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 長春 130118）

0 引 言

隨著國民經(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、人工智能、視聯(lián)網(wǎng)，打破城市孤島建設(shè)，將實(shí)現(xiàn)無所不在的連接和無所不能的智能。智慧城市的建設(shè)離不開先進(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)的各個環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)是指通過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，安全問題也成為人們普遍關(guān)心的焦點(diǎn)問題之一。人們對各種安全問題的關(guān)注程度日益提高，要求也越來越高。例如，公共交通安全、火災(zāi)預(yù)警、天氣預(yù)報等方面。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]，無法同時兼顧交通監(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)模式單一的問題。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

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、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、移動終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)整體方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 感知層

以交通監(jiān)控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測系統(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)時獲取各種動態(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)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，接收到的數(shù)據(jù)信息通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(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、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)層，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸技術(shù)信息。

通過無線網(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)測系統(tǒng)與微處理器相連；通過2.4 GHz無線收發(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

以移動終端設(shè)備為應(yīng)用層，利用APP或微信小程序在移動終端設(shè)備中搭建安全反饋機(jī)制，提高公眾安全反饋效率，通過APP可實(shí)時向客戶提供設(shè)備信息查詢顯示、故障提醒、安全狀況報警推送等服務(wù)。例如，將產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行存儲，物聯(lián)網(wǎng)云平臺和移動終端設(shè)備還可以從數(shù)據(jù)庫服務(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)各級子系統(tǒng)將警報數(shù)據(jù)上傳至IoT云端平臺后，通過信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在對應(yīng)的行動終端裝置內(nèi)向APP及微信小程序進(jìn)行通報，以等待使用者解除警報。更高級別的響應(yīng)策略是：當(dāng)用戶在一定時間內(nèi)沒有進(jìn)行處理時，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺，向其他距離更近的用戶轉(zhuǎn)發(fā)警報數(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

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、語音播報器、中央處理器、監(jiān)控器、報警器、車載GPS定位模塊、無線網(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、報警器、語音播報器、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊均與中央處理器相連接。語音播報器負(fù)責(zé)進(jìn)行語音播報。

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

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

中央處理器對接收到的車輛信息進(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電子地圖顯示車輛信息；同時，中央處理器通過車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)行語音播報。

中央處理器對接收到的車輛信息進(jìn)行處理，同時通過無線網(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。

2.2 天氣監(jiān)測系統(tǒng)

天氣監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣象臺、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、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊、報警模塊等組成，如圖3所示。

圖3 天氣監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，微處理器分別與報警模塊、氣象臺、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)測模塊用于監(jiān)測降雨量數(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)。

各類傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過無線網(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，通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至氣象臺，再通過無線網(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，實(shí)現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)的傳輸、上報和存儲。

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、蜂鳴器報警模塊、2.4 GHz無線收發(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、圖像采集模塊對周圍情況進(jìn)行監(jiān)測，同時對相關(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通過2.4 GHz無線收發(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2.4 GHz無線收發(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2.4 GHz無線收發(fā)模塊發(fā)送給主控制器，圖像采集模塊采集的現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)通過2.4 GHz無線收發(fā)模塊發(fā)送給主控制器，主控制器對接收到的煙霧粒子信號、溫度數(shù)據(jù)、CO2濃度數(shù)據(jù)、現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，再通過2.4 GHz無線收發(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。

3 系統(tǒng)測試與分析

3.1 交通監(jiān)控系統(tǒng)工作測試

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

（1）獲取信息：中央處理器能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊接收監(jiān)控器獲取的車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，并形成電子圍欄和疏導(dǎo)策略，通過語音播報出來。

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

3.2 天氣監(jiān)測系統(tǒng)工作測試

微處理器對各項天氣信息進(jìn)行判斷，若各項天氣信息的數(shù)值大于設(shè)定的閾值，則微處理器給報警模塊發(fā)送觸發(fā)信號使報警模塊報警。根據(jù)需要，在微處理器中設(shè)定各項天氣信息的閾值，當(dāng)接收到各項天氣信息時進(jìn)行比較計算，根據(jù)比較結(jié)果控制報警模塊。測試結(jié)果見表1所列。

表1 天氣監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果

將各測試項的數(shù)值分別取小于閾值、等于閾值、大于閾值三種情況進(jìn)行測試，當(dāng)測試項的數(shù)值小于閾值時，不報警；當(dāng)測試項的數(shù)值等于閾值和大于閾值時，觸發(fā)對應(yīng)的報警器，發(fā)出警報，且響應(yīng)速度很快，準(zhǔn)確率達(dá)100%。

測試結(jié)果證明，微處理器通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊與氣象臺相連接，并與報警模塊相連接，能夠正常工作。

3.3 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)工作測試

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

表2 火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果

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

測試結(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)，并及時做出響應(yīng)。

4 結(jié) 語

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、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、移動終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測系統(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)時傳送、智能分析與決策。經(jīng)測試，系統(tǒng)使用過程中方便快捷、安全性高，各子系統(tǒng)運(yùn)行良好，其測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。