王華德，王明廣，莫麗紅

(1. 南京審計大學 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. 淮陰工學院 自動化學院，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. 南京審計大學 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. 淮陰工學院 自動化學院，江蘇 淮安 223003)

為了實現(xiàn)校園安防系統(tǒng)“智能化”及“安防”結合，提高安防系統(tǒng)事前預警、事中快速響應、事后準確查詢的性能，提出采用ZigBee無線通信技術和射頻識別RFID技術的智慧校園安防系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)中ZigBee無線火災預警、RFID門禁系統(tǒng)及智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理及其實現(xiàn)方式分別進行了介紹，成為智慧校園安防工作的有效技術支撐。

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

0 引言

隨著大學校園的擴建，校園內建筑物的多樣性、學生數(shù)量的增加及校內人員組成的復雜性，導致近年來部分高校校園內盜竊、暴力事件及火災等校園事故有所增加。2015年12月18日，清華大學化學系一實驗樓發(fā)生火災事故，造成一名博士后研究人員死亡；僅2014年至2015年間全國高?！八奚帷被馂氖鹿室褕蟮赖木陀?0余起，火災發(fā)生原因有線路短路、手機及用電設備操作不當?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年東莞某職業(yè)技術學院由于處理不及時，由兩位學生的沖突最終引發(fā)為百余學生群毆事件。為了保護校園內公共財產(chǎn)及學生個人財產(chǎn)安全，保障校內人員的人身安全，在整個校園內構建全面、穩(wěn)定、可靠的安防系統(tǒng)網(wǎng)絡是非常必要的。目前，由于學生對電子產(chǎn)品的廣泛使用，且不同建筑物的功能特點，導致校園火災事故發(fā)生原因趨于復雜多樣，這些均對校園安防系統(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)生后調取視頻進行內容及過程查看，卻不能實現(xiàn)事前預警，且對已發(fā)生事故得以及時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，火災報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等往往是相互獨立，互不關聯(lián)，沒有實現(xiàn)校園安防的信息融合及統(tǒng)一布局，且易造成人員及設備等安防資源的浪費。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術建立智慧校園安防系統(tǒng)，旨在將傳統(tǒng)安防技術與“物物相連”的物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，實現(xiàn)校園安防的智能化。

1 安防系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能需求及遵循的原則

待設計的校園安防系統(tǒng)應實現(xiàn)集成、綜合的校園安全防護作用，在系統(tǒng)設計及工程實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施的需要，系統(tǒng)需同時兼顧先進性與兼容性的原則；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備、網(wǎng)絡連接及線路等的冗余備份，通過合理的系統(tǒng)設計實現(xiàn)安防系統(tǒng)的災難恢復機制；第三，考慮到校園監(jiān)控節(jié)點的增加及后續(xù)安防系統(tǒng)的不斷完善，系統(tǒng)設計時應考慮可擴展性原則，如預留一定的網(wǎng)絡帶寬等；第四，安防系統(tǒng)應確保其安全性，通過系統(tǒng)的物理隔離及設置合理的不同用戶管理權限，降低黑客攻擊的可能；第五，安防系統(tǒng)管理界面應滿足易操作原則，通過設計可視化人機操作界面降低對安保人員的操作要求[6-7]。

1.2 系統(tǒng)總體方案設計

圖1 校園安防系統(tǒng)總體結構

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

1.3 ZigBee技術

ZigBee技術是一種低功耗、低成本、低復雜度和低速率的基于IEEE 802.15.4標準協(xié)議及2.4G ISM頻段的近程無線網(wǎng)絡通信技術，其技術思想最初啟發(fā)于由蜜蜂定位花粉位置時通過其ZigZag形舞蹈向同伴傳遞信息的方式。在ZigBee網(wǎng)絡中根據(jù)各設備作用的不同可分為終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過路由器節(jié)點或協(xié)調器節(jié)點接入網(wǎng)絡，也可接收從網(wǎng)絡通過協(xié)調器節(jié)點傳送來的控制指令；路由器節(jié)點負責路由發(fā)現(xiàn)、消息傳輸、允許其他節(jié)點通過它接入到網(wǎng)絡；協(xié)調器節(jié)點是整個ZigBee網(wǎng)絡的核心，負責建立、維持及管理網(wǎng)絡，分配網(wǎng)絡地址等。

ZigBee技術作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信平臺，可實現(xiàn)對各種環(huán)境及參數(shù)實時監(jiān)控和智能預警，網(wǎng)絡中每個無線傳感器節(jié)點可自行組織形成無線傳感器通信網(wǎng)絡。

1.4 RFID技術

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網(wǎng)絡中，物品(商品)能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預。其實質是利用射頻自動識別(RFID)技術，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。

RFID又稱電子標簽、無線射頻識別等，是一種非接觸式的自動識別技術，主要由識卡器、電子標簽(又稱應答器)及應用軟件系統(tǒng)三個部份所組成，其工作原理是識卡器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應答器，用以驅動應答器電路將內部的數(shù)據(jù)送出，此時識卡器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應用程序做相應的處理。RFID射頻識別通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術優(yōu)勢在于其可實現(xiàn)多目標識別、運動目標識別、遠距離目標識別、抗潮濕、抗灰塵及抗煙霧，操作快捷方便。

