基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合安防系統(tǒng)設(shè)計分析

王智

（中通服建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

5G 技術(shù)的發(fā)展使得物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和指令控制功能強大，時延達到毫秒級內(nèi)，并在安防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。安防系統(tǒng)主要利用感知設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，前端配置溫度、濕度、視頻、煙霧傳感器、攝像頭等，采集模擬數(shù)字信號和圖片數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測環(huán)境和事件。系統(tǒng)具備預警、可視化展示、中斷控制等功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對目標對象的全方位防護。

1 系統(tǒng)基本原理

本系統(tǒng)應(yīng)用到廣東省佛山市的小區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)對小區(qū)住戶和室外的全方位安全防護。綜合安防系統(tǒng)通過將各種感知設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸和存儲技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)相互融合，實現(xiàn)對安全環(huán)境的全面監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)分析和遠程控制，以提高安全性和響應(yīng)能力。綜合安防系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 綜合安防系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)前端在不同位置安裝攝像頭、傳感器等感知設(shè)備，用于感知環(huán)境中的安全事件和異常情況，支持入侵、火災(zāi)、煙霧、漏水等檢測，實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)會傳輸?shù)街行姆?wù)器或云平臺。數(shù)據(jù)傳輸模塊中感知設(shè)備通過無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器或云平臺，使用WiˉFi、藍牙、LoRaWAN 等通信協(xié)議。傳輸?shù)街行姆?wù)器或云平臺后數(shù)據(jù)會被存儲和處理。系統(tǒng)中的云平臺負責收集和存儲來自感知設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進行大數(shù)據(jù)分析和處理，該過程主要對數(shù)據(jù)進行實時分析、異常檢測、行為識別等處理，以提取有用的信息和模式。系統(tǒng)終端連接手機應(yīng)用程序及Web 界面，用戶可遠程監(jiān)控安防系統(tǒng)的狀態(tài)、查看實時視頻、接收警報通知等。用戶可以隨時了解安全環(huán)境，并在發(fā)生異常事件時采取相應(yīng)的措施[1]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)應(yīng)用于住宅小區(qū)場景之中，具備視頻監(jiān)控、燃氣檢測、火災(zāi)檢測、漏水檢測功能。各系統(tǒng)之間的信息共享，并賦予其拓展性功能。各個子系統(tǒng)之間獨立分控，在核心集成實現(xiàn)對各安全風險的協(xié)同防范。系統(tǒng)包括前端感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、中心系統(tǒng)等，具體功能模塊如圖2 所示。

圖2 綜合安防系統(tǒng)功能模塊

2.1 感知層設(shè)計

感知層是綜合安防系統(tǒng)的底層，負責感知環(huán)境中的安全事件和異常情況。它包括各種感知設(shè)備，如攝像頭、傳感器等。感知設(shè)備采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便后續(xù)處理和分析。感知層傳感器包括溫度傳感器、煙霧探測器等，感知層參數(shù)如表1 所示。

表1 綜合安防系統(tǒng)感知層參數(shù)

以上是部分感知層設(shè)備參數(shù)，傳感器、攝像頭安裝 在特定的位置之后采用無線通信方式實現(xiàn)與中心系統(tǒng)的連接，將采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容以可視化的方式呈現(xiàn)。系統(tǒng)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸層完成數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化和處理。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計

傳輸層是綜合安防系統(tǒng)的中間層，負責將感知層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或中心服務(wù)器。它使用無線通信技術(shù)（如WiˉFi、藍牙、LoRaWAN）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ哪繕?。傳輸層還可以負責數(shù)據(jù)壓縮、加密和校驗等功能，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩訹2]。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層使用WiˉFi 通信模式+WAN 通信模式，內(nèi)置無線通信模塊和LoRaWAN 通信模塊，使其數(shù)據(jù)傳輸強大。傳輸層的通信系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。

