基于物联网的智能楼宇安防监控系统设计

随着城市现代化建设进一步加快和新一代通信技术的快速发展，智能楼宇在各种办公场景中的建设需求越来越大，普及速度越来越快。与此同时，提升智能楼宇安防监控能力的需求也越来越迫切。物联网技术的应用能有效提升智能楼宇安防监控的数字化、自动化和智能化水平。
1 智能楼宇安防监控和物联网应用
1.1 现代安防监控和物联网的应用
在安防监控中，人防、物防、技防是三大有效的基本手段。随着新一代信息技术的发展，特别是物联网技术的快速发展和应用，技防在安防监控中的地位和作用越来越突出和明显，使得人力防范和实体防范的功能大大地进行了延伸、补充和加强。
现代安防监控要求利用网络信息技术和监控设备能实时、快速、真实、长时间不间断地反映被监控对象，能在恶劣环境中用设备代替人工监视，能在出现异常情况时迅速报警，并记录和存储有关数据，为安防监控管理者提供决策支持。物联网在技防上的应用，主要表现为在传统的入侵报警、视频监控、出入口防控等设备基础上充分运用传感器和无线网络，实现安防设备能自动化、智能化、联动化。
1.2 现代智能楼宇的监控通讯基础设施
智能楼宇在建设过程中，充分运用了计算机、信息通信等方面的最先进技术，使建筑物内的电力、运输、照明、空调、防盗防灾等设备协调工作，运用结构化综合布线系统，实现了通信自动化。智能楼宇的这些特点，为运用物联网设计安防监控系统提供了有利的基础。基于物联网的智能楼宇安防监控系统的核心是充分利用楼宇中的网络通讯设备设施，对楼宇中关键场所、重点设施进行实时监控，并对环境异常数据进行记录和报警。
在目前的智能楼宇中，通讯方式一般是有线通讯和无线通讯相结合。因此在设计和布局安防监控设备时，也可以充分利用已有的有线通讯和无线通讯设备。有线通讯技术目前已经十分成熟，能提供高效、快速、便捷的高质量通讯服务，但由于接口和路线位置固定，其应用场所存在一定的局限。无线通讯刚好弥补了有线通讯的不足，无需大量繁杂的布线，能在无线信号有效覆盖的范围内不受位置限制而灵活布置，但信号不及有线通讯稳定，容易受到环境因素影响，通讯质量也不及有线稳定。因此，在智能楼宇中安装监控设备应该充分考虑两种通讯方式，扬长避短，灵活地将有线通讯和无线通讯相结合。
1.3 物联网在智能楼宇安防监控中的应用
物联网可以理解为是通过电子设备对人体器官进行模拟，由互联网彼此联通形成一个整体的系统，从而对人体系统的功能进行延伸。人体是各类天然传感器的集合体，眼、耳、鼻、舌、皮肤等器官分别具有视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉的功能，能自然地感知环境，并由人体的中央处理器大脑做出分析处理后，迅速作出适当的反应和判断。但人体的感知系统存在一定的局限性，在感知范围、运行时间、灵敏程度、可靠性能及信息处理等方面都存在局限，比如人体各器官的感觉阈区间较小，远远不能满足现代生产生活的需要。物联网各个节点的传感器是人身传感器的有效延伸，在安防监控系统中承担并延伸着眼耳口鼻手的功能，如摄像机、红外探测仪等光敏传感器是人眼视觉的模拟和延伸，烟雾传感器等气敏传感器是人鼻嗅觉的模拟和延伸，声音传感器、玻璃破碎探测器等声敏传感器是人耳听觉的模拟和延伸，化学传感器是人口味觉的模拟和延伸，压敏、温敏、流体传感器是人皮肤触觉的模拟和延伸。
智能楼宇的安防监控重点要突出自动、快速、准确、联动等特点。通过物联网的应用，重点在于使楼宇各个重点位置的传感器能实时监测到环境数据的异常，比如红外异常、运动异常、声响异常、气体异常等，并能自动报警，实现设备联动，快速将异常情况清晰地传递给安防管理人员，为实施下一步安防措施提供有效的决策支持。
2 基于物联网的智能楼宇安防监控系统总体架构
智能楼宇的安防监控系统可以基于物联网的三层结构，三层分别是感知层、网络层和应用层，各层的工作原理和功能作用如下：

