基于WSN的校園安防系統(tǒng)研究設計

◆潘曉貝

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基于WSN的校園安防系統(tǒng)研究設計

◆潘曉貝

(三門峽職業(yè)技術學院電氣工程學院 河南 472000)

基于無線傳感網(wǎng)絡，將ZigBee無線傳輸技術、ARM嵌入式技術和Wi-Fi網(wǎng)絡技術相結合，研究設計了基于無線傳感網(wǎng)絡的校園安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多種傳感器進行各種事件信息的采集并傳輸至主控中心，以實現(xiàn)對各種事件的實時監(jiān)測，并通過Wi-Fi將事件信息傳輸至校園安保部門的計算機，從而有效提高校園安防能力。

無線傳感網(wǎng)絡；校園安防；ZigBee；Wi-Fi

0 引言

校園安全一直是全社會極為關注的事情。校園的宿舍、食堂、實驗室、機房等區(qū)域一直是火災、偷盜等險情的重點預防區(qū)。另外，隨著時代的發(fā)展和社會的進步，校園尤其是高校校園與外界的聯(lián)系越來越緊密，這又為校園安防帶來了新的挑戰(zhàn)。本文研究設計基于WSN的校園安防系統(tǒng)，利用無線傳感網(wǎng)絡和ARM嵌入式技術實現(xiàn)火情報警、防盜報警、視頻監(jiān)控一體化，提高校園安防能力，對促進平安校園的建設具有積極的意義［1］。

1 系統(tǒng)關鍵技術

1.1 無線傳感網(wǎng)絡技術及其體系結構

無線傳感網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network,WSN）是由很多微小節(jié)點構成的網(wǎng)絡，這些微小節(jié)點集成有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊,能夠自組織實現(xiàn)大規(guī)模、無線、無分區(qū)、無基礎設施支持的網(wǎng)絡，通過多跳方式實現(xiàn)短距離、低功率無線通信。無線傳感網(wǎng)絡技術綜合了計算機技術、傳感器技術、微電子機械系統(tǒng)（Micro-Electron Mechanical System,MEMS）、網(wǎng)絡技術、無線通信技術、信息處理技術等,內(nèi)容涉及網(wǎng)絡、計算機、通信、微電子、傳感器、信號處理等多個領域。目前無線傳感網(wǎng)絡已經(jīng)越來越受到廣泛關注，并在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、交通管理、工業(yè)制造、反恐救災等很多領域有著廣闊的應用前景。

無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)由大量廉價的部署在檢測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式組成一個自組織、多跳網(wǎng)絡，各個傳感器節(jié)點互相協(xié)作進行檢測區(qū)域內(nèi)各種數(shù)據(jù)信息的采集、處理和轉發(fā)，轉發(fā)至匯聚節(jié)點，然后再經(jīng)過衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到用戶端。無線傳感網(wǎng)絡體系結構如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡體系結構

無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。從本質(zhì)上說，無線傳感器節(jié)點大多為網(wǎng)絡化的微型嵌入式設備，具有低功耗、低成本、小體積、短距離傳輸?shù)奶攸c。由于各節(jié)點之間傳輸距離有限，可通過多跳路由中轉的方式訪問超過節(jié)點覆蓋范圍的節(jié)點[2]。在無線傳感網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點有終端釆集節(jié)點和路由器節(jié)點，終端采集節(jié)點的作用是采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因子，路由器節(jié)點的作用是對終端采集節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息進行處理和中轉。匯聚節(jié)點的存儲能力、數(shù)據(jù)處理能力、通信能力都較強，它是無線傳感網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡（互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星）的連接橋梁，由它來發(fā)送具體任務給個傳感器節(jié)點，同時它還要把匯聚的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星等外部網(wǎng)絡；此外，匯聚節(jié)點還有一個主要任務是完成不同通信協(xié)議之間的轉換。

