基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺設(shè)計

王晶晶 伍 蕊

（衡陽師范學院南岳學院，湖南 衡陽 421008）

0 引言

智慧城市綜合管理平臺是利用信息技術(shù)對城市運行核心系統(tǒng)進行感測、分析、整合、分級以及全方位覆蓋的感知通信網(wǎng)絡(luò)，并按照“標準化、規(guī)范化、主流化、全面化”的原則建設(shè)智慧城市綜合管理平臺。物聯(lián)網(wǎng)是一種“將事物相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)”，它的核心是把各種物體通過無線網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)等多種傳感器與互聯(lián)網(wǎng)進行聯(lián)系，從而實現(xiàn)對各種產(chǎn)品的智能識別與管理。把軟件設(shè)計和硬件設(shè)計相互結(jié)合，進行智慧社區(qū)綜合管理平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于物聯(lián)網(wǎng)將軟件設(shè)計中的應(yīng)用層、平臺層、傳輸層和感知層進行劃分，對監(jiān)控排列排布，以及對監(jiān)控捕捉到的視頻圖像數(shù)據(jù)進行采集，對信息做出處理并重構(gòu)融合，構(gòu)建傳輸層下詳細的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)置超聲波探測感應(yīng)層，對人員車輛和事件動態(tài)做出感知回應(yīng)。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺設(shè)計有效提升了社區(qū)內(nèi)的管理效率，為社區(qū)住戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以物聯(lián)網(wǎng)為核心的智慧社區(qū)綜合管理平臺，依托于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺進行信息的有效共享和有效流通，以提供高質(zhì)量服務(wù)為目的，支持智慧社區(qū)的運營和管理系統(tǒng)，并在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)設(shè)備的廣泛互聯(lián)。整個體系結(jié)構(gòu)分為4 級，該體系以標準規(guī)范體系、信息安全防護體系、運行保障體系為基礎(chǔ)，根據(jù)載體的作用將其分為應(yīng)用層、平臺層、傳輸層、感知層4 個層面，具體框架如圖1 所示。

圖1 智慧社區(qū)綜合管理平臺總體結(jié)構(gòu)

在智能社區(qū)一體化管理的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺上，通過硬件系統(tǒng)來控制傳統(tǒng)的設(shè)備，從而控制傳統(tǒng)設(shè)備。

2 軟件設(shè)計

智慧社區(qū)綜合管理平臺的核心是將分布于社區(qū)中的各個傳感器及功能模塊的信息收集整理，匯總于運營維護管理席，實現(xiàn)一站式綜合管控。因此軟件設(shè)計的重點在于規(guī)劃各層級間的軟件接口，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)處理流程。

2.1 應(yīng)用層

在應(yīng)用層，根據(jù)終端設(shè)備數(shù)量大、響應(yīng)速度快等特點，在應(yīng)用層中進行終端的智能化管理，統(tǒng)一訪問和存儲，以滿足各種不同的設(shè)備的監(jiān)控、安防智慧服務(wù)、人員車輛管理等工作，提供面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的服務(wù)。由于應(yīng)用層中的設(shè)備品牌不一，物聯(lián)網(wǎng)接口型號千差萬別，因此需要針對每臺在網(wǎng)設(shè)備適配一個物聯(lián)網(wǎng)接入電路，將信號轉(zhuǎn)換為標準的格式，方便信號傳輸和后續(xù)處理。物聯(lián)網(wǎng)接入電路采用E2PROM 存儲模塊、PLC 采集模塊，通過建立新的業(yè)務(wù)邏輯，結(jié)合新的應(yīng)用程序和應(yīng)用系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的顆?；?、自包括含和可裝配化的業(yè)務(wù)邏輯，從而使應(yīng)用程序能夠更好地進行交互。對應(yīng)用層來說，最重要的就是智慧社區(qū)內(nèi)監(jiān)控的排布及安全效率。人員車輛管理和安防智慧服務(wù)的基礎(chǔ)是綜合管理平臺中監(jiān)控智慧社區(qū)的動態(tài)，所以專業(yè)的管理服務(wù)離不開優(yōu)秀的攝像頭布置方案。布置方案存在問題，不僅會出現(xiàn)社區(qū)內(nèi)的監(jiān)控死角，難以滿足全方位無死角監(jiān)控的要求，而且有些次要位置的監(jiān)控存在很大程度的重合，造成了監(jiān)控浪費，這種布置方式無疑提升了監(jiān)控成本，控制監(jiān)控布置如公式（1）所示。

