田豐

（貴州商學院，貴州貴陽，550025）

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和社會的快速進步，我國的教育事業(yè)在近幾年也得到了快速發(fā)展。在中央提出“智慧城市”、“節(jié)約型社會”的號召下，建設(shè)“智慧校園”和“節(jié)約型校園”的工作正式提上歷史日程。近些年，隨著高等院校逐年擴招，學生數(shù)量和教學樓的數(shù)量也越來越多，如何解決電能消耗、校園火災(zāi)監(jiān)控和人員出入校園的管理問題成為了智慧校園建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)[1]。做好高校節(jié)能減排、校園火災(zāi)監(jiān)控和平安校園的工作對維護社會穩(wěn)定具有重要作用。

1 無線通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)很多，主要分為兩類：一類是Zigbee、WiFi、藍牙等短距離通信技術(shù)；另一類是NB-IOT和LORa等長距離無線通信技術(shù)。它們或基于傳輸速率、傳輸距離和功耗的特殊要求，或著眼于功能的可擴展性，各有千秋。在物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用中，不僅需要組建短距離的無線傳感網(wǎng)，大多數(shù)時候還需要進行長距離的無線通信。下面就電池壽命、傳輸距離、傳輸速率等角度對幾種常見無線通信技術(shù)進行橫向和縱向?qū)Ρ?，對比結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，Zigbee能夠滿足大面積的布網(wǎng)要求，成本較低，適宜于智慧校園監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)的組建；GPRS通信能夠?qū)崿F(xiàn)與管理系統(tǒng)或者移動終端的即時通信，大大提高信息到達區(qū)域，Zigbee和GPRS兩大通信技術(shù)的結(jié)合將能進一步完善校園監(jiān)測系統(tǒng)的智能化建設(shè)。

圖1 基于Zigbee+GPRS的智慧校園監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

Zigbee技術(shù)集穩(wěn)定性強、組網(wǎng)靈活、易于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展等眾多優(yōu)點于一身。為了讓我們的校園進入到智能化的實時監(jiān)測時代，減少不必要的資源浪費以及人員傷亡，讓校園更加和諧，本文研究并設(shè)計了以CC2530單片機+傳感器模塊+GPRS作為信息傳輸?shù)闹腔坌@監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)能照明、校園火災(zāi)和人員出入三大方面的實時監(jiān)測，確保校園穩(wěn)定安全運行?；赯igbee+GPRS的智慧校園監(jiān)測系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

3 基于ZigBee+GPRS的智慧校園監(jiān)測系統(tǒng)模塊設(shè)計

智慧校園模塊建設(shè)主要建立在Zigbee和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用煙霧傳感器、溫度傳感器、CO傳感器、SO2傳感器監(jiān)測火災(zāi)情況，利用人體紅外傳感器檢測人體情況，以及利用門禁讀寫器和出入口一體機檢測人員出入道閘的情況，然后經(jīng)過管理系統(tǒng)的分析與決策進行統(tǒng)一的管理，大大提高校園管理效率和提升校園安全性?；赯igbee+GPRS的智慧校園監(jiān)測系統(tǒng)主要包含校園火災(zāi)監(jiān)測、照明智能控制[2]、門禁三大子系統(tǒng)。

表1 幾種常見無線通信技術(shù)對比

■3.1 校園火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

校園內(nèi)部一旦出現(xiàn)明火，如果不能有效監(jiān)測與控制，后果將不堪設(shè)想。近幾年來，對高校火災(zāi)事件的報道屢見不鮮，火災(zāi)的發(fā)生不僅嚴重擾亂學校日常的教學秩序，而且?guī)淼娜藛T傷亡和財產(chǎn)損失將為高等教育抹上“黑點”。鑒于大學校園火災(zāi)的多樣性、時段性、時空性等特點，目前的校園火災(zāi)管理模式的時效性越來越差，不能及時預(yù)警校園火災(zāi)，而且在火災(zāi)發(fā)生初期，不能及時告知消防管理人員，導致火災(zāi)的蔓延和進一步擴大，從而給社會的和平穩(wěn)定造成嚴重的傷害。本文設(shè)計的校園火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括煙霧濃度采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、火災(zāi)報警與聯(lián)動控制功能。其中，校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

Zigbee火災(zāi)探測節(jié)點板檢測環(huán)境中的煙霧濃度、SO2濃度、CO濃度和溫度作為分析火災(zāi)的依據(jù)，做出火災(zāi)是否發(fā)生的初期判斷；Zigbee節(jié)點板將采集到的火災(zāi)信號轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點板將火災(zāi)信號轉(zhuǎn)換為GPRS信號和以太網(wǎng)接口信號，通過GPRS傳輸給應(yīng)急管理人員或者通過TCP方式傳輸至管理系統(tǒng)進行分析決策[3-4]。當決策系統(tǒng)判斷發(fā)生火災(zāi)后，蜂鳴器立即發(fā)出聲音報警，開啟消防廣播通知在校師生迅速撤離現(xiàn)場。校園的相關(guān)消防工作人員進一步確認火災(zāi)信息后迅速和119指揮中心聯(lián)系，通知火災(zāi)位置。