图1 基于物联网的智能楼宇安防监控系统三层结构
2.1 感知层
工作在整个架构的最底层，是安防监控系统的核心部分，也是采集环境信息的关键部分。感知层主要包括两部分，一是感应器件，二是感应器网络。监控系统中的感应器件主要有：红外传感器、烟雾传感器、玻璃破碎探测器、运动侦测摄像头、声音传感器等，能采集外部环境中的异常数据。感应器网络是由各个感应器节点组成的网络，一般包括RFID网络、WSN 无线传感器网络（Wireless Sensor Network）、WMSN 无线多媒体传感器网络（Wireless Multimedia SensorNetworks）等，其通信距离较短，能采集，处理、分析和传送各种环境或监测对象的信息，包括包括温度、震动、烟雾、噪声、位置、移动物体等等标量数据和视频、音频、图像等多媒体信息。
2.2 网络层
需要融合多种网络通讯技术，其主要作用是将感知层采集的各类信息通过网络技术传输到应用层。智能楼宇的物联网网络层可以基于以太网结构设计，这样一来可以充分利用楼宇中已经建设好的基础承载网络设备设施，二来当需要增加设备时也可以通过增加IP 来标识，具有较好的可扩展性，能使布控的区域更加灵活和广阔。此外，感知层中采集的大量数据可能需要存储备份，如视频监控数据，可以采用云计算服务器或者数据磁盘阵列。
2.3 应用层
是智能楼宇监控物联网与安防管理员的接口。应用层将网络层传输的各类监控数据与安防监控业务需求结合，安防管理人员可以通过各类智能设备终端及其应用及时查看监控动态数据资源，实时接受报警信息。各类智能终端有PC、平板电脑、智能手机、监控电视墙等，在楼宇各个节点的传感器感知到环境异常或非法入侵时，智能终端能及时接受到报警信息，供安防管理人员快速、准确决策。
3 基于物联网的智能楼宇安防监控系统设计
3.1 安防监控系统工作原理
监控系统由硬件和软件组成，硬件主要包括单片机模块、数据处理模块、传感器模块、显示报警模块、存储器模块、蓝牙模块等组成，软件由单片机应用系统及有关程序组成。
一般应用较广泛的单片机核心处理器为SM8952AC25P。当传感器模块感应到入侵时，就会将感应的外界信息转换成电信号，一般包括数字信号和模拟信号，经单片机或微型计算机进行分析处理后，转为报警信号，发出声光报警提醒，通过无线方式，包括WIFI、4G、GPRS、以太网网络等方式传输，传输给联动设备和责任人员，实现实时监控。
安防监控系统的工作流程图如下：

图2 安防监控系统的工作流程图
3.2 传感器节点数据采集
红外传感器可以探测到感应范围内人体发出的红外线，检测是否有人非法进入。人体体温一般在37℃左右，相对恒定，能发出特定波长为8μm-12μm 的红外线。人体红外传感器的热释电元件在接受到人体的红外辐射时，会失去电荷平衡，向外释放电荷，经电路检测处理后就产生了报警信号。
例如，热释电红外传感器HC-SR501，感应范围为7 米以内，工作电压为直流电，约为DC5V-20V。
检测空气异常一般会用到烟雾传感器，用来检测房间中烟雾的浓度，并将其浓度信息转换成电信号传输给中央控制器。当浓度超过一定的阈值时，执行处理单元将会给用户发送报警。一般情况下火灾中烟雾的飘散方向是自下而上的，因此传感器的安装位置应该是在较容易发生火灾场所的天花板顶部或墙壁靠上位置。常见的较高灵敏度的烟雾传感器有NIS-09C、NIS-05A 等，可用于探测空气中的烟雾和灰尘。在一般的商务办公场所，烟雾传感器只要位置安装合适即可起到警报作用。但对于化工工厂，特别是在涉及到易燃易爆气体的生产车间，就需要用到对应的检测可燃气体泄漏的传感器，用于针对性地提高安全生产能力。比如，用于检测一般可燃性气体的NAP-66A、NAP-100AM 等型号传感器，用于专门检测氢气的NAP-100AH，检测一氧化碳的NAP-703，检测硫化氢的NAP-720 等型号的传感器。其工作电压一般为直流电DC6V-18V。
当楼宇出现震动或玻璃被敲击导致破碎时，会产生一种高频声响和次声波。可以通过玻璃破碎探测器对玻璃异常的震动和破碎声响进行监测，从而触发报警。尽量靠近可能被破坏的玻璃，并远离噪声干扰源，以避免因其他声响干扰而误报警。例如，可有效调节灵敏度的Honeywell FG-1625RT玻璃破碎探测器，探测范围在3 米以内，工作电压为直流电DC6V-18V。
运动侦测可以检测到特定区域内由于物体运动而引起的视频图像的变化。运动侦测与红外监控不同，它可以监测到非生物移动而引起的视频图像异常，能避免由光线变化而带来的干扰。运动侦测一般是通过网络摄像头将采集到不同帧的图像按一定算法进行比较分析计算，当变化数值超过一定阈值时自动发送异常画面或异常视频报警。运动侦测可以实现无人值守监控和自动录像报警，能降低人工监控的成本，提高侦测画面变化的准确度，已经被广泛应用于网络摄像机、自识别门禁等安防仪器设施上。
声音传感器使用的是与人耳具有相似频率反应的电麦克风，可以用来监控入侵者可能出现到区域。声音传感器不仅可以分辨声响，还能对声波频率进行分析，甚至能识别语音词汇和谈话内容。声音监控分为声纹识别和语音识别。声纹识别属于生物识别技术，能根据声波中传递的说话人生理和行为特征识别出说话人的身份，而不考虑言语内容；语音识别则能识别出语音信号中语言内容，而不考虑说话人身份。声音具有独有的特征，不受光线的影响，不容易遮挡，并具有方向性，能对声源进行定位，因此在安防中一般结合视频监控广泛应用。
3.3 重点监控布防点选择
应对智能楼宇中各监控场所和重要设备设施进行评估，对其进行分类分级，采取不同级别的监控策略。对个楼层确定重点监控场所，不留死角。对安防级别高的重点场所边界，采用红外传感器进行布防，并可采用球形摄像机24 小时无死角采集视频信息；采用运动侦测探头及时传输画面变化异常的报警视频信息。根据实际需要，在重点监控区域安装声纹识别或语音识别传感器. 对重点办公房间门口、楼梯出入口、走廊过道采用红外摄像机实时监控，并存储视频信息备份。
对公共场所、禁烟区、或存在易燃易爆物品的场所，密集安装烟雾传感器。在玻璃门窗3 米内安装玻璃破碎探测器，监控玻璃被震动或袭击的异常情况。