校园网络监控系统的设计

引 言

校园是教育与培养人才的基地，寄托着国家、社会和家庭的希望。维护校园环境的安全，是校园建设的重要目标。针对校园安全突发事件日益增多，确保校园安全更加引起多方面关注。随着数字化校园的产生与发展，为校园安全建设提供了可行的解决方案。

传统的校园监控系统，技术单一且系统不稳定，存在监控漏洞的问题。系统的可靠性、稳定性是现代监控系统的重要参数指标。基于物联网技术的校园网络监控系统，以物联网技术为核心，提供灵活的监控控制，以及随时了解监控系统的参数，及时发现系统故障。突破了传统监控系统在地域及时间上的限制，可以做到真正意义上的分散、集中监控，并且系统稳定性好、可靠性高。随着物联网技术的发展，将RFID（Radio Frequency Identification）射频识别技术、无线传感网络、 ZigBee 定位技术与现有的网络视频监控技术相结合，构成自动化程度高、功能完善的网络监控系统。

1 系统结构设计

系统设计遵循以下原则 ：稳定性、实时性和交互友好性。系统针对多个分散校区设计一个网络监控系统，整个系统主要由三部分组成 ：控制管理中心、监控控制专网和传感器。每个设备通过有线或者无线方式连接到各单元的网关，然后再通过控制专网连接到控制管理中心。图 1所示是校园网络监控系统网络拓扑结构设计。

系统主要功能分为RFID 门禁系统、网络视频监控系统、防火报警系统和电子围栏系统，如图 2 所示。

2 系统技术实现

物联网（The Internet of things）[1]的概念于1990 年提出，现在已经被应用到多个领域。物联网，从字面上理解就是“把各种物体联系在一起的互联网”。它包含了两层意思 ：首先， 物联网仍然是以互联网为核心，但是它进行了技术拓展；其次， 它的终端可以是任意的两个或者多个物体，物体与物体之间可以进行信息的交换和数据的通信 [2]。

物联网技术主要由三层组成 ：感知层、网络层和应用层。其中：感知层包括传感器、二维码、RFID、多媒体设备等数据采集和自组织网络系统 ；网络层包括各种网关和接入网络以及异构网融合、云计算等承载网支撑系统 ；应用层包括信息管理、业务分析管理、服务管理、目录管理等物联网业务中间件和物联网应用子系统。

3 RFID技术

RFID 是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它根据射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID 系统[3,4] 由三部分组成 ：读写器、电子标签和天线，如图 3 所示。另外加上进一步处理数据的应用层软件构成的RFID 系统与相关的管理信息系统相连，可准确跟踪每一个物品。

在本系统中，RFID 技术主要用来身份识别，校园每一位师生都有一张自己的校园卡，该卡中内置了 RFID 电子标签。利用该卡，学校内部人员可以出入一些带有 RFID 门禁系统的场所。对于有些特殊场所，该卡的不同权限使得持有者可以进入不同场所。另外，该卡记录了持有者的校园内活动路径。针对学生作息状况，学校可以制定一些宿舍、教学楼管理措施。RFID 卡不仅用于校园门禁系统，也常常用于校园的考勤管理、图书借阅与消费支付等。

4 无线传感器网络

无线传感器网络 [5-7] 是多学科交叉、高知识度集成的热点研究领域。它是由通过无线通信方式，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，在各传感器节点之间相互传递数据信息，最终实现人与人、人与事物间的互联。

典型的无线传感网络系统包括：分布式传感器节点、Sink 节点、互联网和用户接口这几部分。在无线传感网络中，分布式传感器节点被部署在监控区域内，传感器节点通过自组织网络的方式形成无线网络。传感器节点将采集到的数据进行初步简单处理后，通过多跳中继网络将数据信息经由Sink节点传送到远程控制管理中心。远程控制管理中心同时也可以对各个网络传感器节点进行命令控制。无线传感网络应用十分广泛， 在工业控制、国防工业、灾害监测等方面都有很高的利用价值， 被认为是对本世纪产生重大影响的技术之一，得到了学术界和工业界的高度重视。

5 网络摄像头

网络摄像机是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机，即由网络编码模块和模拟摄像机组合而成。网络摄像头将采集到的数据影像编码压缩成基于TCP/IP标准的网络数据包，再通过网络总线传送至远端。远端影像的浏览， 只需要用网络浏览器访问固定IP地址即可。用户除了可以远程监控之外，授权的用户还可以对网络摄像头进行参数配置以及控制云台对摄像头进行控制。对网络视频监控系统进行设置，系统对于检测到的一些突发紧急情况，可以通过短信、Email多种形式立即发出警报，并且对于危害公共安全和财产安全的违法行为，可以通过与警方报警中心联网实现报警功能。

网络摄像头的出现及应用，对人们的生活及工作产生了重要影响，工业、医疗、教育等行业都充分利用该技术解决行业中的问题。

6 ZibBee技术

ZigBee 是一组基于批准通过 802.15.4 的无线标准研制开发的ZigBee 堆栈。从上往下依次是应用层、应用支持层、网络/ 安全层、MAC 层和物理层。它工作在 2.4 GHz 的ISM 频段上，传输速率为 20 ～250 Kb/s，传输距离为10 ～75 m。

基于ZigBee 技术的校园防火报警与电子围栏系统，效率高、施工简单、成本低。如图 4 所示，在校园防火报警系统中，传感器采用温度传感器、一氧化碳传感器或者延误传感器， 通过单片机控制检测传感器检测到的数据，判断是否有火灾发生或者火灾隐患。数据信息通过ZigBee 无线通信协议传送到路由节点、协调器节点或者计算机控制报警系统。通过有线或者无线的方式将校园防火报警中央系统[8] 与地方消防报警系统连接实现联动。电子围栏主机产生、接收高压脉冲信号， 并在探测到围栏触网或者短路状态下报警，报警信号传送到监控中心，监控中心可以根据报警信号及时确定报警地点并采取相关措施。

ZigBee 技术主要适合于工业控制、远程控制和传感领域。该技术实现了多个微小的传感器之间相互通信。ZigBee 技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定该技术适合于完成传输数据流量小的任务[9,10]。

结 语

基于物联网技术的网络监控系统，为高校校园的安防系统建设提供了根本的解决方案与技术实现。以某高校为系统设计对象，该校已经完成了RFID 系统的建设，实现了门禁管理、图书馆借阅等多项功能。采用网络摄像头对学校部分重要区域及偏僻区域进行了 7*24 小时监控。另外，对已有的安全监控系统和防火报警系统也将进行物联网技术的改造。多个应用方面引入物联网技术，逐步建设一个基于物联网技术的信息化综合监控平台，创造一个稳定、安全的校园环境。