基于物聯網的智能樓宇安防監控系統設計

隨著城市現代化建設進一步加快和新一代通信技術的快速發展，智能樓宇在各種辦公場景中的建設需求越來越大，普及速度越來越快。與此同時，提升智能樓宇安防監控能力的需求也越來越迫切。物聯網技術的應用能有效提升智能樓宇安防監控的數字化、自動化和智能化水平。
1 智能樓宇安防監控和物聯網應用
1.1 現代安防監控和物聯網的應用
在安防監控中，人防、物防、技防是三大有效的基本手段。隨著新一代信息技術的發展，特別是物聯網技術的快速發展和應用，技防在安防監控中的地位和作用越來越突出和明顯，使得人力防范和實體防范的功能大大地進行了延伸、補充和加強。
現代安防監控要求利用網絡信息技術和監控設備能實時、快速、真實、長時間不間斷地反映被監控對象，能在惡劣環境中用設備代替人工監視，能在出現異常情況時迅速報警，并記錄和存儲有關數據，為安防監控管理者提供決策支持。物聯網在技防上的應用，主要表現為在傳統的入侵報警、視頻監控、出入口防控等設備基礎上充分運用傳感器和無線網絡，實現安防設備能自動化、智能化、聯動化。
1.2 現代智能樓宇的監控通訊基礎設施
智能樓宇在建設過程中，充分運用了計算機、信息通信等方面的最先進技術，使建筑物內的電力、運輸、照明、空調、防盜防災等設備協調工作，運用結構化綜合布線系統，實現了通信自動化。智能樓宇的這些特點，為運用物聯網設計安防監控系統提供了有利的基礎。基于物聯網的智能樓宇安防監控系統的核心是充分利用樓宇中的網絡通訊設備設施，對樓宇中關鍵場所、重點設施進行實時監控，并對環境異常數據進行記錄和報警。
在目前的智能樓宇中，通訊方式一般是有線通訊和無線通訊相結合。因此在設計和布局安防監控設備時，也可以充分利用已有的有線通訊和無線通訊設備。有線通訊技術目前已經十分成熟，能提供高效、快速、便捷的高質量通訊服務，但由于接口和路線位置固定，其應用場所存在一定的局限。無線通訊剛好彌補了有線通訊的不足，無需大量繁雜的布線，能在無線信號有效覆蓋的范圍內不受位置限制而靈活布置，但信號不及有線通訊穩定，容易受到環境因素影響，通訊質量也不及有線穩定。因此，在智能樓宇中安裝監控設備應該充分考慮兩種通訊方式，揚長避短，靈活地將有線通訊和無線通訊相結合。
1.3 物聯網在智能樓宇安防監控中的應用
物聯網可以理解為是通過電子設備對人體器官進行模擬，由互聯網彼此聯通形成一個整體的系統，從而對人體系統的功能進行延伸。人體是各類天然傳感器的集合體，眼、耳、鼻、舌、皮膚等器官分別具有視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺的功能，能自然地感知環境，并由人體的中央處理器大腦做出分析處理后，迅速作出適當的反應和判斷。但人體的感知系統存在一定的局限性，在感知范圍、運行時間、靈敏程度、可靠性能及信息處理等方面都存在局限，比如人體各器官的感覺閾區間較小，遠遠不能滿足現代生產生活的需要。物聯網各個節點的傳感器是人身傳感器的有效延伸，在安防監控系統中承擔并延伸著眼耳口鼻手的功能，如攝像機、紅外探測儀等光敏傳感器是人眼視覺的模擬和延伸，煙霧傳感器等氣敏傳感器是人鼻嗅覺的模擬和延伸，聲音傳感器、玻璃破碎探測器等聲敏傳感器是人耳聽覺的模擬和延伸，化學傳感器是人口味覺的模擬和延伸，壓敏、溫敏、流體傳感器是人皮膚觸覺的模擬和延伸。
