基于ZigBee的校园安全监控系统设计

摘要：本文设计了一种基于ZigBee技术的校园监控系统，将ZigBee监控网络提供的目标位置信息与监控摄像机群结合，实时监控校园的安全。监控系统利用ZigBee节点进行定位与信息通信，当图像识别超出安全阈值，全部可拍摄范围内的节点摄像头自动对锁定目标跟踪监控，同时，系统自动发送报警电话及邮件至学校保卫处和范围内的人群，邮件内容含有危险人群及物品的位置信息和现场监控的实时画面。仿真实验表明，监控目标跟踪定位误差在3m之内时，跟踪目标可出现在摄像机监控显示内，且清晰可识别。

引言

近年来，全国多地发生了校园安全事故。如何加强校园安全监控，使师生在校园内安全教学与学习，是人们十分关心的问题[1]。目前，校园内摄像机只能对固定区域进行监控以及无法物象识别，还要人工实时跟踪，智能化程度低^[2]。而将采用嵌入物象识别模块的摄像头锁定目标技术与ZigBee网络相融合具有实时性和监控精度高的特点，因而本文设计了将ZigBee监控网络与物象识别模块以及红外传感相结合，实时地识别目标人物、追踪位置及行动路线，满足了校园内人物识别与定位的要求，在商业应用上也有很大的扩展空间。

ZigBee监控网络可建设成以打击、预防违法犯罪为目的的系统，在学院和宿舍等出入口、重要教学等地点设立视频监控点，将监控图像实时无线通信到校保卫处监控中心和其它相关部门，通过对图像的识别、记录等方式，使各级机关及相关职能部门直观地了解和掌握监控区域的治安动态。

1 系统总体设计

ZigBee监控网络系统由红外线传感器、摄像机群(包括重点CCD)、GPRS无线路由器节点、信号调理器节点和保卫处监控中心组成，系统总体层次如图1所示。

系统工作过程如下：

1)红外线传感器和摄像机接联的访问节点与GPRS无线路由器进行通信，将接收到的信息经过信号放大模块(Signal amplifying module，SAM)通过GPRS无线路由器传输给信号调理器。若摄像机内的物象识别模块识别出危险物象则直接与上位机无线通信;

2)信号调理器接收到通信信号，将视频、音频等信号进行排序、封装、压缩后，传给监控中心，并等待上位机命令;

3)中央处理系统对各个传输信号数据进行对比，当分析比对拍摄到的人物画面超出安全阈值，中央处理系统将对相应的显示屏幕进行报警，并将报警信号发送给保卫人员以及事故周围人群，同时，中央处理系统将自动记录此时间与摄像位置信息，然后经此信息保存到后台数据库;

4)监控系统命令中心通信控制命令，使距离事发地最短的摄像机群对锁定目标跟踪监控，系统将通信视频截取画面保存;

5)当校园内全部摄像机拍摄不到系统锁定的目标时，系统自动发送最后时间目标监控的地点和当时视频截图的信息到保卫人员和校园全部人群，同时，监控中心的工作人员可以根据各摄像视频判断锁定的目标可能出现的地点而采取相应的处理办法。

实验的校园占地面积大、建筑物较多且又处于山坡，所需视频监控点数量多，因而，系统采用功耗低且网络信号传输快捷方便的树形结构网络组织。

2 系统硬件及通信设计

2.1 系统硬件框图如图2所示

(1)子终端无线访问点

无线访问点功能是将摄像机群和红外线传感器传输的数据信息打包压缩传送给无线路由器和接收上位机指令，其内部核心器件是CC2530-F64。CC2530是专门针对IEEE 802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。在接收、发射和多种低功耗的模式下具有极低的电流消耗，能保证较长的电池使用时间。

可移动节点用的是CC2431芯片，CC2431具有定位引擎硬件核心。其外观和功能与CC2530一样。

(2)GPRS无线网络路由器

本设计采用东方讯 GPRS/CDMA 无线路由器，具有地址转换(NAT)以及其它的网络服务功能。可以将子终端发送的ZigBee信号转换成GPRS并传递给信号调理器。

GPRS/CDMA有数据通信稳定、传输速度快和数据量大的优点。万州区测试 CDMA下行速度为 100kbit/s 左右, 上行速度为80kbit/s 左右。

(3)信号调理器

信号调理器由CC2530、C8051F040、NANDFLASH、DS12887、1602和GSM模块组成。C8051F040的串口0与CC2530相连，用于接收CC2530发送的通信数据和地址信息;串口1与GSM模块相连，用于发送地址信息到对应的子终端访问点上。NAND FLASH用于信号源和读出设备之间的信号调理。DS12887高精度时钟芯片用于显示时间和日期，同时对各个子终端节点的时间进行校准。当时间为00时00分00秒时，C8051F040会发送校准命令给CC2530，由CC2530通过ZigBee发送给各个子终端节点，从而实现校准各个子终端节点的时间为00时00分00秒。C8051F040采用Keil C51编程，可接收上位机向子