；2. 淮安市公安局 物證鑒定所，江蘇 淮安 223003；3. 淮陰工學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

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基于Zigbee及RFID的智慧校園安防系統(tǒng)研究

王華德1，王明廣2，莫麗紅3

(1. 南京審計(jì)大學(xué) 保衛(wèi)部，南京 211815；2. 淮安市公安局 物證鑒定所，江蘇 淮安 223003；3. 淮陰工學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

為了實(shí)現(xiàn)校園安防系統(tǒng)“智能化”及“安防”結(jié)合，提高安防系統(tǒng)事前預(yù)警、事中快速響應(yīng)、事后準(zhǔn)確查詢的性能，提出采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和射頻識(shí)別RFID技術(shù)的智慧校園安防系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)中ZigBee無(wú)線火災(zāi)預(yù)警、RFID門(mén)禁系統(tǒng)及智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理及其實(shí)現(xiàn)方式分別進(jìn)行了介紹，成為智慧校園安防工作的有效技術(shù)支撐。

校園安防; 物聯(lián)網(wǎng); RFID門(mén)禁系統(tǒng); 智能視頻監(jiān)控

0 引言

隨著大學(xué)校園的擴(kuò)建，校園內(nèi)建筑物的多樣性、學(xué)生數(shù)量的增加及校內(nèi)人員組成的復(fù)雜性，導(dǎo)致近年來(lái)部分高校校園內(nèi)盜竊、暴力事件及火災(zāi)等校園事故有所增加。2015年12月18日，清華大學(xué)化學(xué)系一實(shí)驗(yàn)樓發(fā)生火災(zāi)事故，造成一名博士后研究人員死亡；僅2014年至2015年間全國(guó)高?！八奚帷被馂?zāi)事故已報(bào)道的就有20余起，火災(zāi)發(fā)生原因有線路短路、手機(jī)及用電設(shè)備操作不當(dāng)?shù)龋?013年下半年，東莞高校發(fā)生10余宗校外人員盜竊筆記本電腦案件；2013年?yáng)|莞某職業(yè)技術(shù)學(xué)院由于處理不及時(shí)，由兩位學(xué)生的沖突最終引發(fā)為百余學(xué)生群毆事件。為了保護(hù)校園內(nèi)公共財(cái)產(chǎn)及學(xué)生個(gè)人財(cái)產(chǎn)安全，保障校內(nèi)人員的人身安全，在整個(gè)校園內(nèi)構(gòu)建全面、穩(wěn)定、可靠的安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是非常必要的。目前，由于學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品的廣泛使用，且不同建筑物的功能特點(diǎn)，導(dǎo)致校園火災(zāi)事故發(fā)生原因趨于復(fù)雜多樣，這些均對(duì)校園安防系統(tǒng)的有效性提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。傳統(tǒng)的校園安防系統(tǒng)通常采用視頻監(jiān)控，這種方式通常是在校園事故發(fā)生后調(diào)取視頻進(jìn)行內(nèi)容及過(guò)程查看，卻不能實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警，且對(duì)已發(fā)生事故得以及時(shí)有效處理的幫助也存在一定局限性[3-5]。此外，在以往的校園安防中，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等往往是相互獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)校園安防的信息融合及統(tǒng)一布局，且易造成人員及設(shè)備等安防資源的浪費(fèi)。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立智慧校園安防系統(tǒng)，旨在將傳統(tǒng)安防技術(shù)與“物物相連”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)校園安防的智能化。

1 安防系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求及遵循的原則

待設(shè)計(jì)的校園安防系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)集成、綜合的校園安全防護(hù)作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程實(shí)施中均遵循下述原則。

第一，考慮到保留校園原有部分安防設(shè)施的需要，系統(tǒng)需同時(shí)兼顧先進(jìn)性與兼容性的原則；第二，可靠性是衡量安防系統(tǒng)是否有效的最基本原則，因此需要建立重要安防設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接及線路等的冗余備份，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)的災(zāi)難恢復(fù)機(jī)制；第三，考慮到校園監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的增加及后續(xù)安防系統(tǒng)的不斷完善，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮可擴(kuò)展性原則，如預(yù)留一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬等；第四，安防系統(tǒng)應(yīng)確保其安全性，通過(guò)系統(tǒng)的物理隔離及設(shè)置合理的不同用戶管理權(quán)限，降低黑客攻擊的可能；第五，安防系統(tǒng)管理界面應(yīng)滿足易操作原則，通過(guò)設(shè)計(jì)可視化人機(jī)操作界面降低對(duì)安保人員的操作要求[6-7]。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 校園安防系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，校園安防系統(tǒng)主要由防火報(bào)警子系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、門(mén)禁管理子系統(tǒng)等組成。其中數(shù)據(jù)感知層是安防系統(tǒng)的最基層，包含了無(wú)線感應(yīng)器、射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)及攝像頭等數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧濃度、溫度、用戶信息及視頻圖像信息等的采集；網(wǎng)絡(luò)層則由有線或無(wú)線校園網(wǎng)絡(luò)及ZigBee網(wǎng)組成，主要接收從數(shù)據(jù)感知層傳遞的數(shù)據(jù)信息并傳送到應(yīng)用層，同時(shí)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)用戶與應(yīng)用層之間的聯(lián)系；應(yīng)用層主要對(duì)從網(wǎng)絡(luò)層接收到的不同類型信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分析、整理并進(jìn)行判斷，傳送到用戶層，并可對(duì)用戶層發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)處理；用戶層包含電腦、手機(jī)等客戶端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用接口。

