基于物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)智慧消防管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳延昌

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)研究中心，河南 平頂山 467001）

0 引 言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的逐步深化，在社區(qū)安全建設(shè)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，增強(qiáng)社區(qū)消防管理能力，提升社區(qū)應(yīng)對(duì)各種險(xiǎn)情的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和高效性已成為工業(yè)界、學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)?！爸腔凵鐓^(qū)”概念應(yīng)運(yùn)而生，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為我們的社區(qū)帶來(lái)安全、舒適和便捷的生活環(huán)境[1]。由于我國(guó)每年都會(huì)發(fā)生多次火災(zāi)，原因大多為消防設(shè)備老化、監(jiān)控人員管理疏忽、報(bào)警信息處理不及時(shí)等，給社會(huì)和人民帶來(lái)了無(wú)法彌補(bǔ)的損失[2-3]。傳統(tǒng)的消防監(jiān)控系統(tǒng)一般在建設(shè)時(shí)過于依賴特定的場(chǎng)景，其用戶、消防設(shè)備以及監(jiān)管部門只能對(duì)所在場(chǎng)景的系統(tǒng)進(jìn)行管理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)社區(qū)中多場(chǎng)景、多系統(tǒng)的交互和共享。

針對(duì)上述情況，文中設(shè)計(jì)和研發(fā)了一種能夠?yàn)樯鐓^(qū)安全提供智慧消防管理的系統(tǒng)平臺(tái)?；赬Fire將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到消防設(shè)備傳感器中，使得每個(gè)消防傳感器能夠互連通信，最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)消防平臺(tái)之間的交互，移動(dòng)終端與PC終端的交互以及通用接口底層傳感器硬件與軟件平臺(tái)交互的消防平臺(tái)。用戶可隨時(shí)查看消防設(shè)備情況，監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)以及控制消防設(shè)備[4-5]。系統(tǒng)主要功能包括消防傳感器隨時(shí)接入與退出該平臺(tái)，實(shí)時(shí)地圖定位功能，消防傳感器控制，傳感器數(shù)據(jù)分享，安全、可靠、及時(shí)的數(shù)據(jù)顯示，支持移動(dòng)終端訪問，可及時(shí)獲取火災(zāi)情況，傳感器數(shù)據(jù)分析等。

1 平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用B/S模式構(gòu)建一個(gè)為社區(qū)服務(wù)的消防監(jiān)控信息服務(wù)平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控社區(qū)消防安全，遠(yuǎn)程控制傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、即接入即使用、遠(yuǎn)程控制設(shè)備和智能火災(zāi)報(bào)警。

1.1 平臺(tái)整體架構(gòu)

根據(jù)平臺(tái)各部分功能要求，將平臺(tái)架構(gòu)分為用戶訪問層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)采集層。整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層主要包括各種硬件設(shè)備的接入與向平臺(tái)推送數(shù)據(jù)的消防傳感器。傳感器終端將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再將傳感器中的數(shù)據(jù)推送給Web Service服務(wù)器。

應(yīng)用服務(wù)層作為系統(tǒng)平臺(tái)的核心，設(shè)計(jì)了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web Service服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、視頻流服務(wù)器和控制服務(wù)器。主要負(fù)責(zé)處理傳感器的各種數(shù)據(jù)，接收視頻傳感器的視頻流，用戶可以遠(yuǎn)程控制底層的消防傳感器。其中，消防現(xiàn)場(chǎng)視頻攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)要求可被實(shí)時(shí)查看，并在傳感器報(bào)警時(shí)可通過視頻圖像進(jìn)行二次判斷。用戶獲取視頻流的流程如圖2所示。

圖2 用戶獲取視頻流的流程

用戶訪問層的主要用途在于方便用戶通過不同終端，如電腦、手機(jī)、平板等訪問整個(gè)應(yīng)用平臺(tái)。通過Web Service接口調(diào)用平臺(tái)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)查看消防終端視頻傳感器。

1.2 平臺(tái)功能

智慧消防監(jiān)控信息平臺(tái)的主要功能包括滿足各種消防終端傳感器的接入，采集各種傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分享和終端查詢顯示。平臺(tái)功能模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊示意圖

