校園網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計

引 言

校園是教育與培養(yǎng)人才的基地，寄托著國家、社會和家庭的希望。維護校園環(huán)境的安全，是校園建設的重要目標。針對校園安全突發(fā)事件日益增多，確保校園安全更加引起多方面關注。隨著數(shù)字化校園的產(chǎn)生與發(fā)展，為校園安全建設提供了可行的解決方案。

傳統(tǒng)的校園監(jiān)控系統(tǒng)，技術單一且系統(tǒng)不穩(wěn)定，存在監(jiān)控漏洞的問題。系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性是現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的重要參數(shù)指標?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的校園網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心，提供靈活的監(jiān)控控制，以及隨時了解監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。突破了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在地域及時間上的限制，可以做到真正意義上的分散、集中監(jiān)控，并且系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，將RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術、無線傳感網(wǎng)絡、 ZigBee 定位技術與現(xiàn)有的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控技術相結合，構成自動化程度高、功能完善的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)設計遵循以下原則 ：穩(wěn)定性、實時性和交互友好性。系統(tǒng)針對多個分散校區(qū)設計一個網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要由三部分組成 ：控制管理中心、監(jiān)控控制專網(wǎng)和傳感器。每個設備通過有線或者無線方式連接到各單元的網(wǎng)關，然后再通過控制專網(wǎng)連接到控制管理中心。圖 1所示是校園網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構設計。

系統(tǒng)主要功能分為RFID 門禁系統(tǒng)、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防火報警系統(tǒng)和電子圍欄系統(tǒng)，如圖 2 所示。

2 系統(tǒng)技術實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）[1]的概念于1990 年提出，現(xiàn)在已經(jīng)被應用到多個領域。物聯(lián)網(wǎng)，從字面上理解就是“把各種物體聯(lián)系在一起的互聯(lián)網(wǎng)”。它包含了兩層意思 ：首先， 物聯(lián)網(wǎng)仍然是以互聯(lián)網(wǎng)為核心，但是它進行了技術拓展；其次， 它的終端可以是任意的兩個或者多個物體，物體與物體之間可以進行信息的交換和數(shù)據(jù)的通信 [2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術主要由三層組成 ：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。其中：感知層包括傳感器、二維碼、RFID、多媒體設備等數(shù)據(jù)采集和自組織網(wǎng)絡系統(tǒng) ；網(wǎng)絡層包括各種網(wǎng)關和接入網(wǎng)絡以及異構網(wǎng)融合、云計算等承載網(wǎng)支撐系統(tǒng) ；應用層包括信息管理、業(yè)務分析管理、服務管理、目錄管理等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務中間件和物聯(lián)網(wǎng)應用子系統(tǒng)。

3 RFID技術

RFID 是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術。它根據(jù)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。RFID 系統(tǒng)[3,4] 由三部分組成 ：讀寫器、電子標簽和天線，如圖 3 所示。另外加上進一步處理數(shù)據(jù)的應用層軟件構成的RFID 系統(tǒng)與相關的管理信息系統(tǒng)相連，可準確跟蹤每一個物品。

在本系統(tǒng)中，RFID 技術主要用來身份識別，校園每一位師生都有一張自己的校園卡，該卡中內(nèi)置了 RFID 電子標簽。利用該卡，學校內(nèi)部人員可以出入一些帶有 RFID 門禁系統(tǒng)的場所。對于有些特殊場所，該卡的不同權限使得持有者可以進入不同場所。另外，該卡記錄了持有者的校園內(nèi)活動路徑。針對學生作息狀況，學?？梢灾贫ㄒ恍┧奚?、教學樓管理措施。RFID 卡不僅用于校園門禁系統(tǒng)，也常常用于校園的考勤管理、圖書借閱與消費支付等。

4 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡 [5-7] 是多學科交叉、高知識度集成的熱點研究領域。它是由通過無線通信方式，并以自組織多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端，在各傳感器節(jié)點之間相互傳遞數(shù)據(jù)信息，最終實現(xiàn)人與人、人與事物間的互聯(lián)。