1.3 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低復(fù)雜度和低速率的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及2.4G ISM頻段的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其技術(shù)思想最初啟發(fā)于由蜜蜂定位花粉位置時(shí)通過(guò)其ZigZag形舞蹈向同伴傳遞信息的方式。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)各設(shè)備作用的不同可分為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，也可接收從網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的控制指令；路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、消息傳輸、允許其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)它接入到網(wǎng)絡(luò)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立、維持及管理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址等。

ZigBee技術(shù)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境及參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能預(yù)警，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可自行組織形成無(wú)線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)。

1.4 RFID技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things”。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無(wú)需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別(RFID)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。

RFID又稱電子標(biāo)簽、無(wú)線射頻識(shí)別等，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要由識(shí)卡器、電子標(biāo)簽(又稱應(yīng)答器)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部份所組成，其工作原理是識(shí)卡器發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動(dòng)應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí)識(shí)卡器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。RFID射頻識(shí)別通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、遠(yuǎn)距離目標(biāo)識(shí)別、抗潮濕、抗灰塵及抗煙霧，操作快捷方便。

2 校園安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 防火報(bào)警子系統(tǒng)

防火報(bào)警子系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對(duì)于有線傳輸方式，具有低功耗、低成本、延時(shí)短及組網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)[8-9]。圖2顯示了防火報(bào)警子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在感知層，主要采用溫度和煙霧濃度傳感器檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)溫度和煙霧濃度信息，并匯總到ZigBee協(xié)調(diào)器中，通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與防火報(bào)警系統(tǒng)的信息交互，當(dāng)系統(tǒng)判定可能造成火災(zāi)或已出現(xiàn)火災(zāi)事件時(shí)，防火報(bào)警系統(tǒng)迅速發(fā)出相應(yīng)操作指令，如啟動(dòng)報(bào)警器和噴淋器等。此外，防火報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)校園網(wǎng)及Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，還具有實(shí)時(shí)火災(zāi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、煙霧及溫度數(shù)據(jù)顯示、歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)查詢等功能。

2.2 智能視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控中由于海量圖像信息依靠人工實(shí)時(shí)監(jiān)看，效率低下，且往往存在監(jiān)而不控的現(xiàn)象。智能視頻監(jiān)控中利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，即在圖像與圖像描述間建立關(guān)系，從而使計(jì)算機(jī)代替人工完成實(shí)時(shí)監(jiān)視任務(wù)，且在海量視頻數(shù)據(jù)中自動(dòng)分析和抽取視頻源中關(guān)鍵信息，快速搜索目標(biāo)及事件[10-12]。

根據(jù)校園特點(diǎn)，需要對(duì)校園的教室、食堂、道路、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所等學(xué)生密集處、校園出入口、物品看護(hù)、室內(nèi)煙火及人員異常行為等實(shí)施智能監(jiān)控。

圖2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由視頻監(jiān)控點(diǎn)、信息交互所需的網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控平臺(tái)及用戶監(jiān)控中心組成，視頻監(jiān)控點(diǎn)模塊將攝像頭采集的視頻和音頻信息經(jīng)過(guò)智能分析，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控平臺(tái)(實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、提取等)和視頻監(jiān)控中心(實(shí)現(xiàn)預(yù)警事件的判斷和報(bào)警、已發(fā)生可疑事件的迅速定位和處理及指定視頻圖像的顯示等)。