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，使用2臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)寫操作，1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)讀操作。在整個(gè)平臺(tái)中，當(dāng)用戶注冊(cè)成為平臺(tái)用戶并通過認(rèn)證后，即可填寫自己所住社區(qū)的信息，精確選擇社區(qū)的經(jīng)緯度，設(shè)置場(chǎng)景，注冊(cè)各種傳感器信息，并將數(shù)據(jù)推送到平臺(tái)。注冊(cè)用戶、所屬社區(qū)、場(chǎng)景和傳感器實(shí)體的具體邏輯關(guān)系如圖4所示。系統(tǒng)涉及的主要數(shù)據(jù)庫(kù)表包括用戶信息表、社區(qū)表、場(chǎng)景表、傳感器信息表、傳感器數(shù)據(jù)表、報(bào)警統(tǒng)計(jì)表等。

圖4 系統(tǒng)各實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 XFire異構(gòu)化平臺(tái)通信技術(shù)

作為新一代Web Service引擎，XFire是一種面向文檔的Java SOAP框架，方便開發(fā)各種面向服務(wù)的應(yīng)用程序[6]。在Web服務(wù)處理流程中，SOAP消息作為數(shù)據(jù)傳輸過程中的信息載體，而XFire建立在基于XML流的STAX機(jī)制上，通過管道方式部分加載XML文檔，從而節(jié)省大量的內(nèi)存空間。XFire管道處理SOAP請(qǐng)求與響應(yīng)中可添加Handle的各個(gè)階段如圖5所示。

圖5 XFire中SOAP消息處理流程

在智慧消防管理系統(tǒng)中，要求必須能夠?yàn)橥獠肯老到y(tǒng)提供數(shù)據(jù)訪問接口，為移動(dòng)終端提供外部訪問接口，同時(shí)必須屏蔽其他平臺(tái)訪問時(shí)對(duì)于開發(fā)語(yǔ)言以及應(yīng)用環(huán)境的限制，從而方便各種硬件傳感器向本平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)。基于此，系統(tǒng)采用XFire作為Web Service接口開發(fā)引擎，從而實(shí)現(xiàn)與其他消防平臺(tái)、手機(jī)終端以及硬件傳感器的交互，并保證這些數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

2.2 Red5視頻監(jiān)控技術(shù)

Red5基于RTMP協(xié)議傳輸，具有強(qiáng)大的流媒體處理能力，其服務(wù)器架構(gòu)主要由Mina和Jetty服務(wù)器核心組件構(gòu)成。其中Mina主要用于處理解析RTMP協(xié)議的內(nèi)容，Jetty用來(lái)處理客戶發(fā)送的HTTP協(xié)議以及RTMP協(xié)議[7]。在Red5服務(wù)器中，針對(duì)不同的協(xié)議都會(huì)在相應(yīng)的端口號(hào)建立Socket，等待客戶端發(fā)送的流媒體數(shù)據(jù)。

消防監(jiān)控信息服務(wù)平臺(tái)主要用于保證居民財(cái)產(chǎn)免遭火災(zāi)，不僅需要實(shí)時(shí)推送數(shù)據(jù)給用戶以及平臺(tái)，還需要能夠提供給用戶便捷的途徑來(lái)查詢整個(gè)場(chǎng)景的狀況。而Red5這種基于RTMP協(xié)議傳輸?shù)牧髅襟w服務(wù)器可以滿足此類要求，RTMP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)高效流媒體數(shù)據(jù)傳輸，且實(shí)時(shí)性高，同時(shí)Red5與整個(gè)平臺(tái)開發(fā)環(huán)境容易整合。

2.3 BlazeDS消息推送技術(shù)

BlazeDS是一種利用AMS協(xié)議進(jìn)行通信的消息推送服務(wù)技術(shù)[8]，具有遠(yuǎn)程過程調(diào)用服務(wù)（RPC Service）和消息服務(wù)（Message Service）兩個(gè)核心功能，其傳輸消息的通道包括無(wú)輪詢AMF或HTTP通道，搭載AMF或HTTP通道，輪詢AMF或HTTP通道，長(zhǎng)輪詢AMF或HTTP通道。AMF和HTTP流通道模式提供了真正的數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)模式。