式中：為總數(shù)量，為固定式攝像頭所需數(shù)，為云臺攝像頭使用臺數(shù)，為固定式攝像頭數(shù)量，為云臺攝像頭數(shù)量。

一些區(qū)域內(nèi)可允許有一定的監(jiān)控間隔，而且監(jiān)控畫面的質(zhì)量要求可以進一步降低；攝像頭進行重新布置，減少監(jiān)控區(qū)域的大面積重合，提高監(jiān)控效率。攝像頭的核心功能在于安防和緊急情況預警，因此在應(yīng)用層軟件設(shè)計中，重點突出了視頻圖像的采集和信息提取功能設(shè)計，在保證安防監(jiān)控圖像存儲基本功能的基礎(chǔ)上，實時輪換顯示社區(qū)中各個攝像頭的圖像信息，方便物業(yè)管理人員查看并及時作出應(yīng)對行動?；谛^(qū)配置攝像頭的功能和實際需求，應(yīng)用層內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)視頻信息采集流程如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)采集流程圖

為了提高小區(qū)的安全性，智慧社區(qū)綜合管理平臺對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行處理和分析，檢測出特定或異常的行為信息。開始后打開攝像頭，對設(shè)備進行狀態(tài)檢查和視頻格式的調(diào)試，一切完畢后對監(jiān)控范圍內(nèi)記錄下的監(jiān)控信息進行采集，采集到的視頻數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)，匯入緩沖區(qū)的計算方法一般會使用根方差法，其具體做法如下：首先要用算法估計數(shù)據(jù)輸入和輸出的執(zhí)行時間，采用計算方法估計為數(shù)據(jù)輸入的總量，輸入完成的執(zhí)行時間記為s，關(guān)鍵鏈存入數(shù)據(jù)總量的執(zhí)行時間是a，則兩者之差σ為如式（2）所示。

式中：為監(jiān)控緩沖，σ為執(zhí)行時間中的安全時間，為所有數(shù)據(jù)輸入的集合。則非關(guān)鍵鏈的匯入緩沖區(qū)大小如公式（4）所示。

式中：FB為關(guān)鍵鏈上的輸入總量。

如果緩沖區(qū)未存滿，就將輸入的視頻監(jiān)控保存至已有緩存并停止監(jiān)控；如果緩沖區(qū)存滿，就在進行圖像處理后將未保存的視頻指向下一個關(guān)鍵鏈上有空間的緩沖區(qū)，保存并停止監(jiān)控采集，以此循環(huán)直至關(guān)閉監(jiān)控結(jié)束任務(wù)。如重點區(qū)域非法闖入、特定區(qū)域的異常動作，監(jiān)控并對其設(shè)置行為異常預警，應(yīng)用層的主要作用在于幫助提高監(jiān)控效率以及對人員和車輛的管理，增加安防智慧服務(wù)，降低監(jiān)控和管理的人力成本。

為實現(xiàn)智慧社區(qū)的高端服務(wù)功能，需要在車輛管理、視頻圖像監(jiān)控的人車管理基礎(chǔ)上，增加智慧化服務(wù)能力，滿足社區(qū)居民緊急求助、便捷生活、安全保護以及會客管理等全方位的需求。緊急求助包括行動不便居民的出行攙扶輔助需求、突發(fā)險情的救助需求等；便捷生活包括水電氣暖用量提醒與繳費、快遞到門以及物品代管等；安全防護包括非訪客預警、可疑人員防范、居民護送等；會客管理包括訪客身份識別、到訪路線管理、路線接引等。為實現(xiàn)以上功能，需要在園區(qū)的安防監(jiān)控攝像頭中增加人臉抓拍和自動識別功能，做到身份鑒別，其次需要為救助、險情等突發(fā)事件設(shè)立觸發(fā)報警閾值以及居民求助接口，還需要將社區(qū)中所有的生活配套設(shè)施連入園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，可以查詢工作狀態(tài)、控制功能啟停等。以典型的訪客管理功能開發(fā)為例，智慧社區(qū)管理平臺需要接收居民住戶發(fā)來的到訪客人通知，通知中須明確來人身份、數(shù)量、車牌號、到訪目的、停留時長以及參觀路線等信息，為方便居民使用，平臺中設(shè)計語音輸入和自動文字轉(zhuǎn)換功能，對大限度提升用戶的使用體驗；平臺將訪客信息發(fā)布給社區(qū)安保、保潔等服務(wù)人員，并將臨時出入權(quán)限發(fā)送到門禁管理設(shè)備，在用戶數(shù)據(jù)庫中增加訪客信息，同時賦予門禁、車庫、電梯樓層等相應(yīng)的權(quán)限，指定臨時停車位，為訪客發(fā)去路線信息，實現(xiàn)到訪客人全流程的無死角自由訪問，同時兼顧其他居民的隱私保護和公共資源合理分配。