2 校園安防系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 防火報警子系統(tǒng)

防火報警子系統(tǒng)采用Zigbee無線網(wǎng)絡技術，相對于有線傳輸方式，具有低功耗、低成本、延時短及組網(wǎng)靈活的優(yōu)點[8-9]。圖2顯示了防火報警子系統(tǒng)結構圖，在感知層，主要采用溫度和煙霧濃度傳感器檢測各節(jié)點溫度和煙霧濃度信息，并匯總到ZigBee協(xié)調器中，通過校園網(wǎng)絡實現(xiàn)與防火報警系統(tǒng)的信息交互，當系統(tǒng)判定可能造成火災或已出現(xiàn)火災事件時，防火報警系統(tǒng)迅速發(fā)出相應操作指令，如啟動報警器和噴淋器等。此外，防火報警系統(tǒng)通過校園網(wǎng)及Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，還具有實時火災數(shù)據(jù)儲存、煙霧及溫度數(shù)據(jù)顯示、歷史火災數(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時監(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)控中利用計算機視覺技術，即在圖像與圖像描述間建立關系，從而使計算機代替人工完成實時監(jiān)視任務，且在海量視頻數(shù)據(jù)中自動分析和抽取視頻源中關鍵信息，快速搜索目標及事件[10-12]。

根據(jù)校園特點，需要對校園的教室、食堂、道路、運動場所等學生密集處、校園出入口、物品看護、室內煙火及人員異常行為等實施智能監(jiān)控。

圖2 火災報警系統(tǒng)結構

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖3所示，主要由視頻監(jiān)控點、信息交互所需的網(wǎng)絡、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控平臺及用戶監(jiān)控中心組成，視頻監(jiān)控點模塊將攝像頭采集的視頻和音頻信息經(jīng)過智能分析，通過網(wǎng)絡將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡視頻監(jiān)控平臺(實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲、提取等)和視頻監(jiān)控中心(實現(xiàn)預警事件的判斷和報警、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)結構

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中由于引入智能分析設備及智能客戶端，相對于傳統(tǒng)監(jiān)控方式，可實現(xiàn)：(1) 更主動地監(jiān)控，及時對可疑事件進行提前預警；(2)更全面持續(xù)地監(jiān)控，計算機代替人工實現(xiàn)對所有接入視頻的實時處理，不只限于監(jiān)控墻上顯示的視頻，且克服了人工長時監(jiān)控容易疲倦的不足；(3) 更有效地監(jiān)控，系統(tǒng)通過對視頻數(shù)據(jù)關鍵信息的分析，僅將可疑視頻信息進行報警并提交給安防人員，安防人員進一步對該信息進行確認和處理；(4)更強大地監(jiān)控，系統(tǒng)除了采集分析視頻圖像關鍵信息，還對敏感音頻信息(如“救命”等)進行采集和診斷，且系統(tǒng)功能應用多樣化，不僅可實現(xiàn)可疑事件、火災等的監(jiān)控，人臉識別及學校進出口車牌自動識別也屬于智能視頻監(jiān)控的范疇。

2.3 門禁子系統(tǒng)

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

圖4 門禁子系統(tǒng)結構

RFID卡內保存了不同類型用戶如教師、學生及校外協(xié)作單位人員的信息及其權限，對臨時出入學校人員發(fā)放臨時出如RFID卡，對不同用戶RFID卡，其內信息、權限及外觀均應在設計上有所區(qū)別。此外RFID卡還應同時考慮遠距離及近距離非接觸感應需求，如攜帶RFID卡的教職工出入辦公場所時，在遠距離自動被門禁系統(tǒng)感應并保存其出入信息。

RFID讀卡器可安裝在學校圖書館、辦公樓、教學樓、宿舍及學校出入通道處，通過讀取用戶RFID卡內信息及其權限，傳送到門禁控制端，門禁控制端通過網(wǎng)絡層與應用層門禁管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內信息進行匹配分析，傳送指令到門禁控制系統(tǒng)，門禁控制端據(jù)此進行該門禁放行與否的操作。

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

門禁管理系統(tǒng)中一方面保存門禁出入人員及出入時間等信息；另一方面，對為攜帶RFID卡用戶、非法闖入及超時逗留等異常情況進行及時提醒及警示，并對人員進入其無權限區(qū)域進行警告。

對于非RFID人員門禁尾隨他人進入或在敏感區(qū)域滯留等情況，則需將門禁系統(tǒng)與視頻監(jiān)控信息相結合進行事件檢測和判斷，并對門禁尾隨和非權限敏感區(qū)域滯留事件一旦發(fā)現(xiàn)即刻報警。

3 結論

本文針對智慧校園安防系統(tǒng)總體方案及其實現(xiàn)方式進行了研究，充分考慮安防系統(tǒng)設計原則及發(fā)展趨勢，充分利用了物聯(lián)網(wǎng)技術，以實現(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“預防”的需求。

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(責任編輯：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研究。

TP393

A

1009-7961(2016)05-0015-0004