基于 Zigbee 與 WiFi 的安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬重園，梁國(guó)富，楊鈺娟

摘要：針對(duì)學(xué)生宿舍安防的防盜低成本、高可靠性的需求，同時(shí)兼顧布線方便的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于 Zigbee 和 WiFi 結(jié)合的宿舍防盜系統(tǒng)。系統(tǒng)具有應(yīng)用簡(jiǎn)單，傳感器不需要布線，安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：集成電路應(yīng)用；安防報(bào)警；Zigbee；WiFi。

中圖分類號(hào)：TP277 文章編號(hào)：1674-2583(2019)04-0043-02

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.04.014

中文引用格式：?jiǎn)讨貓@，梁國(guó)富，楊鈺娟.基于Zigbee與WiFi的安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用, 2019, 36(04): 43-44.

Design of Security System Based on Zigbee and WiFi

QIAO Chongyuan, LIANG Guofu, YANG Yujuan

Abstract — In this paper, a dormitory anti-theft system based on Zigbee and WiFi is designed to meet the needs of low cost, high reliability and convenient wiring. The system has the advantages of simple application, no wiring of sensors and simple installation.

Index Terms — integrated circuit applications, security alarm, Zigbee, WiFi.

1 引言

目前市場(chǎng)上的智能家居用監(jiān)控?cái)z像技術(shù)已經(jīng)較為成熟，通過(guò)人像識(shí)別算法可以判定在特定的時(shí)間內(nèi)是否有人處于監(jiān)控中，從而判定是否開啟報(bào)警，這種監(jiān)控方式對(duì)于居住人口固定的家庭比較適合。但針對(duì)宿舍安全防盜這一領(lǐng)域，卻有獨(dú)特的特點(diǎn)。學(xué)生宿舍通常人員流動(dòng)性大，活動(dòng)范圍小，既要保護(hù)居住者的隱私，又要實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警的效果。目前面部識(shí)別技術(shù)識(shí)別成功率可達(dá) 92%。但是需要基于特定的場(chǎng)景和不斷的訓(xùn)練算法，學(xué)生宿舍居住的群體主要是青少年學(xué)生，面部變化較大，增加了算法的復(fù)雜度。由此依賴面部算法識(shí)別宿舍主人的方法準(zhǔn)確率較低，這也是目前市場(chǎng)上并沒有應(yīng)用于宿舍安全防盜的成熟產(chǎn)品的原因[1-6]。

本文旨在設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)生宿舍使用的防盜監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)需要具有傳感器無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，充分利用宿舍現(xiàn)有 WiFi 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像及傳感器數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，同時(shí) WiFi 模塊需要具有識(shí)別宿舍主人主動(dòng)解除報(bào)警的功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮布線和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，考慮到學(xué)生宿舍通常都有 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，因此把路由器作為數(shù)據(jù)發(fā)送的終端會(huì)使得設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔可靠，而傳感器數(shù)據(jù)則通過(guò) Zigbee 子節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口傳輸給 WiFi 控制器，WiFi 控制器選擇 ESP8266，該芯片具有連接簡(jiǎn)單可靠，擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。ESP8266 直接連接攝像頭，通過(guò)串口接收 Zigbee 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)接入宿舍路由器，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

系統(tǒng)可以擴(kuò)展多個(gè) Zigbee 子節(jié)點(diǎn)，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)分別連接紅外傳感器，多個(gè)子節(jié)點(diǎn)通過(guò) Zigbee 協(xié)議連接到 Zigbee 主節(jié)點(diǎn)，Zigbee 主節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給 ESP8266，ESP8266 作為數(shù)據(jù)中心，同時(shí)連接攝像頭，直接采集圖像信息。ESP8266 作為路由器的普通外部設(shè)備通過(guò) WiFi 接入，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，路由器需要具有聯(lián)網(wǎng)功能，從而數(shù)據(jù)可以上傳至服務(wù)器端。ESP8266 同時(shí)掃描手機(jī)終端，識(shí)別終端身份，判斷是否需要報(bào)警，同時(shí)終端也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入到服務(wù)器查看圖像和傳感器信息。

3 各模塊單元的設(shè)計(jì)

3.1 身份識(shí)別

考慮到圖像識(shí)別主人身份較為復(fù)雜，出錯(cuò)率高，系統(tǒng)對(duì)于身份的識(shí)別主要通過(guò) ESP8266 不斷掃描周邊終端設(shè)備的方式進(jìn)行，終端設(shè)備定位為具有 WiFi 連接能力的設(shè)備，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)就是手機(jī)。