1.2 基于無線傳感網(wǎng)絡（WSN）的校園安防系統(tǒng)通信技術選擇

當前，應用于無線傳感網(wǎng)絡的無線通信技術主要有：ZigBee技術和Bluetooth技術（藍牙）、紅外等。Bluetooth技術成本低、使用便捷，但協(xié)議棧復雜、安全性低；新興ZigBee通信技術節(jié)點容量大、帶寬小、功耗極低、壽命長、成本低。Bluetooth技術適用于手機語音、耳機業(yè)務等音頻、視頻文件傳輸和數(shù)字交互式娛樂應用場合；ZigBee技術更適合應用在監(jiān)測或控制等領域，如環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化控制等大規(guī)模網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)業(yè)務量較小、實時性強的應用場合。目前，ZigBee技術是多數(shù)研究者普遍認為的最適合無線傳感網(wǎng)絡的無線通信技術[3]。

本文研究的基于無線傳感網(wǎng)絡的校園安防系統(tǒng)中，需要大量的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，這些節(jié)點由電池供電，需要在低功耗模式時處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省電池電量。因此，從幾種典型無線通信技術比較來看，ZigBee技術低成本、低速率、低功耗、短距離的特點非常符合基于無線傳感網(wǎng)絡校園安防系統(tǒng)的要求，故本系統(tǒng)選用ZigBee技術作為基于無線傳感網(wǎng)絡的校園安防系統(tǒng)的無線通信方式。

1.3 ZigBee技術

圖2 ZigBee協(xié)議棧結構

圖3 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

2 系統(tǒng)結構

2.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)設計的基于WSN的校園安防系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)火災自動報警、盜竊等非法入室自動報警，并能夠?qū)π@主要道路和宿舍、實驗室、教室等重要場所出入口進行實時視頻監(jiān)控?；鹎閳缶?、防盜報警、視頻監(jiān)控相互之間能夠智能聯(lián)動、實現(xiàn)一體化，有效減少漏報、誤報。

2.2 系統(tǒng)總體結構

根據(jù)本文設計的基于WSN的校園安防系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，確定本系統(tǒng)的整體框架結構，如圖4所示。整個系統(tǒng)分為四個模塊，第一部分是主控模塊，這是硬件系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的控制功能都是由主控模塊實現(xiàn)的，主控模塊的核心就是 STM32 單片機。第二部分是電源模塊，電源模塊對整個系統(tǒng)進行供電，以保證系統(tǒng)正常工作。第三部分是ZigBee無線傳感模塊，本系統(tǒng)通過在宿舍、實驗室、教室食堂、圖書館等重點區(qū)域安裝火災煙霧傳感器采集火情信息，同時在宿舍樓安裝人體紅外傳感器、在宿舍和實驗室等重要區(qū)域安裝門窗磁傳感器防止非法入侵和偷盜，并在校園主要道路和宿舍、實驗室、教室、圖書館、食堂等重要場所出入口安裝監(jiān)控攝像頭實時監(jiān)控，利用ZigBee無線傳輸技術將各類傳感器組成無線傳感網(wǎng)絡，保證將采集到的事件信息發(fā)送到主控中心。第四部分是 Wi-Fi 模塊，此無線Wi-Fi傳輸模塊與主控STM32單片機是通過串口連接，將無線信號轉換成串口信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡中的傳輸，以保證將傳感器采集到的時間信息通過Wi-Fi發(fā)送至校園安保部門的計算機。

3 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

3.1 主控芯片選擇

本文設計的校園安防系統(tǒng)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)校園火情、偷盜等意外事件的監(jiān)控、預警、報警，需要一款單片機能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、緩存以及提供足夠的接口。結合系統(tǒng)需求以及市場上常見的 MCU，本系統(tǒng)選意法半導體公司的STM32F103RBT6作為核心芯片，此芯片資源豐富，集成度高，功能強。該核心芯片包含 20K SRAM、128K FLASH 以及不同功能的定時器、DMA 控制器、12 位 ADC和 12 位 DAC 以及通用接口等其他資源。此款 ARM芯片資源豐富，具有很好的實時性能和功耗控制，故將其作為本文設計的校園安防系統(tǒng)的核心控制芯片。

圖4 系統(tǒng)整體結構框圖

3.2 Wi-Fi 部分電路設計

現(xiàn)如今，很多校園已經(jīng)實現(xiàn)Wi-Fi全覆蓋，它可以把PC機等終端設備連接到網(wǎng)絡。市面上的Wi-Fi模塊有很多種類，本系統(tǒng)選擇海凌科有限公司的第三代嵌入式Uart-Wi-Fi模塊：HLK-WIFI-M03。該模塊內(nèi)置無線網(wǎng)絡協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡之間的轉換。[5]HLK-WIFI-M03與主控芯片STM32的連接如圖 5所示，本系統(tǒng)中部分未使用的WIFI模塊功能引腳未畫出。