智能樓宇的安防監控重點要突出自動、快速、準確、聯動等特點。通過物聯網的應用，重點在于使樓宇各個重點位置的傳感器能實時監測到環境數據的異常，比如紅外異常、運動異常、聲響異常、氣體異常等，并能自動報警，實現設備聯動，快速將異常情況清晰地傳遞給安防管理人員，為實施下一步安防措施提供有效的決策支持。
2 基于物聯網的智能樓宇安防監控系統總體架構
智能樓宇的安防監控系統可以基于物聯網的三層結構，三層分別是感知層、網絡層和應用層，各層的工作原理和功能作用如下：

圖1 基于物聯網的智能樓宇安防監控系統三層結構
2.1 感知層
工作在整個架構的最底層，是安防監控系統的核心部分，也是采集環境信息的關鍵部分。感知層主要包括兩部分，一是感應器件，二是感應器網絡。監控系統中的感應器件主要有：紅外傳感器、煙霧傳感器、玻璃破碎探測器、運動偵測攝像頭、聲音傳感器等，能采集外部環境中的異常數據。感應器網絡是由各個感應器節點組成的網絡，一般包括RFID網絡、WSN 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）、WMSN 無線多媒體傳感器網絡（Wireless Multimedia SensorNetworks）等，其通信距離較短，能采集，處理、分析和傳送各種環境或監測對象的信息，包括包括溫度、震動、煙霧、噪聲、位置、移動物體等等標量數據和視頻、音頻、圖像等多媒體信息。
2.2 網絡層
需要融合多種網絡通訊技術，其主要作用是將感知層采集的各類信息通過網絡技術傳輸到應用層。智能樓宇的物聯網網絡層可以基于以太網結構設計，這樣一來可以充分利用樓宇中已經建設好的基礎承載網絡設備設施，二來當需要增加設備時也可以通過增加IP 來標識，具有較好的可擴展性，能使布控的區域更加靈活和廣闊。此外，感知層中采集的大量數據可能需要存儲備份，如視頻監控數據，可以采用云計算服務器或者數據磁盤陣列。
2.3 應用層
是智能樓宇監控物聯網與安防管理員的接口。應用層將網絡層傳輸的各類監控數據與安防監控業務需求結合，安防管理人員可以通過各類智能設備終端及其應用及時查看監控動態數據資源，實時接受報警信息。各類智能終端有PC、平板電腦、智能手機、監控電視墻等，在樓宇各個節點的傳感器感知到環境異常或非法入侵時，智能終端能及時接受到報警信息，供安防管理人員快速、準確決策。
3 基于物聯網的智能樓宇安防監控系統設計
3.1 安防監控系統工作原理
監控系統由硬件和軟件組成，硬件主要包括單片機模塊、數據處理模塊、傳感器模塊、顯示報警模塊、存儲器模塊、藍牙模塊等組成，軟件由單片機應用系統及有關程序組成。
一般應用較廣泛的單片機核心處理器為SM8952AC25P。當傳感器模塊感應到入侵時，就會將感應的外界信息轉換成電信號，一般包括數字信號和模擬信號，經單片機或微型計算機進行分析處理后，轉為報警信號，發出聲光報警提醒，通過無線方式，包括WIFI、4G、GPRS、以太網網絡等方式傳輸，傳輸給聯動設備和責任人員，實現實時監控。
安防監控系統的工作流程圖如下：

圖2 安防監控系統的工作流程圖
3.2 傳感器節點數據采集
紅外傳感器可以探測到感應范圍內人體發出的紅外線，檢測是否有人非法進入。人體體溫一般在37℃左右，相對恒定，能發出特定波長為8μm-12μm 的紅外線。人體紅外傳感器的熱釋電元件在接受到人體的紅外輻射時，會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經電路檢測處理后就產生了報警信號。