2.2 平臺層

平臺層負責數(shù)據(jù)的運行、維護和管理，可以對感知層收集到的全部數(shù)據(jù)進行實時處理。處理資訊并進行傳感器感知語義提取和執(zhí)行器執(zhí)行動態(tài)關(guān)聯(lián)后重構(gòu)融合，基于底層云平臺的靈活運算與儲存功能，以大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法為基礎(chǔ)，為智慧社區(qū)的運營提供核心業(yè)務(wù)支持。在邊緣節(jié)點中，采用了輕量級的計算平臺和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使平臺層實現(xiàn)了對前端的聯(lián)動控制和實時反應(yīng)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺將通過建立一個完整的信息循環(huán)耦合體系，使能源和能源資源得到最優(yōu)利用。這樣的架構(gòu)可以增強信息和服務(wù)間的交互作用，從而達到在社區(qū)不同地區(qū)間快速傳遞和協(xié)同優(yōu)化的目的。信息的融合是通過傳感器感知，以及執(zhí)行器執(zhí)行過程來實現(xiàn)連續(xù)時間和離散事件系統(tǒng)的耦合，而裝置的信息融合操作取決于控制器的命令，該命令可以是設(shè)備控制器或更高的協(xié)調(diào)控制中心來發(fā)出。在圖3 中顯示了平臺層的具體操作原理和方法，展示了平臺層的信息融合過程。

圖3 平臺層信息融合過程

根據(jù)圖3 和上述介紹內(nèi)容，可以得知信息處理變量如公式（5）和公式（6）所示。

在式（5）中，是資訊處理期間的運算變數(shù)，是感測器所感知及傳送的感知量，是資訊處理變數(shù)與知覺變數(shù)x 間的相關(guān)關(guān)系，是一個特定的運作時間點。根據(jù)式子（5）推導出式子（6），是，和的總體集合。該方法將以上獲得的信息傳送到平臺級，并將其傳送到傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，由相應(yīng)的優(yōu)化目標和約束條件得到目前的運行參數(shù)，從而完成對信息的重組與融合。

2.3 傳輸層

傳輸層主要承載數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，該系統(tǒng)以stm32F103zet6 為主要控制芯片，與各模塊的電路相結(jié)合，可以實時地獲得人員和車輛的動態(tài)信息。通過智能管理平臺與小區(qū)內(nèi)的各種設(shè)備進行統(tǒng)一的控制，實現(xiàn)3G、4G、5G、物聯(lián)網(wǎng)、涉密內(nèi)網(wǎng)等跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，在保障涉密信息安全的前提下實現(xiàn)三網(wǎng)邏輯融合，為智慧社區(qū)所需的跨網(wǎng)業(yè)務(wù)交互提供可靠支撐。智慧園區(qū)傳輸層涵蓋移動3G、4G、5G 以及物聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是獨立的，它和移動互聯(lián)網(wǎng)之間搭建物理上的隔離區(qū)間，它的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)可以將視頻監(jiān)控、人臉識別、周邊安全、動環(huán)、安全日志、智慧社區(qū)用戶的身份信息等內(nèi)容，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的種類，進行有效的安全交換。利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布智慧社區(qū)內(nèi)的非機密公共服務(wù)，并將用戶的身份信息導入物聯(lián)網(wǎng)中，通過二維碼物理隔離技術(shù)實現(xiàn)了與物聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，并在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上進行顯示。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將視頻、圖片、動環(huán)等實時數(shù)據(jù)進行處理、比對，并將監(jiān)控指令和用戶的身份比對等反饋到物聯(lián)網(wǎng)中，再由二維碼物理隔離裝置發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)中，以保證信息的安全傳輸和交換。

2.4 感知層

感知層是利用智能終端如超聲波監(jiān)控等設(shè)備，對各種能源子系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)等進行實時的采集。系統(tǒng)建立與基于物聯(lián)網(wǎng)的智能社區(qū)綜合管理平臺是一個硬件媒體，其主要功能模塊包括無線ESP8266、DHT11溫度采集模塊、MQ135 感應(yīng)模塊，智能社區(qū)綜合管理平臺應(yīng)實現(xiàn)對系統(tǒng)運行與設(shè)備工況等信息的全狀態(tài)采集與觀測，最大限度降低系統(tǒng)的不可觀測性，從而為整個平臺提供基礎(chǔ)支撐。

感知層是由智能終端采集設(shè)備來獲取各種能源子系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)等的數(shù)據(jù)。該文設(shè)計了一個集成的管理平臺，利用超聲波檢測儀對汽車和其他事故進行探測，以確定停車場內(nèi)有無車輛滯留，并將其傳回停車場信息數(shù)據(jù)庫。超聲波的振動頻率很高，一般是超過25kHz的短波，適合于停車場的距離和位置測量。超聲波傳感器采用單一的傳感器發(fā)射和接收回波，采用傳感器發(fā)射和接收超聲脈沖，并根據(jù)超聲波脈沖的發(fā)射和接收的時間間隔來確定與目標位置的距離，測距原理如圖5 所示。