圖5 WIFI-M03 模塊與主控芯片STM32的連接

3.3 ZigBee無線傳感模塊設計

（1）ZigBee模塊的選型

（2）火災煙霧檢測傳感器模塊

校園中，宿舍、食堂、實驗室都是火災重點防范區(qū)。本系統(tǒng)中選擇煙霧傳感器 MQ-2 監(jiān)測環(huán)境中的火情，此 MQ-2傳感器具有靈敏度高、可靠穩(wěn)定等特性，使用的原材料是二氧化錫，傳感器的電導率和空氣中可燃氣體煙霧濃度是正相關關系[6]。MQ-2傳感器對煙霧異常敏感，用它能實現(xiàn)火災煙霧的檢測。當檢測到有火情時，系統(tǒng)就觸發(fā)報警。

（3）人體紅外傳感器模塊

本系統(tǒng)選用HC-SR501人體紅外傳感器，該傳感器利用紅外線技術實現(xiàn)宿舍不法分子非法進入的檢測并報警。該模塊工作電壓范圍寬（直流4.5V-20V之間）；功耗很低很節(jié)能；觸發(fā)方式靈活；有溫度補償功能可以解決溫度升高引起的檢測距離縮短的問題。最重要的是該模塊能實現(xiàn)自動感應，有人非法進入時輸出高電平信號，有人離開感應區(qū)間或感應區(qū)域內(nèi)無人進入時輸出低電平。

（4）門窗磁檢測模塊

門窗磁檢測模塊的工作原理是：干簧管相當于磁敏開關，磁鐵能控制干簧管的開與合，進而控制傳感器電路電平的高低。比如，當門窗關閉時，磁鐵接近干簧管，簧片被磁鐵磁化，干簧管的動合觸點接通 ，干簧管電路接通，傳感器電路為低電平；反之，為高電平。門窗磁傳感器與CC2530的 P0_6 引腳相連，通過CC2530的P0口的電平高低就可以知道門窗的開合狀態(tài)。當門窗被不正常打開時系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的同時觸發(fā)報警。

（5）視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控技術當前已經(jīng)較為成熟。該系統(tǒng)利用智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括圖像處理、和模式識別。增加的智能視頻分析電路通過自動識別能夠濾除干擾和無用視頻，并提取出關鍵視頻信息，判斷出視頻中的異常事件，迅速做出精準定位?？焖儆|發(fā)報警和相關動作，實現(xiàn)智能化的實時監(jiān)控處理。

3.4 電源電路

系統(tǒng)主控芯片 STM32 F103RBT6要求3.3V供電，傳感器模塊需要5V供電，故本系統(tǒng)電源部分設計了3.3V電源電路和5V電源電路。3.3V電源電路由兩個LM317三端集成穩(wěn)壓器及其外圍電路將12V電壓轉換為3.3V電壓輸出；5V 電源電路選用了直流/直流轉換器2359芯片，輸入12V直流電壓，提供5V的直流輸出電壓。

4 結束語

基于WSN的校園安防系統(tǒng)綜合運用了當下流行的ZigBee無線傳輸技術、ARM技術和Wi-Fi網(wǎng)絡技術，可大大減少校園危險事件的發(fā)生，極大地降低損失和不良影響，使校園安防更加智能化[7]，為平安校園的建設作出了有益的嘗試。

[1]薛瑋，邱實等.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校校園安防系統(tǒng)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2017.

[2]李曉維.無線傳感器網(wǎng)絡技術[M].北京:北京理工大學出版社，2011.

[3]張興偉.基于WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[D].鄭州:鄭州大學，2013.

[4]酈亮.IEEE802.15.4 標準及其應用[J].電子設計應用，2003．

[5]張旭東.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防檢測系統(tǒng)設計[D].大慶:東北石油大學，2015.

[6]劉暢.物聯(lián)智能家居家庭安防系統(tǒng).[D].武漢:武漢工程大學，2014.

[7]周江迪.基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)結構設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2017.