基于物聯網的綜合安防系統設計分析

王智

（中通服建設有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

5G 技術的發展使得物聯網數據傳輸和指令控制功能強大，時延達到毫秒級內，并在安防領域廣泛應用。安防系統主要利用感知設備獲取數據，前端配置溫度、濕度、視頻、煙霧傳感器、攝像頭等，采集模擬數字信號和圖片數據，實時監測環境和事件。系統具備預警、可視化展示、中斷控制等功能，并且能夠實現對目標對象的全方位防護。

1 系統基本原理

本系統應用到廣東省佛山市的小區內，實現對小區住戶和室外的全方位安全防護。綜合安防系統通過將各種感知設備、數據傳輸和存儲技術、云計算和大數據分析等技術相互融合，實現對安全環境的全面監測、實時數據分析和遠程控制，以提高安全性和響應能力。綜合安防系統工作原理如圖1 所示。

圖1 綜合安防系統工作原理

系統前端在不同位置安裝攝像頭、傳感器等感知設備，用于感知環境中的安全事件和異常情況，支持入侵、火災、煙霧、漏水等檢測，實時采集相關數據會傳輸到中心服務器或云平臺。數據傳輸模塊中感知設備通過無線通信技術將采集到的數據傳輸到中心服務器或云平臺，使用WiˉFi、藍牙、LoRaWAN 等通信協議。傳輸到中心服務器或云平臺后數據會被存儲和處理。系統中的云平臺負責收集和存儲來自感知設備的數據，并進行大數據分析和處理，該過程主要對數據進行實時分析、異常檢測、行為識別等處理，以提取有用的信息和模式。系統終端連接手機應用程序及Web 界面，用戶可遠程監控安防系統的狀態、查看實時視頻、接收警報通知等。用戶可以隨時了解安全環境，并在發生異常事件時采取相應的措施[1]。

2 系統總體架構

該系統應用于住宅小區場景之中，具備視頻監控、燃氣檢測、火災檢測、漏水檢測功能。各系統之間的信息共享，并賦予其拓展性功能。各個子系統之間獨立分控，在核心集成實現對各安全風險的協同防范。系統包括前端感知層、數據傳輸層、中心系統等，具體功能模塊如圖2 所示。

圖2 綜合安防系統功能模塊

2.1 感知層設計

感知層是綜合安防系統的底層，負責感知環境中的安全事件和異常情況。它包括各種感知設備，如攝像頭、傳感器等。感知設備采集環境數據，并將其轉化為數字信號，以便后續處理和分析。感知層傳感器包括溫度傳感器、煙霧探測器等，感知層參數如表1 所示。

表1 綜合安防系統感知層參數

以上是部分感知層設備參數，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與中心系統的連接，將采集的數據內容以可視化的方式呈現。系統經由數據傳輸層完成數據的格式轉化和處理。

2.2 數據傳輸層設計

傳輸層是綜合安防系統的中間層，負責將感知層采集到的數據傳輸到云平臺或中心服務器。它使用無線通信技術（如WiˉFi、藍牙、LoRaWAN）將數據傳輸到指定的目標。傳輸層還可以負責數據壓縮、加密和校驗等功能，以確保數據傳輸的可靠性和安全性[2]。本系統的數據傳輸層使用WiˉFi 通信模式+WAN 通信模式，內置無線通信模塊和LoRaWAN 通信模塊，使其數據傳輸強大。傳輸層的通信系統參數如表2 所示。

2.3 中心系統設計

中心系統是綜合安防系統的頂層，負責數據的存儲、分析和決策。它包括云平臺或中心服務器，用于接收、存儲和處理來自傳輸層的數據。中心系統利用大數據分析和人工智能算法對數據進行處理和分析，以提取有用的信息和模式，并生成相應的警報和決策結果。中心系統還提供用戶界面，使用戶可以遠程監控安防系統的狀態、查看實時視頻、接收警報通知等。中心系統建立云平臺，設置中心服務器，具體參數如表3所示。

表3 中心系統設計參數

綜合安防系統的感知層、傳輸層和中心系統相互協作，實現對安全環境的全面監測、實時數據分析和遠程控制。感知層負責采集環境數據，傳輸層負責將數據傳輸到中心系統，由其負責存儲、分析和決策。通過這3個功能模塊的協同作用，綜合安防系統能夠提高安全性、響應能力和管理效率。

