基于WSN的校园安防系统研究设计

2018-10-17潘晓贝

网络安全技术与应用 2018年10期

◆潘晓贝

基于WSN的校园安防系统研究设计

◆潘晓贝

(三门峡职业技术学院电气工程学院河南 472000)

基于无线传感网络，将ZigBee无线传输技术、ARM嵌入式技术和Wi-Fi网络技术相结合，研究设计了基于无线传感网络的校园安防系统。该系统利用多种传感器进行各种事件信息的采集并传输至主控中心，以实现对各种事件的实时监测，并通过Wi-Fi将事件信息传输至校园安保部门的计算机，从而有效提高校园安防能力。

无线传感网络；校园安防；ZigBee；Wi-Fi

0 引言

校园安全一直是全社会极为关注的事情。校园的宿舍、食堂、实验室、机房等区域一直是火灾、偷盗等险情的重点预防区。另外，随着时代的发展和社会的进步，校园尤其是高校校园与外界的联系越来越紧密，这又为校园安防带来了新的挑战。本文研究设计基于WSN的校园安防系统，利用无线传感网络和ARM嵌入式技术实现火情报警、防盗报警、视频监控一体化，提高校园安防能力，对促进平安校园的建设具有积极的意义［1］。

1 系统关键技术

1.1 无线传感网络技术及其体系结构

无线传感网络（Wireless Sensor Network,WSN）是由很多微小节点构成的网络，这些微小节点集成有传感器模块、数据处理模块、通信模块,能够自组织实现大规模、无线、无分区、无基础设施支持的网络，通过多跳方式实现短距离、低功率无线通信。无线传感网络技术综合了计算机技术、传感器技术、微电子机械系统（Micro-Electron Mechanical System,MEMS）、网络技术、无线通信技术、信息处理技术等,内容涉及网络、计算机、通信、微电子、传感器、信号处理等多个领域。目前无线传感网络已经越来越受到广泛关注，并在国防军事、环境监测、医疗卫生、交通管理、工业制造、反恐救灾等很多领域有着广阔的应用前景。

无线传感网络系统由大量廉价的部署在检测区域内的传感器节点组成，通过无线通信方式组成一个自组织、多跳网络，各个传感器节点互相协作进行检测区域内各种数据信息的采集、处理和转发，转发至汇聚节点，然后再经过卫星或互联网发送到用户端。无线传感网络体系结构如图1所示。

图1 无线传感网络体系结构

无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。从本质上说，无线传感器节点大多为网络化的微型嵌入式设备，具有低功耗、低成本、小体积、短距离传输的特点。由于各节点之间传输距离有限，可通过多跳路由中转的方式访问超过节点覆盖范围的节点[2]。在无线传感网络中，传感器节点有终端釆集节点和路由器节点，终端采集节点的作用是采集监控区域内的环境因子，路由器节点的作用是对终端采集节点发送过来的数据信息进行处理和中转。汇聚节点的存储能力、数据处理能力、通信能力都较强，它是无线传感网络和外部网络（互联网或卫星）的连接桥梁，由它来发送具体任务给个传感器节点，同时它还要把汇聚的数据信息发送给互联网或卫星等外部网络；此外，汇聚节点还有一个主要任务是完成不同通信协议之间的转换。

1.2 基于无线传感网络（WSN）的校园安防系统通信技术选择

当前，应用于无线传感网络的无线通信技术主要有：ZigBee技术和Bluetooth技术（蓝牙）、红外等。Bluetooth技术成本低、使用便捷，但协议栈复杂、安全性低；新兴ZigBee通信技术节点容量大、带宽小、功耗极低、寿命长、成本低。Bluetooth技术适用于手机语音、耳机业务等音频、视频文件传输和数字交互式娱乐应用场合；ZigBee技术更适合应用在监测或控制等领域，如环境监测、工业自动化控制等大规模网络、数据业务量较小、实时性强的应用场合。目前，ZigBee技术是多数研究者普遍认为的最适合无线传感网络的无线通信技术[3]。

本文研究的基于无线传感网络的校园安防系统中，需要大量的无线传感网络节点，这些节点由电池供电，需要在低功耗模式时处于休眠状态，以节省电池电量。因此，从几种典型无线通信技术比较来看，ZigBee技术低成本、低速率、低功耗、短距离的特点非常符合基于无线传感网络校园安防系统的要求，故本系统选用ZigBee技术作为基于无线传感网络的校园安防系统的无线通信方式。

1.3 ZigBee技术

图2 ZigBee协议栈结构

图3 ZigBee网络拓扑结构

2 系统结构

2.1 系统功能

本系统设计的基于WSN的校园安防系统能够实现火灾自动报警、盗窃等非法入室自动报警，并能够对校园主要道路和宿舍、实验室、教室等重要场所出入口进行实时视频监控。火情报警、防盗报警、视频监控相互之间能够智能联动、实现一体化，有效减少漏报、误报。