2.3 中心系統(tǒng)設(shè)計

中心系統(tǒng)是綜合安防系統(tǒng)的頂層，負責數(shù)據(jù)的存儲、分析和決策。它包括云平臺或中心服務(wù)器，用于接收、存儲和處理來自傳輸層的數(shù)據(jù)。中心系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法對數(shù)據(jù)進行處理和分析，以提取有用的信息和模式，并生成相應(yīng)的警報和決策結(jié)果。中心系統(tǒng)還提供用戶界面，使用戶可以遠程監(jiān)控安防系統(tǒng)的狀態(tài)、查看實時視頻、接收警報通知等。中心系統(tǒng)建立云平臺，設(shè)置中心服務(wù)器，具體參數(shù)如表3所示。

表3 中心系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

綜合安防系統(tǒng)的感知層、傳輸層和中心系統(tǒng)相互協(xié)作，實現(xiàn)對安全環(huán)境的全面監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)分析和遠程控制。感知層負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)，傳輸層負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行南到y(tǒng)，由其負責存儲、分析和決策。通過這3個功能模塊的協(xié)同作用，綜合安防系統(tǒng)能夠提高安全性、響應(yīng)能力和管理效率。

3 智能安防系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 電路綜合設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的檢測模塊電路可以用于檢測煙霧并觸發(fā)報警，以提供對火災(zāi)、燃氣泄漏的實時監(jiān)測和預警功能。煙霧報警器如圖3 所示。

圖3 煙霧報警器

首先，設(shè)計人員需要選擇合適的傳感器。例如，在煙霧傳感器中選擇一款光電式煙霧傳感器。該傳感器可通過煙霧顆粒的散射和吸收來檢測煙霧的存在。傳感器輸出數(shù)字信號，其中高電平表示檢測到煙霧，低電平表示未檢測到煙霧。隨后設(shè)計人員將傳感器的輸出信號連接到一個微控制器，以便處理和分析信號。為了實現(xiàn)系統(tǒng)運行功耗最低，選擇一款低功耗的微控制器Raspberry Pi。微控制器通過數(shù)字輸入引腳讀取傳感器的輸出信號，并根據(jù)設(shè)定的閾值判斷是否觸發(fā)報警。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計人員在電路中添加濾波電路和放大電路。濾波電路負責濾除傳感器信號中的噪聲和干擾，確保準確地檢測煙霧。放大電路負責增加傳感器信號的幅度，以提高系統(tǒng)的靈敏度和響應(yīng)能力[3]。

系統(tǒng)運行期間，一旦微控制器檢測到煙霧超過設(shè)定的閾值會觸發(fā)一個開關(guān)電路，用于觸發(fā)報警信號。開關(guān)電路為場效應(yīng)晶體管（MOSFET），用于控制報警器的工作。報警器是一個聲音發(fā)生器和一個閃光燈模塊。聲音發(fā)生器通過一個驅(qū)動電路連接到微控制器，以觸發(fā)報警聲音。閃光燈模塊通過一個驅(qū)動電路連接到微控制器，以觸發(fā)閃光燈報警。為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制功能，設(shè)計人員添加無線通信模塊，該模塊與中心系統(tǒng)進行通信，將報警信息傳輸?shù)街行南到y(tǒng)，并接收中心系統(tǒng)的指令來控制報警器的工作狀態(tài)。

整個電路設(shè)計需要考慮供電電路、傳感器選擇和連接、濾波和放大電路、微控制器的編程和控制邏輯、開關(guān)電路和報警器的驅(qū)動電路、無線通信模塊的配置和通信協(xié)議等方面。設(shè)計人員通過合理的電路設(shè)計和參數(shù)選擇，實現(xiàn)一個基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合安防系統(tǒng)綜合電路設(shè)計，提供對煙霧和火災(zāi)的及時監(jiān)測和報警功能，從而保護人們的生命財產(chǎn)安全[4]。

3.2 電路電源設(shè)計

電路電源是確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定的核心關(guān)鍵，設(shè)計人員選擇一個適配器作為綜合安防系統(tǒng)的主要電源。首先，設(shè)計人員確定系統(tǒng)的功耗需求。這包括所有模塊和設(shè)備的功耗總和，功耗數(shù)值為10W。設(shè)計中綜合安防系統(tǒng)的電源輸入要求是穩(wěn)定的直流電壓，輸入電壓為12V，隨后設(shè)計人員選擇一個適配器來提供所需的電源輸出，適配器參數(shù)為12V。為了確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計人員在此添加保護電路，包括過壓保護、過流保護和短路保護等。電源如圖4 所示。