圖5 超聲波測距原理

當感應(yīng)層工作時，其振動頻率為50 kHz，并通過空氣傳播，反彈到傳感器上，通過計算兩次傳播過程中的速度和耗時，便可以計算出這段路程，對停車場的車輛進行定位，如式（7）所示。

式中：τ為在（，）位置上時，信息素所呈現(xiàn)的濃度，為信息素啟發(fā)因子，是τ（）的權(quán)重參數(shù)；η為（，）上的啟發(fā)式信息，為期望值啟發(fā)因子，是η的權(quán)重參數(shù)。

根據(jù)目標函數(shù)找到適當?shù)膬?yōu)化原則，找到一條從起始節(jié)點到達目標節(jié)點且能規(guī)避障礙物的最優(yōu)路徑，通過超聲波檢測器對車位進行監(jiān)測感知，檢測結(jié)果為車位是否有車輛停留并返回車位信息數(shù)據(jù)庫。如果是小區(qū)業(yè)主并且已經(jīng)購買了車位或者是向物業(yè)租賃了車位，則不需要填寫信息，直接進入自己所屬車位即可，且此車位一直在車位信息數(shù)據(jù)庫中被標記有車。除人員車輛外，其余事件動態(tài)的檢測和警報也可以通過超聲波檢測的方法進行感應(yīng)。

3 測試試驗

3.1 試驗準備

該系統(tǒng)采用了SOA 的設(shè)計思想，以滿足J2EE 標準（Web Logic， WebSphere， TongWeb， Tomcat 等）為應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)，采用B/S 三級架構(gòu)，確保了系統(tǒng)的安全運行。該系統(tǒng)由用戶接口層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)存儲層組成。用戶打開應(yīng)用程序，輸入使用者名稱與口令后，系統(tǒng)便會在使用者資料庫中，確認使用者的身份，并輸入正確的使用者口令，才能進入該網(wǎng)站的首頁，若使用者沒有填寫，便無法登錄。智能社群平臺與RFID 裝置進行了交互，并與RFID裝置進行了融合設(shè)計，RFID 裝置對數(shù)據(jù)和智能化社區(qū)系統(tǒng)進行系統(tǒng)優(yōu)化，以滿足現(xiàn)場通信的串行規(guī)格：串行38400波特率，6 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位，不帶標定校準。每個ID 號碼是3 個字節(jié)，轉(zhuǎn)換為6 個ASC 字符發(fā)送。

3.2 試驗結(jié)果

對基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺設(shè)計進行性能檢測，具體要求在實際應(yīng)用中對平臺的實際情況進行仿真，以驗證其在系統(tǒng)中的穩(wěn)定度。系統(tǒng)采用了手動和自動檢測的方式，即：對數(shù)據(jù)檔案進行更改以增加交易次數(shù)；采用自動試驗的方法，對多臺計算機的多臺聯(lián)合試驗進行仿真。對系統(tǒng)的主要測試對象進行篩選，選取5 個管理內(nèi)容，對該系統(tǒng)的運行效率進行測試，所得數(shù)據(jù)見表1。

表1 管理運行數(shù)據(jù)

根據(jù)表1 可知，各項管理內(nèi)容的反應(yīng)時間較為迅速，管理效率較高，該文設(shè)計的智慧社區(qū)綜合管理系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€社區(qū)的各種信息進行精確的監(jiān)測，對不正常的數(shù)據(jù)進行事故分析，通過用戶的報告獲得事故的相關(guān)信息，并將其定位在出事地點，從而獲得事故的詳細情況。該系統(tǒng)具有較高的可靠度，具有良好的工作性能，一致性良好且方便實用。

4 結(jié)語

綜上所述，該設(shè)計從硬件和軟件兩個方面進行綜合管理平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于物聯(lián)網(wǎng)將軟件設(shè)計中的應(yīng)用層、平臺層、傳輸層和感知層進行劃分，估計數(shù)據(jù)輸入和輸出的執(zhí)行時間，對監(jiān)控設(shè)備進行智能提升，對信息進行處理，傳感器感知提取和執(zhí)行器執(zhí)行關(guān)聯(lián)后重構(gòu)融合，設(shè)備實現(xiàn)移動網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)的跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，通過超聲波監(jiān)測對人員車輛、事件動態(tài)等信息進行采集，試驗表明該系統(tǒng)具有較高的可靠度，工作性能良好。