其中，校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中的Zigbee節(jié)點板模塊主要由CC2530和煙霧傳感器、溫度傳感器、CO傳感器、SO2傳感器組成。

■3.2 照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計

教室作為高校學生主要的活動場所，其照明消耗的電量占學?？傆秒娏康?0%之多，并且一直居高不下，其中“長明燈”現(xiàn)象對電能的浪費占據(jù)很大一部分。由于國內(nèi)照明技術(shù)成熟較晚以及成本問題，目前高校大多采用傳統(tǒng)的照明控制方式，教學樓采用分層供電方式，在關(guān)閉樓門時需要管理人員分層去檢查教室并關(guān)閉燈具，增加了管理負擔[5]。本文設(shè)計的校園照明智能控制系統(tǒng)主要包括人體紅外強度采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與聯(lián)動控制功能。其中，照明智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 照明智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

照明智能控制系統(tǒng)的Zigbee節(jié)點板檢測教室里或者校園內(nèi)道路上的人體紅外強度，確認在設(shè)定的時段內(nèi)是否有人存在。若檢測到有人存在，且光照強度低于設(shè)定的閾值時，則點亮相應(yīng)的燈具；若檢測到有人存在，但光照強度高于設(shè)定的閾值時，則繼續(xù)保持相應(yīng)的燈具為關(guān)閉狀態(tài)；若光照強度低于設(shè)定閾值，但無人存在，則繼續(xù)保持相應(yīng)燈具為關(guān)閉狀態(tài)。Zigbee節(jié)點板實時采集教室里的光照強度和人員位置。通過檢測人員位置和光照強度，智能控制照明系統(tǒng)，從而降低能耗，節(jié)省學校經(jīng)費支出。其中，照明智能控制系統(tǒng)的Zigbee燈具節(jié)點板模塊主要由CC2530、人體紅外傳感器、光照強度傳感器和繼電器組成。

■3.3 門禁系統(tǒng)設(shè)計

門禁系統(tǒng)主要是為了提升校園個人出入的安全性而進行的師生身份信息的認證和管理。校園管理系統(tǒng)可以將全校教師的基本信息和學生的在?；拘畔⑸蟼鞯轿锫?lián)網(wǎng)電子標簽。教師或?qū)W生在進出校園時，門禁裝置通過無線讀寫方式讀出物聯(lián)網(wǎng)電子標簽中的信息，通過與后臺數(shù)據(jù)庫比對進而查詢出人員出入的合規(guī)性，有效提升校園出入管理的效率。當門禁裝置讀出物聯(lián)網(wǎng)電子標簽中的信息后，控制器將數(shù)據(jù)上傳到管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫進行比對其中的存入信息，從而控制通道閘的打開與關(guān)閉、出入口監(jiān)控一體機的抓拍以及顯示屏進行信息的顯示。其中，校園門禁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架圖如圖4所示。

圖4 校園門禁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架圖

■3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于Zigbee+GPRS的智慧校園監(jiān)測管理系統(tǒng)是為了實現(xiàn)對火災(zāi)、照明燈開斷和校園門禁信息的實時采集、接收、存儲、查詢、顯示和統(tǒng)計分析,本系統(tǒng)采用Qt編程實現(xiàn)，通過該系統(tǒng)可以實時掌握火災(zāi)、照明燈開斷和校園門禁信息，并對相應(yīng)緊急情況做出相應(yīng)處理?；赯igbee+GPRS的智慧校園監(jiān)測管理系統(tǒng)主要包含校園火災(zāi)監(jiān)測子系統(tǒng)、照明智能控制子系統(tǒng)和校園門禁系統(tǒng)三個子系統(tǒng)，分別采用分層設(shè)計方法，主要分為硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層。管理系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進行分析，作出相應(yīng)的決策。

4 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析

考慮到現(xiàn)實生活中火災(zāi)發(fā)生時刻的無規(guī)律性，故在校園中150m3范圍內(nèi)設(shè)置四個采集點進行系統(tǒng)模擬測試。采集點的測試時間間隔為1分鐘，某次檢測結(jié)果如表2所示。

表2 某次四個采集點檢測結(jié)果

從以上四個傳感節(jié)點的監(jiān)測結(jié)果可以看出，節(jié)點板3的實測溫度、CO濃度和SO2濃度明顯高于其余三塊節(jié)點板，系統(tǒng)判決結(jié)果為預(yù)警I級，此時有必要出動相關(guān)管理人員進行確認和消除異常，確保意外事件的發(fā)生[6]。

5 結(jié)語

本文將Zigbee技術(shù)和GPRS融合,組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對火災(zāi)、照明燈開斷和校園門禁信息的實時采集、接收、存儲、查詢、顯示和統(tǒng)計分析。充分利用了Zigbee技術(shù)組網(wǎng)靈活、節(jié)點板可以靈活定制不同傳感器以及GPRS能夠進行長距離移動通信的能力，實現(xiàn)了對校園環(huán)境和安全的實時遠程監(jiān)測。利用該系統(tǒng)，我們可以對校園火災(zāi)、照明燈開斷和校園門禁信息進行全天候、全方位的監(jiān)測，同時對更多數(shù)量的智慧管理和智慧城市建設(shè)具有一定的指導意義[7]。