圖3 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中由于引入智能分析設(shè)備及智能客戶端，相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)控方式，可實(shí)現(xiàn)：(1) 更主動(dòng)地監(jiān)控，及時(shí)對(duì)可疑事件進(jìn)行提前預(yù)警；(2)更全面持續(xù)地監(jiān)控，計(jì)算機(jī)代替人工實(shí)現(xiàn)對(duì)所有接入視頻的實(shí)時(shí)處理，不只限于監(jiān)控墻上顯示的視頻，且克服了人工長(zhǎng)時(shí)監(jiān)控容易疲倦的不足；(3) 更有效地監(jiān)控，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)視頻數(shù)據(jù)關(guān)鍵信息的分析，僅將可疑視頻信息進(jìn)行報(bào)警并提交給安防人員，安防人員進(jìn)一步對(duì)該信息進(jìn)行確認(rèn)和處理；(4)更強(qiáng)大地監(jiān)控，系統(tǒng)除了采集分析視頻圖像關(guān)鍵信息，還對(duì)敏感音頻信息(如“救命”等)進(jìn)行采集和診斷，且系統(tǒng)功能應(yīng)用多樣化，不僅可實(shí)現(xiàn)可疑事件、火災(zāi)等的監(jiān)控，人臉識(shí)別及學(xué)校進(jìn)出口車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別也屬于智能視頻監(jiān)控的范疇。

2.3 門(mén)禁子系統(tǒng)

門(mén)禁管理子系統(tǒng)主要由RFID卡、RFID讀卡器、門(mén)禁控制和門(mén)禁管理組成，如圖4所示。

圖4 門(mén)禁子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID卡內(nèi)保存了不同類型用戶如教師、學(xué)生及校外協(xié)作單位人員的信息及其權(quán)限，對(duì)臨時(shí)出入學(xué)校人員發(fā)放臨時(shí)出如RFID卡，對(duì)不同用戶RFID卡，其內(nèi)信息、權(quán)限及外觀均應(yīng)在設(shè)計(jì)上有所區(qū)別。此外RFID卡還應(yīng)同時(shí)考慮遠(yuǎn)距離及近距離非接觸感應(yīng)需求，如攜帶RFID卡的教職工出入辦公場(chǎng)所時(shí)，在遠(yuǎn)距離自動(dòng)被門(mén)禁系統(tǒng)感應(yīng)并保存其出入信息。

RFID讀卡器可安裝在學(xué)校圖書(shū)館、辦公樓、教學(xué)樓、宿舍及學(xué)校出入通道處，通過(guò)讀取用戶RFID卡內(nèi)信息及其權(quán)限，傳送到門(mén)禁控制端，門(mén)禁控制端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層門(mén)禁管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息進(jìn)行匹配分析，傳送指令到門(mén)禁控制系統(tǒng)，門(mén)禁控制端據(jù)此進(jìn)行該門(mén)禁放行與否的操作。

門(mén)禁控制主要讀取RFID讀卡器獲得的用戶信息并傳送到門(mén)禁管理系統(tǒng)，另一方面，接收門(mén)禁管理傳送來(lái)的指令并執(zhí)行信息顯示、放行及關(guān)閉通道等操作。

門(mén)禁管理系統(tǒng)中一方面保存門(mén)禁出入人員及出入時(shí)間等信息；另一方面，對(duì)為攜帶RFID卡用戶、非法闖入及超時(shí)逗留等異常情況進(jìn)行及時(shí)提醒及警示，并對(duì)人員進(jìn)入其無(wú)權(quán)限區(qū)域進(jìn)行警告。

對(duì)于非RFID人員門(mén)禁尾隨他人進(jìn)入或在敏感區(qū)域滯留等情況，則需將門(mén)禁系統(tǒng)與視頻監(jiān)控信息相結(jié)合進(jìn)行事件檢測(cè)和判斷，并對(duì)門(mén)禁尾隨和非權(quán)限敏感區(qū)域滯留事件一旦發(fā)現(xiàn)即刻報(bào)警。

3 結(jié)論

本文針對(duì)智慧校園安防系統(tǒng)總體方案及其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究，充分考慮安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及發(fā)展趨勢(shì)，充分利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)校園安防的智能性、快速性、有效性及安全性，克服了以往安防系統(tǒng)僅停留在“安”的不足，兼顧了事先“預(yù)防”的需求。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

Research of the Intelligent Campus Security System Based on Zigbee and RFID Technologies

WANG Hua-de1, WANG Ming-guang2, MO Li-hong3

(1. Security Department, Nanjing Audit University, Nanjing 211815, China; 2. Institute of Material Evidence Identification, Huai'an Municipal Public Security Bureau, Huai'an Jiangsu 223003, China; 3. Faculty of Automation, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

In order to achieve the implementation of campus security system and the combination of safety and precaution, and to improve the system early warning, quick-response during the events, and correct inquiry after the events, a campus security system based on Zigbee wireless communication and radio frequency identification technology is proposed. The ZigBee wireless fire alarm system, RFID access control system, intelligent video surveillance system and their implementation method are introduced, which provide a valid technical support for the intelligent campus security.

campus security; EPC network; radio frequency identification access control systems; intelligent video surveillance system

2016-07-23

王華德(1972-)，男，安徽安慶人，主要從事高校治安管理與技術(shù)研究。

TP393

A

1009-7961(2016)05-0015-0004