3 智能安防系統模塊設計

3.1 電路綜合設計

基于物聯網的檢測模塊電路可以用于檢測煙霧并觸發報警，以提供對火災、燃氣泄漏的實時監測和預警功能。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。為了實現系統運行功耗最低，選擇一款低功耗的微控制器Raspberry Pi。微控制器通過數字輸入引腳讀取傳感器的輸出信號，并根據設定的閾值判斷是否觸發報警。為了提高系統的穩定性和可靠性，設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，以提高系統的靈敏度和響應能力[3]。

系統運行期間，一旦微控制器檢測到煙霧超過設定的閾值會觸發一個開關電路，用于觸發報警信號。開關電路為場效應晶體管（MOSFET），用于控制報警器的工作。報警器是一個聲音發生器和一個閃光燈模塊。聲音發生器通過一個驅動電路連接到微控制器，以觸發報警聲音。閃光燈模塊通過一個驅動電路連接到微控制器，以觸發閃光燈報警。為了實現遠程監控和控制功能，設計人員添加無線通信模塊，該模塊與中心系統進行通信，將報警信息傳輸到中心系統，并接收中心系統的指令來控制報警器的工作狀態。

整個電路設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、開關電路和報警器的驅動電路、無線通信模塊的配置和通信協議等方面。設計人員通過合理的電路設計和參數選擇，實現一個基于物聯網的綜合安防系統綜合電路設計，提供對煙霧和火災的及時監測和報警功能，從而保護人們的生命財產安全[4]。

3.2 電路電源設計

電路電源是確保系統運行穩定的核心關鍵，設計人員選擇一個適配器作為綜合安防系統的主要電源。首先，設計人員確定系統的功耗需求。這包括所有模塊和設備的功耗總和，功耗數值為10W。設計中綜合安防系統的電源輸入要求是穩定的直流電壓，輸入電壓為12V，隨后設計人員選擇一個適配器來提供所需的電源輸出，適配器參數為12V。為了確保電源系統的穩定性和可靠性，設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定的閾值，從而保護系統免受過高的電壓損害。過壓保護電路是使用穩壓二極管和電壓比較器來監測輸入電壓，并在超過設定閾值時觸發保護機制。過流保護電路主要防止系統的電流超過設定的閾值，從而保護系統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測系統的電流，并在超過設定閾值時觸發保護機制。短路保護電路負責防止系統因短路而受到損壞。短路保護電路是使用保險絲或自恢復保險絲來限制電流，并在短路發生時切斷電源。此外設計人員添加電池備份系統，以便在主電源故障時提供緊急電源供應，確保系統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 控制預警功能設計

綜合安防系統可實現遠程控制功能和預警功能，上述功能主要通過網絡連接和智能設備實現。遠程控制功能允許用戶通過手機應用程序、網頁界面或其他遠程控制設備來控制系統。遠程控制功能模塊中，用戶通過手機應用程序、網頁界面或其他遠程控制設備來與系統進行通信和控制。系統支持多種設備的遠程控制，例如攝像頭、燈光、門鎖、溫度調節器等。用戶可通過遠程控制設備來實現攝像頭的旋轉和縮放、開關燈光、鎖門、調整溫度等功能。系統使用TCP/IP 協議進行通信，并采用加密和身份驗證等安全機制保護通信數據的安全性。

預警功能主要通過傳感器和智能算法來實現，以便及時發現和報警異常情況。系統配備多種傳感器，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測環境的變化，并將數據發送到系統進行處理。

系統使用智能算法和規則來分析傳感器數據，檢測異常情況。一旦系統檢測到異常情況，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的狀態并采取相應的措施。

視頻監控具備事件預警功能，根據預設的規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。一旦系統檢測到特定的事件，觸發相應的預警機制，并將相關視頻片段發送給安全人員。視頻監控裝置如圖5 所示。

圖5 視頻監控裝置

4 結語

綜上所述，電路設計和程序設計是安防系統應用的基礎，本系統基于單片機的模擬功能實現了模塊的開發，采用串行通信模式完成數據的接收、發送。系統具備視頻監控、燃氣檢測、火災檢測、漏水檢測功能，配置無線通信模塊，賦予其遠程控制功能，系統能夠自動識別安全隱患和安全事件，為相關人員預警。