一種智慧城市公共安全防護系統

王 璐，周 磊，徐興梅

（吉林農業大學 信息技術學院，吉林 長春 130118）

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展和城鎮化建設的不斷加快，智慧城市的建設已成為城鎮化建設的重要內容[1]。智慧城市（SmartCity）是一個復雜的系統，主要包括教育、醫療、運輸、物流、能源和環境保護等方面[2]。未來智慧城市的基礎設施主要是云、物聯網、數據庫、人工智能、視聯網，打破城市孤島建設，將實現無所不在的連接和無所不能的智能。智慧城市的建設離不開先進科技的支撐[3-4]，如物聯網技術。隨著物聯網技術的發展和成熟，物聯網技術已經滲透到智慧城市建設的各個環節。物聯網是指通過Internet實現數據傳輸的網絡范例，它是由智能實體不斷產生數據，實現物體和物體之間的互聯互通。

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心的焦點問題之一。人們對各種安全問題的關注程度日益提高，要求也越來越高。例如，公共交通安全、火災預警、天氣預報等方面。目前現有的公共安全防護系統的防護方式單一[5-6]，無法同時兼顧交通監控、天氣監控[7]、火災監控[8-10]等功能，且多為有線安防系統，存在線路老化、壽命短、費用增加等問題。本研究提出一種智慧城市公共安全保護系統，旨在解決現有安防系統模式單一的問題。

1 系統整體方案設計

智慧城市公共安全防護系統（SMART）主要由物聯網云平臺、數據庫服務器、移動終端設備、網關、交通監控系統、天氣監測系統、火災監控系統等組成。系統整體方案設計如圖1所示。

圖1 系統整體方案設計

1.1 感知層

以交通監控系統、天氣監測系統、火災監控系統作為最基礎的感知層，利用傳感技術實時獲取各種動態信息，形成用于網絡傳輸的技術信息。感知層可以更好地適應不同場所的不同安防需要。

感知層采集到的所有數據信息通過無線網絡上傳到物聯網云平臺，接收到的數據信息通過物聯網云平臺進行篩選和分析，將信息轉發或轉存到數據庫服務器保存，并按照相應的規則邏輯進行后續操作。

1.2 網絡層

以物聯網云平臺、數據庫服務器、網關作為網絡層，通過有線或無線網絡實時傳輸技術信息。

通過無線網絡數據傳輸模塊，將交通監控系統與中央處理器相連、天氣監測系統與微處理器相連；通過2.4 GHz無線收發模塊，將火災監控系統與主控制器相連。

1.3 應用層

以移動終端設備為應用層，利用APP或微信小程序在移動終端設備中搭建安全反饋機制，提高公眾安全反饋效率，通過APP可實時向客戶提供設備信息查詢顯示、故障提醒、安全狀況報警推送等服務。例如，將產生的新的數據信息轉存至數據庫服務器進行存儲，物聯網云平臺和移動終端設備還可以從數據庫服務器中調用數據信息進行使用。

利用APP、微信小程序等移動端設備中的社交屬性，構建多用戶互助的安全反饋機制。當各級子系統將警報數據上傳至IoT云端平臺后，通過信息轉發機制，在對應的行動終端裝置內向APP及微信小程序進行通報，以等待使用者解除警報。更高級別的響應策略是：當用戶在一定時間內沒有進行處理時，通過物聯網云平臺，向其他距離更近的用戶轉發警報數據，實現多用戶互助的安全反饋機制。

2 系統軟件設計

2.1 交通監控系統

交通監控系統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、監控器、報警器、車載GPS定位模塊、無線網絡數據傳輸模塊組成，如圖2所示。

圖2 交通監控系統的結構框圖

電子地圖設置在顯示器中。顯示器、報警器、語音播報器、無線網絡數據傳輸模塊均與中央處理器相連接。語音播報器負責進行語音播報。

監控器為若干個，分別設置在道路兩側，通過監控器獲取車輛的圖像信息，并通過無線網絡數據傳輸模塊將車輛的圖像信息傳輸給中央處理器。

車載GPS定位模塊分別設置在不同車輛上，獲取不同車輛的位置信息，并通過無線網絡數據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行處理，將其轉換成電子地圖可以顯示的數據格式，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策略，并將所建立的電子圍欄和疏導策略進行語音播報。

中央處理器對接收到的車輛信息進行處理，同時通過無線網絡數據傳輸模塊上傳至交通指揮中心和物聯網云平臺。

2.2 天氣監測系統

天氣監測系統主要由氣象臺、風力傳感器、光強傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、降雨量監測模塊、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、無線網絡數據傳輸模塊、報警模塊等組成，如圖3所示。

圖3 天氣監測系統的結構框圖

通過無線網絡數據傳輸模塊，微處理器分別與報警模塊、氣象臺、風力傳感器、光強傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、水量監測模塊、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。