宿舍每一位成員的手機(jī) ID 均需要注冊(cè)登記到ESP8266 內(nèi)存中，系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)后不斷掃描周邊設(shè)備。當(dāng)掃描到任何一部已注冊(cè)的手機(jī)信號(hào)時(shí)，即說(shuō)明主人在家，或者就在系統(tǒng)周邊。當(dāng)未檢測(cè)到任何一部手機(jī)信號(hào)時(shí)，即判定沒有主人在家，此時(shí)如果紅外傳感器檢測(cè)到有人闖入，是否報(bào)警由當(dāng)前模式?jīng)Q定。

3.2 圖像獲取

圖像獲取是通過(guò)攝像頭的采集實(shí)現(xiàn)的，圖像采集后需要占用大量的空間進(jìn)行存儲(chǔ)，以便發(fā)現(xiàn)監(jiān)控疑點(diǎn)時(shí)進(jìn)行回放?？紤]到宿舍住宿的私密性，攝像頭的數(shù)據(jù)獲取可以配置為表 1 中的幾種方式。

以上的設(shè)計(jì)原則為，檢測(cè)到兩臺(tái)及以上手機(jī)終端，則認(rèn)定學(xué)生宿舍有人在，為保護(hù)隱私，關(guān)閉攝像頭監(jiān)控，而在手機(jī)數(shù)量小于等于一臺(tái)時(shí)，則需要區(qū)分是晚上還是白天，晚上有可能是手機(jī)全部關(guān)閉了，ESP8266 掃描不到，也可能為放假學(xué)生都離校了，由此在這種情況下，視頻監(jiān)控默認(rèn)都是開啟狀態(tài)，但是在夜晚模式時(shí)可通過(guò)手動(dòng)設(shè)定關(guān)閉其監(jiān)控狀態(tài)。

夜晚和白天的判定依據(jù)是時(shí)間，可手動(dòng)設(shè)定白天或夜晚的時(shí)間范圍。

3.3 紅外傳感器數(shù)據(jù)獲取

紅外傳感器可以布置多點(diǎn)，分別放置在宿舍陽(yáng)臺(tái)，門口等位置，可以提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，由于紅外傳感器是基于 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的，獨(dú)立供電，不需要布線，所以安裝非常簡(jiǎn)單，可以隨意選擇地點(diǎn)。

通過(guò) ESP8266 主控中心的設(shè)置，還可以配置紅外傳感器的子節(jié)點(diǎn)為當(dāng)有合法注冊(cè)的終端設(shè)備在 WiFi 信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)關(guān)閉電源，進(jìn)一步節(jié)約電力，提高系統(tǒng)更換電池后的使用時(shí)間。

3.4 終端顯示

系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有紅外傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)都上傳至服務(wù)器，待客戶終端驗(yàn)證身份后，可以查看和下載。

考慮到宿舍管理的特殊性，可以設(shè)置超級(jí)權(quán)限用戶，在學(xué)校放假期間，超級(jí)用戶可以獲得各個(gè)宿舍全部的操作權(quán)限，包括打開紅外傳感器，打開視頻監(jiān)控，此種情況下，只要發(fā)現(xiàn)有紅外傳感器報(bào)警，即認(rèn)為宿舍有人入侵，可及時(shí)派人去查看情況，同時(shí)監(jiān)控視頻可提供輔助查案的功能。

4 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)開發(fā)，主要圍繞著系統(tǒng)全部的功能來(lái)進(jìn)行。其中，底層軟件分為 Zigbee 子節(jié)點(diǎn)軟件程序，Zigbee 主節(jié)點(diǎn)軟件程序和 ESP8266 程序部分，前兩個(gè)部分的程序流程較為簡(jiǎn)單，較為復(fù)雜的是 ESP8266 程序部分，如圖 2 所示。

Zigbee 子節(jié)點(diǎn)軟件程序功能為采集紅外傳感器數(shù)據(jù)，上傳至 Zigbee 主節(jié)點(diǎn)，Zigbee 主節(jié)點(diǎn)軟件程序則接收多個(gè) Zigbee 子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并做節(jié)點(diǎn)標(biāo)記，然后通過(guò)串口發(fā)送至 ESP8266 主控核心。

5 結(jié)語(yǔ)

我們針對(duì)學(xué)生宿舍這一特殊需求群體研究的防盜監(jiān)控系統(tǒng)，既在保證防盜監(jiān)控的同時(shí)，又達(dá)到了保護(hù)學(xué)生隱私的要求，與學(xué)生的利益高度一致，定能得到大學(xué)生的青睞，并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝靈活，成本較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，便于推廣。

其次，科技手段只是一方面，我們更加呼吁加強(qiáng)學(xué)生的思想道德法治教育。首先要防止盜賊來(lái)自學(xué)生群體內(nèi)部，同時(shí)提高學(xué)生的防范意識(shí)，從根本上解決這一問(wèn)題。