2.2 系统总体结构

根据本文设计的基于WSN的校园安防系统实现的功能，确定本系统的整体框架结构，如图4所示。整个系统分为四个模块，第一部分是主控模块，这是硬件系统的核心，整个系统的控制功能都是由主控模块实现的，主控模块的核心就是 STM32 单片机。第二部分是电源模块，电源模块对整个系统进行供电，以保证系统正常工作。第三部分是ZigBee无线传感模块，本系统通过在宿舍、实验室、教室食堂、图书馆等重点区域安装火灾烟雾传感器采集火情信息，同时在宿舍楼安装人体红外传感器、在宿舍和实验室等重要区域安装门窗磁传感器防止非法入侵和偷盗，并在校园主要道路和宿舍、实验室、教室、图书馆、食堂等重要场所出入口安装监控摄像头实时监控，利用ZigBee无线传输技术将各类传感器组成无线传感网络，保证将采集到的事件信息发送到主控中心。第四部分是 Wi-Fi 模块，此无线Wi-Fi传输模块与主控STM32单片机是通过串口连接，将无线信号转换成串口信号，实现数据在无线网络中的传输，以保证将传感器采集到的时间信息通过Wi-Fi发送至校园安保部门的计算机。

3 系统设计实现

3.1 主控芯片选择

本文设计的校园安防系统，要求能够实现校园火情、偷盗等意外事件的监控、预警、报警，需要一款单片机能够实现数据传输、缓存以及提供足够的接口。结合系统需求以及市场上常见的 MCU，本系统选意法半导体公司的STM32F103RBT6作为核心芯片，此芯片资源丰富，集成度高，功能强。该核心芯片包含 20K SRAM、128K FLASH 以及不同功能的定时器、DMA 控制器、12 位 ADC和 12 位 DAC 以及通用接口等其他资源。此款 ARM芯片资源丰富，具有很好的实时性能和功耗控制，故将其作为本文设计的校园安防系统的核心控制芯片。

图4 系统整体结构框图

3.2 Wi-Fi 部分电路设计

现如今，很多校园已经实现Wi-Fi全覆盖，它可以把PC机等终端设备连接到网络。市面上的Wi-Fi模块有很多种类，本系统选择海凌科有限公司的第三代嵌入式Uart-Wi-Fi模块：HLK-WIFI-M03。该模块内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。[5]HLK-WIFI-M03与主控芯片STM32的连接如图 5所示，本系统中部分未使用的WIFI模块功能引脚未画出。

图5 WIFI-M03 模块与主控芯片STM32的连接

3.3 ZigBee无线传感模块设计

（1）ZigBee模块的选型

（2）火灾烟雾检测传感器模块

校园中，宿舍、食堂、实验室都是火灾重点防范区。本系统中选择烟雾传感器 MQ-2 监测环境中的火情，此 MQ-2传感器具有灵敏度高、可靠稳定等特性，使用的原材料是二氧化锡，传感器的电导率和空气中可燃气体烟雾浓度是正相关关系[6]。MQ-2传感器对烟雾异常敏感，用它能实现火灾烟雾的检测。当检测到有火情时，系统就触发报警。

（3）人体红外传感器模块

本系统选用HC-SR501人体红外传感器，该传感器利用红外线技术实现宿舍不法分子非法进入的检测并报警。该模块工作电压范围宽（直流4.5V-20V之间）；功耗很低很节能；触发方式灵活；有温度补偿功能可以解决温度升高引起的检测距离缩短的问题。最重要的是该模块能实现自动感应，有人非法进入时输出高电平信号，有人离开感应区间或感应区域内无人进入时输出低电平。

（4）门窗磁检测模块

门窗磁检测模块的工作原理是：干簧管相当于磁敏开关，磁铁能控制干簧管的开与合，进而控制传感器电路电平的高低。比如，当门窗关闭时，磁铁接近干簧管，簧片被磁铁磁化，干簧管的动合触点接通，干簧管电路接通，传感器电路为低电平；反之，为高电平。门窗磁传感器与CC2530的 P0_6 引脚相连，通过CC2530的P0口的电平高低就可以知道门窗的开合状态。当门窗被不正常打开时系统传输数据的同时触发报警。

（5）视频监控模块

视频监控技术当前已经较为成熟。该系统利用智能监控系统，包括图像处理、和模式识别。增加的智能视频分析电路通过自动识别能够滤除干扰和无用视频，并提取出关键视频信息，判断出视频中的异常事件，迅速做出精准定位。快速触发报警和相关动作，实现智能化的实时监控处理。

3.4 电源电路

系统主控芯片 STM32 F103RBT6要求3.3V供电，传感器模块需要5V供电，故本系统电源部分设计了3.3V电源电路和5V电源电路。3.3V电源电路由两个LM317三端集成稳压器及其外围电路将12V电压转换为3.3V电压输出；5V 电源电路选用了直流/直流转换器2359芯片，输入12V直流电压，提供5V的直流输出电压。