風力傳感器用于采集風速數據，光強傳感器用于采集光照強度數據，溫度傳感器用于采集空氣溫度數據，濕度傳感器用于采集空氣濕度數據，降雨量監測模塊用于監測降雨量數據，PM2.5傳感器用于采集空氣中細微顆粒物濃度數據，SO2傳感器用于采集空氣中SO2濃度數據，NO傳感器用于采集空氣中NO濃度數據，CO傳感器用于采集空氣中CO濃度數據，氣壓傳感器用于采集大氣壓強數據。

各類傳感器采集的數據均通過無線網絡數據傳輸模塊傳輸至微處理器，微處理器處理各種天氣信息，通過無線網絡數據傳輸模塊上傳至氣象臺，再通過無線網絡數據傳輸模塊與網關上傳至物聯網云平臺，實現信息交互和數據的傳輸、上報和存儲。

2.3 火災監控系統

火災監控系統主要由火警指揮中心、主控制器、蜂鳴器報警模塊、2.4 GHz無線收發模塊、煙霧傳感器、溫度監控模塊、CO2傳感器、圖像采集模塊等組成，如圖4所示。

圖4 火災監控系統的結構框圖

根據需要設置煙霧傳感器、溫度監控模塊、CO2傳感器、圖像采集模塊的安裝地點和安裝數量。設備開啟后，煙霧傳感器、溫度監控模塊、CO2傳感器、圖像采集模塊對周圍情況進行監測，同時對相關數據進行采集。

煙霧傳感器采集到的煙霧粒子信號通過2.4 GHz無線收發模塊發送給主控制器，溫度監控模塊采集的溫度數據通過2.4 GHz無線收發模塊發送給主控制器，CO2傳感器采集的CO2濃度數據通過2.4 GHz無線收發模塊發送給主控制器，圖像采集模塊采集的現場圖像數據通過2.4 GHz無線收發模塊發送給主控制器，主控制器對接收到的煙霧粒子信號、溫度數據、CO2濃度數據、現場圖像數據分別進行處理，再通過2.4 GHz無線收發模塊將轉換后的數據上傳至火警指揮中心和物聯網云平臺。

3 系統測試與分析

3.1 交通監控系統工作測試

模擬車輛信息，測試交通監控系統的性能，通過獲取信息、處理信息、智能決策三方面進行測試。

（1）獲取信息：中央處理器能夠通過無線網絡數據傳輸模塊接收監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網云平臺，并形成電子圍欄和疏導策略，通過語音播報出來。

測試結果證明，該系統能夠及時準確地獲取復雜路面車輛信息并進行處理，形成智能決策方案，系統中各個部分能夠正常接收并處理信息。

3.2 天氣監測系統工作測試

微處理器對各項天氣信息進行判斷，若各項天氣信息的數值大于設定的閾值，則微處理器給報警模塊發送觸發信號使報警模塊報警。根據需要，在微處理器中設定各項天氣信息的閾值，當接收到各項天氣信息時進行比較計算，根據比較結果控制報警模塊。測試結果見表1所列。

表1 天氣監測系統測試結果

將各測試項的數值分別取小于閾值、等于閾值、大于閾值三種情況進行測試，當測試項的數值小于閾值時，不報警；當測試項的數值等于閾值和大于閾值時，觸發對應的報警器，發出警報，且響應速度很快，準確率達100%。

測試結果證明，微處理器通過無線網絡數據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 火災監控系統工作測試

主控制器對煙霧粒子信號、溫度數據、CO2濃度數據分別進行比較判斷，當煙霧粒子信號大于設定的閾值時，通過主控制器觸發蜂鳴器報警模塊中的第一蜂鳴器報警器發出警報；當溫度大于設定的閾值時，通過主控制器觸發蜂鳴器報警模塊中的第二蜂鳴器報警器發出警報；當CO2濃度大于設定的閾值時，通過主控制器觸發蜂鳴器報警模塊中的第三蜂鳴器報警器發出警報。測試結果見表2所列。

表2 火災監測系統測試結果

將各測試項的數值分別取小于閾值、等于閾值、大于閾值三種情況進行測試，當測試項的數值小于閾值時，蜂鳴器不報警；當測試項的數值等于或大于閾值時，觸發對應的蜂鳴器，發出警報，且響應速度很快，準確率達100%。

測試結果證明，火災監控系統各模塊之間信息暢通，能正常采集數據并上傳，終端節點能準確接收數據，并及時做出響應。

4 結 語

本研究構建了智慧城市公共安全防護系統，包括物聯網云平臺、數據庫服務器、移動終端設備、網關、交通監控系統、天氣監測系統和火災監控系統等，實現了交通、天氣、火災等信息的實時傳送、智能分析與決策。經測試，系統使用過程中方便快捷、安全性高，各子系統運行良好，其測試成果將為智慧城市公共安全防護的進一步發展提供參考。