一種智慧城市公共安全防護(hù)系統(tǒng)

王 璐，周 磊，徐興梅

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，智慧城市的建設(shè)已成為城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。智慧城市（SmartCity）是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要包括教育、醫(yī)療、運(yùn)輸、物流、能源和環(huán)境保護(hù)等方面[2]。未來(lái)智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施主要是云、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能、視聯(lián)網(wǎng)，打破城市孤島建設(shè)，將實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的連接和無(wú)所不能的智能。智慧城市的建設(shè)離不開(kāi)先進(jìn)科技的支撐[3-4]，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到智慧城市建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)范例，它是由智能實(shí)體不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物體和物體之間的互聯(lián)互通。

隨著人民群眾生活水平的不斷提高，安全問(wèn)題也成為人們普遍關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。人們對(duì)各種安全問(wèn)題的關(guān)注程度日益提高，要求也越來(lái)越高。例如，公共交通安全、火災(zāi)預(yù)警、天氣預(yù)報(bào)等方面。目前現(xiàn)有的公共安全防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)方式單一[5-6]，無(wú)法同時(shí)兼顧交通監(jiān)控、天氣監(jiān)控[7]、火災(zāi)監(jiān)控[8-10]等功能，且多為有線安防系統(tǒng)，存在線路老化、壽命短、費(fèi)用增加等問(wèn)題。本研究提出一種智慧城市公共安全保護(hù)系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有安防系統(tǒng)模式單一的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

智慧城市公共安全防護(hù)系統(tǒng)（SMART）主要由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、移動(dòng)終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 感知層

以交通監(jiān)控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)作為最基礎(chǔ)的感知層，利用傳感技術(shù)實(shí)時(shí)獲取各種動(dòng)態(tài)信息，形成用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)信息。感知層可以更好地適應(yīng)不同場(chǎng)所的不同安防需要。

感知層采集到的所有數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，接收到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行篩選和分析，將信息轉(zhuǎn)發(fā)或轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器保存，并按照相應(yīng)的規(guī)則邏輯進(jìn)行后續(xù)操作。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

以物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)信息。

通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，將交通監(jiān)控系統(tǒng)與中央處理器相連、天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與微處理器相連；通過(guò)2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊，將火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與主控制器相連。

1.3 應(yīng)用層

以移動(dòng)終端設(shè)備為應(yīng)用層，利用APP或微信小程序在移動(dòng)終端設(shè)備中搭建安全反饋機(jī)制，提高公眾安全反饋效率，通過(guò)APP可實(shí)時(shí)向客戶提供設(shè)備信息查詢顯示、故障提醒、安全狀況報(bào)警推送等服務(wù)。例如，將產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和移動(dòng)終端設(shè)備還可以從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中調(diào)用數(shù)據(jù)信息進(jìn)行使用。

利用APP、微信小程序等移動(dòng)端設(shè)備中的社交屬性，構(gòu)建多用戶互助的安全反饋機(jī)制。當(dāng)各級(jí)子系統(tǒng)將警報(bào)數(shù)據(jù)上傳至IoT云端平臺(tái)后，通過(guò)信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在對(duì)應(yīng)的行動(dòng)終端裝置內(nèi)向APP及微信小程序進(jìn)行通報(bào)，以等待使用者解除警報(bào)。更高級(jí)別的響應(yīng)策略是：當(dāng)用戶在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行處理時(shí)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，向其他距離更近的用戶轉(zhuǎn)發(fā)警報(bào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多用戶互助的安全反饋機(jī)制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 交通監(jiān)控系統(tǒng)

交通監(jiān)控系統(tǒng)主要由交通指揮中心、顯示器、電子地圖、語(yǔ)音播報(bào)器、中央處理器、監(jiān)控器、報(bào)警器、車(chē)載GPS定位模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，如圖2所示。

圖2 交通監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

電子地圖設(shè)置在顯示器中。顯示器、報(bào)警器、語(yǔ)音播報(bào)器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊均與中央處理器相連接。語(yǔ)音播報(bào)器負(fù)責(zé)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

監(jiān)控器為若干個(gè)，分別設(shè)置在道路兩側(cè)，通過(guò)監(jiān)控器獲取車(chē)輛的圖像信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將車(chē)輛的圖像信息傳輸給中央處理器。

車(chē)載GPS定位模塊分別設(shè)置在不同車(chē)輛上，獲取不同車(chē)輛的位置信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將信息傳輸給中央處理器。

中央處理器對(duì)接收到的車(chē)輛信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成電子地圖可以顯示的數(shù)據(jù)格式，并傳輸給顯示器中通過(guò)電子地圖顯示車(chē)輛信息；同時(shí)，中央處理器通過(guò)車(chē)輛的圖像信息和位置信息形成電子圍欄和疏導(dǎo)策略，并將所建立的電子圍欄和疏導(dǎo)策略進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

中央處理器對(duì)接收到的車(chē)輛信息進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至交通指揮中心和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

2.2 天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣象臺(tái)、風(fēng)力傳感器、光強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、降雨量監(jiān)測(cè)模塊、PM2.5傳感器、SO2傳感器、NO傳感器、CO傳感器、氣壓傳感器、微處理器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊、報(bào)警模塊等組成，如圖3所示。

圖3 天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，微處理器分別與報(bào)警模塊、氣象臺(tái)、風(fēng)力傳感器、光強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、水量監(jiān)測(cè)模塊、PM2.5傳感器、SO2傳感器、NO傳感器、CO傳感器、氣壓傳感器等模塊相連接。