圖4 電源

過壓保護電路用于防止輸入電壓超過設(shè)定的閾值，從而保護系統(tǒng)免受過高的電壓損害。過壓保護電路是使用穩(wěn)壓二極管和電壓比較器來監(jiān)測輸入電壓，并在超過設(shè)定閾值時觸發(fā)保護機制。過流保護電路主要防止系統(tǒng)的電流超過設(shè)定的閾值，從而保護系統(tǒng)免受過高的電流損害。過流保護電路是使用電流傳感器和比較器來監(jiān)測系統(tǒng)的電流，并在超過設(shè)定閾值時觸發(fā)保護機制。短路保護電路負責防止系統(tǒng)因短路而受到損壞。短路保護電路是使用保險絲或自恢復保險絲來限制電流，并在短路發(fā)生時切斷電源。此外設(shè)計人員添加電池備份系統(tǒng)，以便在主電源故障時提供緊急電源供應(yīng)，確保系統(tǒng)在斷電情況下仍能正常工作，并提供足夠的時間，完成故障排除或緊急處理[5]。

3.3 控制預警功能設(shè)計

綜合安防系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程控制功能和預警功能，上述功能主要通過網(wǎng)絡(luò)連接和智能設(shè)備實現(xiàn)。遠程控制功能允許用戶通過手機應(yīng)用程序、網(wǎng)頁界面或其他遠程控制設(shè)備來控制系統(tǒng)。遠程控制功能模塊中，用戶通過手機應(yīng)用程序、網(wǎng)頁界面或其他遠程控制設(shè)備來與系統(tǒng)進行通信和控制。系統(tǒng)支持多種設(shè)備的遠程控制，例如攝像頭、燈光、門鎖、溫度調(diào)節(jié)器等。用戶可通過遠程控制設(shè)備來實現(xiàn)攝像頭的旋轉(zhuǎn)和縮放、開關(guān)燈光、鎖門、調(diào)整溫度等功能。系統(tǒng)使用TCP/IP 協(xié)議進行通信，并采用加密和身份驗證等安全機制保護通信數(shù)據(jù)的安全性。

預警功能主要通過傳感器和智能算法來實現(xiàn)，以便及時發(fā)現(xiàn)和報警異常情況。系統(tǒng)配備多種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、門磁傳感器等。各類傳感器負責實時監(jiān)測環(huán)境的變化，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)進行處理。

系統(tǒng)使用智能算法和規(guī)則來分析傳感器數(shù)據(jù)，檢測異常情況。一旦系統(tǒng)檢測到異常情況，會通過多種方式通知用戶，其中手機推送通知、短信、郵件等，便于用戶及時了解到系統(tǒng)的狀態(tài)并采取相應(yīng)的措施。

視頻監(jiān)控具備事件預警功能，根據(jù)預設(shè)的規(guī)則和算法識別出特定的事件，如人員闖入、車輛逆行、物體丟失等。這可以通過比對目標的位置、大小、運動軌跡等特征來實現(xiàn)。一旦系統(tǒng)檢測到特定的事件，觸發(fā)相應(yīng)的預警機制，并將相關(guān)視頻片段發(fā)送給安全人員。視頻監(jiān)控裝置如圖5 所示。

圖5 視頻監(jiān)控裝置

4 結(jié)語

綜上所述，電路設(shè)計和程序設(shè)計是安防系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)基于單片機的模擬功能實現(xiàn)了模塊的開發(fā)，采用串行通信模式完成數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送。系統(tǒng)具備視頻監(jiān)控、燃氣檢測、火災(zāi)檢測、漏水檢測功能，配置無線通信模塊，賦予其遠程控制功能，系統(tǒng)能夠自動識別安全隱患和安全事件，為相關(guān)人員預警。