例如，熱釋電紅外傳感器HC-SR501，感應范圍為7 米以內，工作電壓為直流電，約為DC5V-20V。
檢測空氣異常一般會用到煙霧傳感器，用來檢測房間中煙霧的濃度，并將其濃度信息轉換成電信號傳輸給中央控制器。當濃度超過一定的閾值時，執行處理單元將會給用戶發送報警。一般情況下火災中煙霧的飄散方向是自下而上的，因此傳感器的安裝位置應該是在較容易發生火災場所的天花板頂部或墻壁靠上位置。常見的較高靈敏度的煙霧傳感器有NIS-09C、NIS-05A 等，可用于探測空氣中的煙霧和灰塵。在一般的商務辦公場所，煙霧傳感器只要位置安裝合適即可起到警報作用。但對于化工工廠，特別是在涉及到易燃易爆氣體的生產車間，就需要用到對應的檢測可燃氣體泄漏的傳感器，用于針對性地提高安全生產能力。比如，用于檢測一般可燃性氣體的NAP-66A、NAP-100AM 等型號傳感器，用于專門檢測氫氣的NAP-100AH，檢測一氧化碳的NAP-703，檢測硫化氫的NAP-720 等型號的傳感器。其工作電壓一般為直流電DC6V-18V。
當樓宇出現震動或玻璃被敲擊導致破碎時，會產生一種高頻聲響和次聲波。可以通過玻璃破碎探測器對玻璃異常的震動和破碎聲響進行監測，從而觸發報警。盡量靠近可能被破壞的玻璃，并遠離噪聲干擾源，以避免因其他聲響干擾而誤報警。例如，可有效調節靈敏度的Honeywell FG-1625RT玻璃破碎探測器，探測范圍在3 米以內，工作電壓為直流電DC6V-18V。
運動偵測可以檢測到特定區域內由于物體運動而引起的視頻圖像的變化。運動偵測與紅外監控不同，它可以監測到非生物移動而引起的視頻圖像異常，能避免由光線變化而帶來的干擾。運動偵測一般是通過網絡攝像頭將采集到不同幀的圖像按一定算法進行比較分析計算，當變化數值超過一定閾值時自動發送異常畫面或異常視頻報警。運動偵測可以實現無人值守監控和自動錄像報警，能降低人工監控的成本，提高偵測畫面變化的準確度，已經被廣泛應用于網絡攝像機、自識別門禁等安防儀器設施上。
聲音傳感器使用的是與人耳具有相似頻率反應的電麥克風，可以用來監控入侵者可能出現到區域。聲音傳感器不僅可以分辨聲響，還能對聲波頻率進行分析，甚至能識別語音詞匯和談話內容。聲音監控分為聲紋識別和語音識別。聲紋識別屬于生物識別技術，能根據聲波中傳遞的說話人生理和行為特征識別出說話人的身份，而不考慮言語內容；語音識別則能識別出語音信號中語言內容，而不考慮說話人身份。聲音具有獨有的特征，不受光線的影響，不容易遮擋，并具有方向性，能對聲源進行定位，因此在安防中一般結合視頻監控廣泛應用。
3.3 重點監控布防點選擇
應對智能樓宇中各監控場所和重要設備設施進行評估，對其進行分類分級，采取不同級別的監控策略。對個樓層確定重點監控場所，不留死角。對安防級別高的重點場所邊界，采用紅外傳感器進行布防，并可采用球形攝像機24 小時無死角采集視頻信息；采用運動偵測探頭及時傳輸畫面變化異常的報警視頻信息。根據實際需要，在重點監控區域安裝聲紋識別或語音識別傳感器. 對重點辦公房間門口、樓梯出入口、走廊過道采用紅外攝像機實時監控，并存儲視頻信息備份。
對公共場所、禁煙區、或存在易燃易爆物品的場所，密集安裝煙霧傳感器。在玻璃門窗3 米內安裝玻璃破碎探測器，監控玻璃被震動或襲擊的異常情況。