物聯網在智能建筑安全防范系統中的應用

　　摘　要：針對傳統智能建筑安全防范系統在布線、功能、可靠性等方面存在的問題，采用新興的物聯網安全防范系統設計方法，對安全防范系統的感知層、網絡層、應用層進行了合理的配置，同時應用無線傳感器網絡、無線射頻識別和互聯網等技術，設計了一種基于物聯網技術的智能建筑遠程安全防范系統從而有效地解決了傳統安全防范系統中存在的問題。

　　關鍵詞：物聯網;智能建筑;安全防范系統設計;互聯網

　　0　引　言

　　智能建筑技術是指通過建筑物的結構、設備、服務和管理，根據用戶的需求進行最優化組合，從而為用戶提供一個高效、舒適、便利的人性化建筑環境。它是傳統建筑與新興信息技術結合的產物，通常包括五個子系統(即5A系統)：BAS(Building Automation System，樓宇自動化系統)、CAS(Communication Automation System，通訊自動化系統)、OAS(Office Automation System, 辦公自動化系統)、FAS( Fire Automation System, 消防自動化系統)和SAS( Security Automation System,安全防范自動化系統)。其中，SAS是根據建筑物的使用功能、建設標準及安全管理需要，綜合運用電子信息技術、計算機網絡技術、安全防范技術、自動控制等技術構成的先進、可靠、經濟、配套的安全技術防范體系，是智能建筑系統的一個主要子系統，它關系著人們的生命與財產安全。安全防范系統(以下簡稱安防系統)主要針對以下兩個

　　方面進行防護和防范：一是防止人為的破壞(如非法入侵等);二是防止自然災害的破壞(如火災、煤氣泄漏等)。隨著人們安全防范意識的進一步增強和對建筑物智能化水平要求的不斷提高，傳統智能建筑安防系統在布線、功能、可靠性以及維護等方面的問題也越來越明顯。

　　信息技術日新月異地發展，與建筑智能化技術融合也不斷深入，特別是近年來，物聯網技術的興起，為智能建筑安防系統的實現提供了新的思路與更理想的解決方案。

　　物聯網是多種通信手段融合的一種新興網絡，已對傳統互聯網進行了延伸和擴展。物聯網中的物體可以通過嵌入其中的智能感應裝置、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(GPS)等信息傳感設備，按約定的協議與互聯網相連，最終形成物與物、人與物之間的自動化信息交換與處理的智能網絡。用戶可通過電腦或手機等終端實現對物體的識別、定位、跟蹤、監控和管理。

　　1　傳統安防系統的不足及物聯網技術的優勢

　　物聯網有三個特征：一是全面感知，它可利用RFID、傳感器和二維碼等隨時隨地獲取物體的信息;二是可靠傳輸，可通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去;三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。將物聯網技術應用于傳統智能建筑安防系統

　　具有以下幾個方面的優勢。

　　1.1 布線優勢

　　傳統安防系統在建筑物內的布線方式可以采用電話線、總線、電話線、專線等多種方式，但其總線容量大，集成度高，對線路敷設、抗干擾、總線隔離技術要求等。對于智能家居來說，在家庭內部可共用總線，但在各個家庭間不適合用同一根總線。電話線不需要額外布線，但電話線帶寬窄，容易產生信號堵塞，且不適合傳輸圖形、圖像等信號;專線信號傳輸性能

　　好，但安防系統包含的子系統較多，各子系統均采用專線，則布線繁雜，增加了施工和維護難度。另外，對于舊建筑改造，以上幾種布線方式都存在改造工作量大等問題。

　　物聯網中的無線傳感器網絡技術能有效解決上述問題?；跓o線傳感器網絡的安防系統布線不受建筑物本身的限制，可以按照需要方便地接入各種無線傳感器，從而為設計、施工、維護以及改造提供了極大的方便，同時也節約了大量的布線材料，在人們不易到達的地方或危險的區域布置，更是具有得天獨厚的優勢。在各傳感器中設置RFID(無線射頻識別)裝置，可實現對傳感器的識別與定位。

　　1.2遠程監控的實現

　　傳統的安防系統將各種安防探測器信號集中至管理中心(如大樓保安管理中心或小區管理中心等)，由中心的智能管理設備或值班人員對這些信號進行監控與聯動處理。這種結構僅局限于建筑物或小區內部實施安防，而無法滿足遠程監控的應用場合，如智能家居中的遠程監控等。

　　物聯網技術為獨立的安防網絡與幾乎無處不在的互聯網建立起溝通的橋梁，安防管理人員或者住戶本人可以隨時隨地通過各種終端(計算機或手機)對建筑空間進行主動監控、當發生異常情況時，報警信號能夠及時發送給監控者或住戶本人。

　　1.3傳感器的智能化

　　目前智能建筑系統中的各種安防子系統(如門禁、視頻監控、火災報警等子系統)之間相互獨立，而且所采用的傳感器絕大多數功能單一，沒有智能化。例如，對非法入侵檢測的紅外線探測器，只要監測到紅外信號，無論是否確實為非法入侵，都會產生報警信號;視頻監控攝像機只具有攝像功能。這樣，雖然在報警后，各系統之間能夠產生相應的聯動，但在產生報警信號方面，彼此之間沒有配合。物聯網技術中的每個傳感器都是一個智能化的節點，具有信息采集、數據處理和通信三方面的功能。它不僅可以使傳感器本身具有智能處理數據的功能，而且可以將各種安防子系統組織在一起，形成具有智能聯動的系統。如紅外探測器節點檢測到報警信號后，首先經過節點本身數據處理模塊對該信號進行判斷，以判斷其是否符合非法入侵的紅外信號特征，同時可經通信模塊與視頻監控節點聯動，由攝像機采樣報警部位的圖像，然后對其進行圖像分析，進一步確認是否滿足非法入侵圖像特征，最后決定是否產生報警。這樣就可以有效減少或防止誤報警的產生。