風(fēng)力傳感器用于采集風(fēng)速數(shù)據(jù)，光強(qiáng)傳感器用于采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，溫度傳感器用于采集空氣溫度數(shù)據(jù)，濕度傳感器用于采集空氣濕度數(shù)據(jù)，降雨量監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)降雨量數(shù)據(jù)，PM2.5傳感器用于采集空氣中細(xì)微顆粒物濃度數(shù)據(jù)，SO2傳感器用于采集空氣中SO2濃度數(shù)據(jù)，NO傳感器用于采集空氣中NO濃度數(shù)據(jù)，CO傳感器用于采集空氣中CO濃度數(shù)據(jù)，氣壓傳感器用于采集大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。

各類(lèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至微處理器，微處理器處理各種天氣信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至氣象臺(tái)，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊與網(wǎng)關(guān)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)的傳輸、上報(bào)和存儲(chǔ)。

2.3 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要由火警指揮中心、主控制器、蜂鳴器報(bào)警模塊、2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊、煙霧傳感器、溫度監(jiān)控模塊、CO2傳感器、圖像采集模塊等組成，如圖4所示。

圖4 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)需要設(shè)置煙霧傳感器、溫度監(jiān)控模塊、CO2傳感器、圖像采集模塊的安裝地點(diǎn)和安裝數(shù)量。設(shè)備開(kāi)啟后，煙霧傳感器、溫度監(jiān)控模塊、CO2傳感器、圖像采集模塊對(duì)周?chē)闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

煙霧傳感器采集到的煙霧粒子信號(hào)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給主控制器，溫度監(jiān)控模塊采集的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給主控制器，CO2傳感器采集的CO2濃度數(shù)據(jù)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給主控制器，圖像采集模塊采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給主控制器，主控制器對(duì)接收到的煙霧粒子信號(hào)、溫度數(shù)據(jù)、CO2濃度數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，再通過(guò)2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)上傳至火警指揮中心和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 交通監(jiān)控系統(tǒng)工作測(cè)試

模擬車(chē)輛信息，測(cè)試交通監(jiān)控系統(tǒng)的性能，通過(guò)獲取信息、處理信息、智能決策三方面進(jìn)行測(cè)試。

（1）獲取信息：中央處理器能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊接收監(jiān)控器獲取的車(chē)輛圖像信息及定位信息。

（2）處理信息：中央處理器將接收到的信息轉(zhuǎn)換成電子地圖。

（3）智能決策：中央處理器將處理的信息上傳至交通指揮中心和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并形成電子圍欄和疏導(dǎo)策略，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)出來(lái)。

測(cè)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地獲取復(fù)雜路面車(chē)輛信息并進(jìn)行處理，形成智能決策方案，系統(tǒng)中各個(gè)部分能夠正常接收并處理信息。

3.2 天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作測(cè)試

微處理器對(duì)各項(xiàng)天氣信息進(jìn)行判斷，若各項(xiàng)天氣信息的數(shù)值大于設(shè)定的閾值，則微處理器給報(bào)警模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)使報(bào)警模塊報(bào)警。根據(jù)需要，在微處理器中設(shè)定各項(xiàng)天氣信息的閾值，當(dāng)接收到各項(xiàng)天氣信息時(shí)進(jìn)行比較計(jì)算，根據(jù)比較結(jié)果控制報(bào)警模塊。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

將各測(cè)試項(xiàng)的數(shù)值分別取小于閾值、等于閾值、大于閾值三種情況進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)測(cè)試項(xiàng)的數(shù)值小于閾值時(shí)，不報(bào)警；當(dāng)測(cè)試項(xiàng)的數(shù)值等于閾值和大于閾值時(shí)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的報(bào)警器，發(fā)出警報(bào)，且響應(yīng)速度很快，準(zhǔn)確率達(dá)100%。

測(cè)試結(jié)果證明，微處理器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊與氣象臺(tái)相連接，并與報(bào)警模塊相連接，能夠正常工作。

3.3 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)工作測(cè)試

主控制器對(duì)煙霧粒子信號(hào)、溫度數(shù)據(jù)、CO2濃度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較判斷，當(dāng)煙霧粒子信號(hào)大于設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)主控制器觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警模塊中的第一蜂鳴器報(bào)警器發(fā)出警報(bào)；當(dāng)溫度大于設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)主控制器觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警模塊中的第二蜂鳴器報(bào)警器發(fā)出警報(bào)；當(dāng)CO2濃度大于設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)主控制器觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警模塊中的第三蜂鳴器報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

將各測(cè)試項(xiàng)的數(shù)值分別取小于閾值、等于閾值、大于閾值三種情況進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)測(cè)試項(xiàng)的數(shù)值小于閾值時(shí)，蜂鳴器不報(bào)警；當(dāng)測(cè)試項(xiàng)的數(shù)值等于或大于閾值時(shí)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)，且響應(yīng)速度很快，準(zhǔn)確率達(dá)100%。

測(cè)試結(jié)果證明，火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)各模塊之間信息暢通，能正常采集數(shù)據(jù)并上傳，終端節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，并及時(shí)做出響應(yīng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究構(gòu)建了智慧城市公共安全防護(hù)系統(tǒng)，包括物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、移動(dòng)終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了交通、天氣、火災(zāi)等信息的實(shí)時(shí)傳送、智能分析與決策。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)使用過(guò)程中方便快捷、安全性高，各子系統(tǒng)運(yùn)行良好，其測(cè)試成果將為智慧城市公共安全防護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。