基于 Zigbee 與 WiFi 的安防系統設計

喬重園，梁國富，楊鈺娟

摘要：針對學生宿舍安防的防盜低成本、高可靠性的需求，同時兼顧布線方便的特點，設計出基于 Zigbee 和 WiFi 結合的宿舍防盜系統。系統具有應用簡單，傳感器不需要布線，安裝簡單的優點。

關鍵詞：集成電路應用；安防報警；Zigbee；WiFi。

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

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.04.014

中文引用格式：喬重園，梁國富，楊鈺娟.基于Zigbee與WiFi的安防系統設計[J].集成電路應用, 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

目前市場上的智能家居用監控攝像技術已經較為成熟，通過人像識別算法可以判定在特定的時間內是否有人處于監控中，從而判定是否開啟報警，這種監控方式對于居住人口固定的家庭比較適合。但針對宿舍安全防盜這一領域，卻有獨特的特點。學生宿舍通常人員流動性大，活動范圍小，既要保護居住者的隱私，又要實現防盜報警的效果。目前面部識別技術識別成功率可達 92%。但是需要基于特定的場景和不斷的訓練算法，學生宿舍居住的群體主要是青少年學生，面部變化較大，增加了算法的復雜度。由此依賴面部算法識別宿舍主人的方法準確率較低，這也是目前市場上并沒有應用于宿舍安全防盜的成熟產品的原因[1-6]。

本文旨在設計針對學生宿舍使用的防盜監控系統，系統需要具有傳感器無線傳輸數據，充分利用宿舍現有 WiFi 網絡傳輸圖像及傳感器數據的特點，同時 WiFi 模塊需要具有識別宿舍主人主動解除報警的功能。

2 系統架構

系統設計時，需要充分考慮布線和數據傳輸的問題，考慮到學生宿舍通常都有 WiFi 網絡，因此把路由器作為數據發送的終端會使得設計更為簡潔可靠，而傳感器數據則通過 Zigbee 子節點無線傳輸給主節點，主節點再通過串口傳輸給 WiFi 控制器，WiFi 控制器選擇 ESP8266，該芯片具有連接簡單可靠，擴展性強的特點。ESP8266 直接連接攝像頭，通過串口接收 Zigbee 節點的數據，通過接入宿舍路由器，將數據發送至服務器端。系統整體結構如圖 1 所示。

系統可以擴展多個 Zigbee 子節點，各個子節點分別連接紅外傳感器，多個子節點通過 Zigbee 協議連接到 Zigbee 主節點，Zigbee 主節點通過串口將數據傳輸給 ESP8266，ESP8266 作為數據中心，同時連接攝像頭，直接采集圖像信息。ESP8266 作為路由器的普通外部設備通過 WiFi 接入，從而實現數據的傳輸，路由器需要具有聯網功能，從而數據可以上傳至服務器端。ESP8266 同時掃描手機終端，識別終端身份，判斷是否需要報警，同時終端也可以通過網絡接入到服務器查看圖像和傳感器信息。

3 各模塊單元的設計

3.1 身份識別

考慮到圖像識別主人身份較為復雜，出錯率高，系統對于身份的識別主要通過 ESP8266 不斷掃描周邊終端設備的方式進行，終端設備定位為具有 WiFi 連接能力的設備，對于學生來說就是手機。

宿舍每一位成員的手機 ID 均需要注冊登記到ESP8266 內存中，系統運行起來后不斷掃描周邊設備。當掃描到任何一部已注冊的手機信號時，即說明主人在家，或者就在系統周邊。當未檢測到任何一部手機信號時，即判定沒有主人在家，此時如果紅外傳感器檢測到有人闖入，是否報警由當前模式決定。

3.2 圖像獲取

圖像獲取是通過攝像頭的采集實現的，圖像采集后需要占用大量的空間進行存儲，以便發現監控疑點時進行回放?？紤]到宿舍住宿的私密性，攝像頭的數據獲取可以配置為表 1 中的幾種方式。

以上的設計原則為，檢測到兩臺及以上手機終端，則認定學生宿舍有人在，為保護隱私，關閉攝像頭監控，而在手機數量小于等于一臺時，則需要區分是晚上還是白天，晚上有可能是手機全部關閉了，ESP8266 掃描不到，也可能為放假學生都離校了，由此在這種情況下，視頻監控默認都是開啟狀態，但是在夜晚模式時可通過手動設定關閉其監控狀態。

夜晚和白天的判定依據是時間，可手動設定白天或夜晚的時間范圍。

3.3 紅外傳感器數據獲取

紅外傳感器可以布置多點，分別放置在宿舍陽臺，門口等位置，可以提高系統測量的準確性，由于紅外傳感器是基于 Zigbee 網絡的，獨立供電，不需要布線，所以安裝非常簡單，可以隨意選擇地點。

通過 ESP8266 主控中心的設置，還可以配置紅外傳感器的子節點為當有合法注冊的終端設備在 WiFi 信號范圍內時關閉電源，進一步節約電力，提高系統更換電池后的使用時間。

3.4 終端顯示

系統的監控數據有紅外傳感器數據和視頻數據，全部數據都上傳至服務器，待客戶終端驗證身份后，可以查看和下載。

考慮到宿舍管理的特殊性，可以設置超級權限用戶，在學校放假期間，超級用戶可以獲得各個宿舍全部的操作權限，包括打開紅外傳感器，打開視頻監控，此種情況下，只要發現有紅外傳感器報警，即認為宿舍有人入侵，可及時派人去查看情況，同時監控視頻可提供輔助查案的功能。

4 軟件流程設計

軟件設計開發，主要圍繞著系統全部的功能來進行。其中，底層軟件分為 Zigbee 子節點軟件程序，Zigbee 主節點軟件程序和 ESP8266 程序部分，前兩個部分的程序流程較為簡單，較為復雜的是 ESP8266 程序部分，如圖 2 所示。

Zigbee 子節點軟件程序功能為采集紅外傳感器數據，上傳至 Zigbee 主節點，Zigbee 主節點軟件程序則接收多個 Zigbee 子節點發來的數據，并做節點標記，然后通過串口發送至 ESP8266 主控核心。

5 結語

我們針對學生宿舍這一特殊需求群體研究的防盜監控系統，既在保證防盜監控的同時，又達到了保護學生隱私的要求，與學生的利益高度一致，定能得到大學生的青睞，并且設計簡單，安裝靈活，成本較低，系統穩定性好，便于推廣。

其次，科技手段只是一方面，我們更加呼吁加強學生的思想道德法治教育。首先要防止盜賊來自學生群體內部，同時提高學生的防范意識，從根本上解決這一問題。