典型的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)包括：分布式傳感器節(jié)點、Sink 節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶接口這幾部分。在無線傳感網(wǎng)絡中，分布式傳感器節(jié)點被部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點通過自組織網(wǎng)絡的方式形成無線網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)進行初步簡單處理后，通過多跳中繼網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)信息經(jīng)由Sink節(jié)點傳送到遠程控制管理中心。遠程控制管理中心同時也可以對各個網(wǎng)絡傳感器節(jié)點進行命令控制。無線傳感網(wǎng)絡應用十分廣泛， 在工業(yè)控制、國防工業(yè)、災害監(jiān)測等方面都有很高的利用價值， 被認為是對本世紀產(chǎn)生重大影響的技術之一，得到了學術界和工業(yè)界的高度重視。

5 網(wǎng)絡攝像頭

網(wǎng)絡攝像機是一種結合傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡技術所產(chǎn)生的新一代攝像機，即由網(wǎng)絡編碼模塊和模擬攝像機組合而成。網(wǎng)絡攝像頭將采集到的數(shù)據(jù)影像編碼壓縮成基于TCP/IP標準的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，再通過網(wǎng)絡總線傳送至遠端。遠端影像的瀏覽， 只需要用網(wǎng)絡瀏覽器訪問固定IP地址即可。用戶除了可以遠程監(jiān)控之外，授權的用戶還可以對網(wǎng)絡攝像頭進行參數(shù)配置以及控制云臺對攝像頭進行控制。對網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行設置，系統(tǒng)對于檢測到的一些突發(fā)緊急情況，可以通過短信、Email多種形式立即發(fā)出警報，并且對于危害公共安全和財產(chǎn)安全的違法行為，可以通過與警方報警中心聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)報警功能。

網(wǎng)絡攝像頭的出現(xiàn)及應用，對人們的生活及工作產(chǎn)生了重要影響，工業(yè)、醫(yī)療、教育等行業(yè)都充分利用該技術解決行業(yè)中的問題。

6 ZibBee技術

ZigBee 是一組基于批準通過 802.15.4 的無線標準研制開發(fā)的ZigBee 堆棧。從上往下依次是應用層、應用支持層、網(wǎng)絡/ 安全層、MAC 層和物理層。它工作在 2.4 GHz 的ISM 頻段上，傳輸速率為 20 ～250 Kb/s，傳輸距離為10 ～75 m。

基于ZigBee 技術的校園防火報警與電子圍欄系統(tǒng)，效率高、施工簡單、成本低。如圖 4 所示，在校園防火報警系統(tǒng)中，傳感器采用溫度傳感器、一氧化碳傳感器或者延誤傳感器， 通過單片機控制檢測傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，判斷是否有火災發(fā)生或者火災隱患。數(shù)據(jù)信息通過ZigBee 無線通信協(xié)議傳送到路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點或者計算機控制報警系統(tǒng)。通過有線或者無線的方式將校園防火報警中央系統(tǒng)[8] 與地方消防報警系統(tǒng)連接實現(xiàn)聯(lián)動。電子圍欄主機產(chǎn)生、接收高壓脈沖信號， 并在探測到圍欄觸網(wǎng)或者短路狀態(tài)下報警，報警信號傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以根據(jù)報警信號及時確定報警地點并采取相關措施。

ZigBee 技術主要適合于工業(yè)控制、遠程控制和傳感領域。該技術實現(xiàn)了多個微小的傳感器之間相互通信。ZigBee 技術的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定該技術適合于完成傳輸數(shù)據(jù)流量小的任務[9,10]。

結 語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，為高校校園的安防系統(tǒng)建設提供了根本的解決方案與技術實現(xiàn)。以某高校為系統(tǒng)設計對象，該校已經(jīng)完成了RFID 系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)了門禁管理、圖書館借閱等多項功能。采用網(wǎng)絡攝像頭對學校部分重要區(qū)域及偏僻區(qū)域進行了 7*24 小時監(jiān)控。另外，對已有的安全監(jiān)控系統(tǒng)和防火報警系統(tǒng)也將進行物聯(lián)網(wǎng)技術的改造。多個應用方面引入物聯(lián)網(wǎng)技術，逐步建設一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的信息化綜合監(jiān)控平臺，創(chuàng)造一個穩(wěn)定、安全的校園環(huán)境。