基于 Zigbee 与 WiFi 的安防系统设计

基于 Zigbee 与 WiFi 的安防系统设计

乔重园，梁国富，杨钰娟

摘要：针对学生宿舍安防的防盗低成本、高可靠性的需求，同时兼顾布线方便的特点，设计出基于 Zigbee 和 WiFi 结合的宿舍防盗系统。系统具有应用简单，传感器不需要布线，安装简单的优点。

关键词：集成电路应用；安防报警；Zigbee；WiFi。

中图分类号：TP277 文章编号：1674-2583(2019)04-0043-02

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.04.014

中文引用格式：乔重园，梁国富，杨钰娟.基于Zigbee与WiFi的安防系统设计[J].集成电路应用, 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

目前市场上的智能家居用监控摄像技术已经较为成熟，通过人像识别算法可以判定在特定的时间内是否有人处于监控中，从而判定是否开启报警，这种监控方式对于居住人口固定的家庭比较适合。但针对宿舍安全防盗这一领域，却有独特的特点。学生宿舍通常人员流动性大，活动范围小，既要保护居住者的隐私，又要实现防盗报警的效果。目前面部识别技术识别成功率可达 92%。但是需要基于特定的场景和不断的训练算法，学生宿舍居住的群体主要是青少年学生，面部变化较大，增加了算法的复杂度。由此依赖面部算法识别宿舍主人的方法准确率较低，这也是目前市场上并没有应用于宿舍安全防盗的成熟产品的原因[1-6]。

本文旨在设计针对学生宿舍使用的防盗监控系统，系统需要具有传感器无线传输数据，充分利用宿舍现有 WiFi 网络传输图像及传感器数据的特点，同时 WiFi 模块需要具有识别宿舍主人主动解除报警的功能。

2 系统架构

系统设计时，需要充分考虑布线和数据传输的问题，考虑到学生宿舍通常都有 WiFi 网络，因此把路由器作为数据发送的终端会使得设计更为简洁可靠，而传感器数据则通过 Zigbee 子节点无线传输给主节点，主节点再通过串口传输给 WiFi 控制器，WiFi 控制器选择 ESP8266，该芯片具有连接简单可靠，扩展性强的特点。ESP8266 直接连接摄像头，通过串口接收 Zigbee 节点的数据，通过接入宿舍路由器，将数据发送至服务器端。系统整体结构如图 1 所示。

系统可以扩展多个 Zigbee 子节点，各个子节点分别连接红外传感器，多个子节点通过 Zigbee 协议连接到 Zigbee 主节点，Zigbee 主节点通过串口将数据传输给 ESP8266，ESP8266 作为数据中心，同时连接摄像头，直接采集图像信息。ESP8266 作为路由器的普通外部设备通过 WiFi 接入，从而实现数据的传输，路由器需要具有联网功能，从而数据可以上传至服务器端。ESP8266 同时扫描手机终端，识别终端身份，判断是否需要报警，同时终端也可以通过网络接入到服务器查看图像和传感器信息。

3 各模块单元的设计

3.1 身份识别

考虑到图像识别主人身份较为复杂，出错率高，系统对于身份的识别主要通过 ESP8266 不断扫描周边终端设备的方式进行，终端设备定位为具有 WiFi 连接能力的设备，对于学生来说就是手机。

宿舍每一位成员的手机 ID 均需要注册登记到ESP8266 内存中，系统运行起来后不断扫描周边设备。当扫描到任何一部已注册的手机信号时，即说明主人在家，或者就在系统周边。当未检测到任何一部手机信号时，即判定没有主人在家，此时如果红外传感器检测到有人闯入，是否报警由当前模式决定。

3.2 图像获取

图像获取是通过摄像头的采集实现的，图像采集后需要占用大量的空间进行存储，以便发现监控疑点时进行回放。考虑到宿舍住宿的私密性，摄像头的数据获取可以配置为表 1 中的几种方式。

以上的设计原则为，检测到两台及以上手机终端，则认定学生宿舍有人在，为保护隐私，关闭摄像头监控，而在手机数量小于等于一台时，则需要区分是晚上还是白天，晚上有可能是手机全部关闭了，ESP8266 扫描不到，也可能为放假学生都离校了，由此在这种情况下，视频监控默认都是开启状态，但是在夜晚模式时可通过手动设定关闭其监控状态。

夜晚和白天的判定依据是时间，可手动设定白天或夜晚的时间范围。

3.3 红外传感器数据获取

红外传感器可以布置多点，分别放置在宿舍阳台，门口等位置，可以提高系统测量的准确性，由于红外传感器是基于 Zigbee 网络的，独立供电，不需要布线，所以安装非常简单，可以随意选择地点。

通过 ESP8266 主控中心的设置，还可以配置红外传感器的子节点为当有合法注册的终端设备在 WiFi 信号范围内时关闭电源，进一步节约电力，提高系统更换电池后的使用时间。

3.4 终端显示

系统的监控数据有红外传感器数据和视频数据，全部数据都上传至服务器，待客户终端验证身份后，可以查看和下载。

考虑到宿舍管理的特殊性，可以设置超级权限用户，在学校放假期间，超级用户可以获得各个宿舍全部的操作权限，包括打开红外传感器，打开视频监控，此种情况下，只要发现有红外传感器报警，即认为宿舍有人入侵，可及时派人去查看情况，同时监控视频可提供辅助查案的功能。

4 软件流程设计

软件设计开发，主要围绕着系统全部的功能来进行。其中，底层软件分为 Zigbee 子节点软件程序，Zigbee 主节点软件程序和 ESP8266 程序部分，前两个部分的程序流程较为简单，较为复杂的是 ESP8266 程序部分，如图 2 所示。

Zigbee 子节点软件程序功能为采集红外传感器数据，上传至 Zigbee 主节点，Zigbee 主节点软件程序则接收多个 Zigbee 子节点发来的数据，并做节点标记，然后通过串口发送至 ESP8266 主控核心。

5 结语

我们针对学生宿舍这一特殊需求群体研究的防盗监控系统，既在保证防盗监控的同时，又达到了保护学生隐私的要求，与学生的利益高度一致，定能得到大学生的青睐，并且设计简单，安装灵活，成本较低，系统稳定性好，便于推广。

其次，科技手段只是一方面，我们更加呼吁加强学生的思想道德法治教育。首先要防止盗贼来自学生群体内部，同时提高学生的防范意识，从根本上解决这一问题。