　　1.4網絡可靠性優勢

　　在傳統的布線方式中，如果總線出現故障，那么，這條總線上所有的監控設備都將處于癱瘓狀態。而物聯網的無線傳感器網絡各節點地位平等，通過分布式算法可以協調彼此的行為，實現自動組網。由于消除了中心節點，因而具有很強的健壯性和抗毀性。無線傳感器網絡各節點的通信是利用中間節點的轉發，形成網絡的多跳路由，而不是由專用的路由設備(如

　　路由器)完成。因此，即使個別節點出現故障，其他節點的通信仍然可以依靠彼此維持，從而提高了網絡的可靠性。

　　2　基于物聯網技術的遠程安防系統結構

　　通常物聯網應用系統可以分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層主要是識別物體，采集信息;網絡層主要是信息傳遞和處理，實現通信與互聯網的網絡融合;應用層則是物聯網與行業專業技術的深度融合，其與行業需求結合，實現行業智能化。下面以一個基于物聯網技術的智能家居遠程安防系統為例來介紹其系統結構，其系統結構框圖如圖1所示。

　　圖1　智能家居遠程安防系統結構框圖

　　由圖1可見，該智能家居遠程安防系統由三部分組成。其中，家庭無線傳感器網絡、互聯網、監控終端依次對應物聯網的感知層、網絡層、應用層。家庭無線傳感器網絡由設置于家庭內部的各種安防傳感器、家庭智能網關組成。安防傳感器一般包括玻璃碎裂傳感器、門窗防盜監測模塊、嵌入式攝像機、人體紅外探測器、感煙探測器、燃氣泄露傳感器以及報警按鈕等。各傳感器均作為無線傳感網絡的一個節點。傳感器節點組成框圖如圖2所示。其中傳感模塊由于完成對現場環境的監測;MUC微處理器為該節點的控制中心，MCU可采用單片機或DSP等實現;RF射頻通信模塊負責無線信號的發射與接收，同時可為該節點定義一個網絡中唯一的身份編碼。無線網絡組網方式采用Zigbee網絡協議實現。Zigbee是一種新興的近距離無線組網技術，由節點群組成面向任務的分布式網絡，可通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監測。智能家庭網關處在智能家庭網絡的中心位置，是通信、決策、報警的核心。其主要功能有兩個：一是對布防在家庭中的各個安防節點進行環境數據采集和處理;二是通過GSM/GPRS模塊將報警信號提交到網絡層以實現遠程通信。

　　圖2　傳感器節點組成框圖

　　網絡層是家庭無線傳感器網絡和外界的通信橋梁。它一方面可以通過GSM/GPRS網絡直接向用戶手機發送報警、現場信號或者接收用戶的控制命令;另一方面可以將現場信息發送至互聯網的服務器。常用的監控終端包括手機和連接在互聯網上的計算機，用戶可以通過在其上運行的監控軟件實現各種各樣的監控功能。

　　3　物聯網亟待解決的問題

　　雖然將物聯網技術應用于智能建筑的安防系統具有顯著的優勢，但由于其仍處于初期發展階段，所以也存在一些迫切需要解決的問題。

　　首先是節點電池能量、計算能力和存儲容量有限等問題。物聯網中的無線傳感器網絡節點會受到體積的限制，所以其存儲空間、通信帶寬都比較有限，而且節點需要持續供電，目前大多節點產品只能靠配備電池供電，因此，其使用周期受到嚴重制約。

　　其次是物聯網對網絡的容錯能力要求高的問題。傳感器網絡具有很強的異構性，節點的增加、刪除或失效較多，從而使整個系統呈現高度的動態性，這對無線傳感器網絡的通信算法提出了很高的要求，特別是對于安防系統這種對可靠性要求很高的應用場合。

　　另外，還有信息安全問題。一方面，基于物聯網技術的安防系統在建筑物內部大多借助無線傳輸，這種暴露的信號很容易被竊取，也容易被干擾，這將直接影響到系統的安全;另一方面，物聯網將建筑物內部的安防監控系統連接到開放的互聯網中，在引入了互聯網的眾多優點的同時，也引入了互聯網中的安全隱患，如病毒攻擊等，可能使系統徹底癱瘓，或泄露建筑物內住戶的個人隱私。

　　上述問題都制約著物聯網技術在智能建筑安防系統中的應用，相信隨著物聯網技術的發展，這些問題都會得到較好地解決。

　　4　結　語

　　物聯網技術是多學科交叉的前沿學科，具有良好的發展空間和廣闊的應用前景。本文針對傳統智能建筑安防系統中存在的問題，提出了一種基于物聯網技術的遠程安防系統的應用方案，分析了其優勢與亟待解決的問題。該方案對物聯網技術融入智能建筑其他子系統的應用也具有一定的參考價值。