在整個(gè)消防監(jiān)控信息服務(wù)平臺(tái)中，待用戶在平臺(tái)注冊(cè)后，即可訂閱報(bào)警信息。當(dāng)其注冊(cè)的節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，系統(tǒng)能夠主動(dòng)將該信號(hào)推送給整個(gè)平臺(tái)、所屬用戶以及關(guān)聯(lián)的消防人員。當(dāng)數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，相應(yīng)的信息會(huì)主動(dòng)推送出去。首先發(fā)送給Web Service，在Web Service中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與報(bào)警判斷處理；達(dá)到相關(guān)指標(biāo)后，向整個(gè)平臺(tái)推送報(bào)警信號(hào)；服務(wù)器收到信號(hào)后，推送至指定通道和端點(diǎn)處。消息推送流程如圖6所示。

圖6 報(bào)警消息推送流程圖

3 主要功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)推送的始源。平臺(tái)包含有煙霧傳感器、氣壓傳感器、視頻傳感器、濕度傳感器等，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)流和視頻流。利用XFire發(fā)布數(shù)據(jù)推送服務(wù)接口，提供給硬件傳感器調(diào)用該服務(wù)進(jìn)而向平臺(tái)推送數(shù)據(jù)。硬件數(shù)據(jù)流傳感器選擇XML和JSON兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，視頻流傳感器則通過RTMP協(xié)議向平臺(tái)傳輸流媒體數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集模塊主要集中在Web Service發(fā)布的服務(wù)接口中，不僅要提供傳輸?shù)膮?shù)，還要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息推送、報(bào)警判斷、其他平臺(tái)數(shù)據(jù)推送和報(bào)警信息推送至平臺(tái)等任務(wù)。

3.2 設(shè)備控制模塊實(shí)現(xiàn)

設(shè)備控制模塊主要包括“我的控制”和“控制管理”兩大功能。當(dāng)傳感器發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)，可以提前控制各設(shè)備的工作頻率和狀態(tài)。對(duì)于數(shù)據(jù)流傳感器而言，可隨時(shí)隨地設(shè)置各傳感器的傳輸頻率，視頻流傳感器可遠(yuǎn)程控制其開關(guān)。

3.3 數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)顯示模塊主要包括“我的社區(qū)”“消防場(chǎng)景”和“信息分享”三個(gè)子模塊。信息分享子模塊的主要功能是當(dāng)多個(gè)用戶在同一個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)行消防傳感器安裝時(shí)，可以查看已安裝的傳感器，進(jìn)行資源共享。其實(shí)體關(guān)系是一個(gè)注冊(cè)用戶可以有多個(gè)社區(qū)，每個(gè)社區(qū)下面有多個(gè)場(chǎng)景，場(chǎng)景中包含各類傳感器。

3.4 數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊主要用于對(duì)用戶個(gè)人信息、社區(qū)、場(chǎng)景和傳感器等信息進(jìn)行管理。社區(qū)管理子模塊為用戶展示屬于該用戶的所有注冊(cè)社區(qū)。場(chǎng)景管理子模塊提供場(chǎng)景注冊(cè)方便用戶，包括修改、注銷、查詢以及添加場(chǎng)景等。賬號(hào)管理子模塊主要提供給用戶進(jìn)行個(gè)人信息維護(hù)，同時(shí)管理員還具有其他功能權(quán)限。

3.5 數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)分析模塊主要為用戶提供查詢傳感器歷史數(shù)據(jù)，分析報(bào)警信息等功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，消防傳感器也更加智能化、多樣化。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為社區(qū)安全管理提供一種智慧消防管理系統(tǒng)平臺(tái)，使得各種消防傳感器能夠更加方便地為用戶提供服務(wù)，隨時(shí)通過手機(jī)、電腦查詢消防設(shè)備最新運(yùn)行狀況，及時(shí)獲取消防場(chǎng)景火災(zāi)情況，從而實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警的目的。本文通過分析社區(qū)中的消防需求，設(shè)計(jì)了智能消防監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)，與多個(gè)不同消防平臺(tái)互相通信，使得不同種類的消防傳感器節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)接入平臺(tái)，最終提供一個(gè)通用的消防監(jiān)控平臺(tái)。