物聯(lián)網(wǎng)在智能建筑安全防范系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘　要：針對(duì)傳統(tǒng)智能建筑安全防范系統(tǒng)在布線、功能、可靠性等方面存在的問(wèn)題，采用新興的物聯(lián)網(wǎng)安全防范系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)安全防范系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層進(jìn)行了合理的配置，同時(shí)應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線射頻識(shí)別和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能建筑遠(yuǎn)程安全防范系統(tǒng)從而有效地解決了傳統(tǒng)安全防范系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能建筑;安全防范系統(tǒng)設(shè)計(jì);互聯(lián)網(wǎng)

　　0　引　言

　　智能建筑技術(shù)是指通過(guò)建筑物的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、服務(wù)和管理，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行最優(yōu)化組合，從而為用戶提供一個(gè)高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境。它是傳統(tǒng)建筑與新興信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，通常包括五個(gè)子系統(tǒng)(即5A系統(tǒng))：BAS(Building Automation System，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng))、CAS(Communication Automation System，通訊自動(dòng)化系統(tǒng))、OAS(Office Automation System, 辦公自動(dòng)化系統(tǒng))、FAS( Fire Automation System, 消防自動(dòng)化系統(tǒng))和SAS( Security Automation System,安全防范自動(dòng)化系統(tǒng))。其中，SAS是根據(jù)建筑物的使用功能、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及安全管理需要，綜合運(yùn)用電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制等技術(shù)構(gòu)成的先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、配套的安全技術(shù)防范體系，是智能建筑系統(tǒng)的一個(gè)主要子系統(tǒng)，它關(guān)系著人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全。安全防范系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱安防系統(tǒng))主要針對(duì)以下兩個(gè)

　　方面進(jìn)行防護(hù)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(zāi)害的破壞(如火災(zāi)、煤氣泄漏等)。隨著人們安全防范意識(shí)的進(jìn)一步增強(qiáng)和對(duì)建筑物智能化水平要求的不斷提高，傳統(tǒng)智能建筑安防系統(tǒng)在布線、功能、可靠性以及維護(hù)等方面的問(wèn)題也越來(lái)越明顯。

　　信息技術(shù)日新月異地發(fā)展，與建筑智能化技術(shù)融合也不斷深入，特別是近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，為智能建筑安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路與更理想的解決方案。

　　物聯(lián)網(wǎng)是多種通信手段融合的一種新興網(wǎng)絡(luò)，已對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了延伸和擴(kuò)展。物聯(lián)網(wǎng)中的物體可以通過(guò)嵌入其中的智能感應(yīng)裝置、射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相連，最終形成物與物、人與物之間的自動(dòng)化信息交換與處理的智能網(wǎng)絡(luò)。用戶可通過(guò)電腦或手機(jī)等終端實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

　　1　傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　物聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)特征：一是全面感知，它可利用RFID、傳感器和二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息;二是可靠傳輸，可通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去;三是智能處理，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)智能建筑安防系統(tǒng)

　　具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

　　1.1 布線優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)安防系統(tǒng)在建筑物內(nèi)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(duì)線路敷設(shè)、抗干擾、總線隔離技術(shù)要求等。對(duì)于智能家居來(lái)說(shuō)，在家庭內(nèi)部可共用總線，但在各個(gè)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(chǎn)生信號(hào)堵塞，且不適合傳輸圖形、圖像等信號(hào);專線信號(hào)傳輸性能

　　好，但安防系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)較多，各子系統(tǒng)均采用專線，則布線繁雜，增加了施工和維護(hù)難度。另外，對(duì)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(wèn)題。

　　物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能有效解決上述問(wèn)題。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)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(wú)線傳感器，從而為設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)以及改造提供了極大的方便，同時(shí)也節(jié)約了大量的布線材料，在人們不易到達(dá)的地方或危險(xiǎn)的區(qū)域布置，更是具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在各傳感器中設(shè)置RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的識(shí)別與定位。

　　1.2遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

　　傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)將各種安防探測(cè)器信號(hào)集中至管理中心(如大樓保安管理中心或小區(qū)管理中心等)，由中心的智能管理設(shè)備或值班人員對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控與聯(lián)動(dòng)處理。這種結(jié)構(gòu)僅局限于建筑物或小區(qū)內(nèi)部實(shí)施安防，而無(wú)法滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)合，如智能家居中的遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為獨(dú)立的安防網(wǎng)絡(luò)與幾乎無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)建立起溝通的橋梁，安防管理人員或者住戶本人可以隨時(shí)隨地通過(guò)各種終端(計(jì)算機(jī)或手機(jī))對(duì)建筑空間進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)控、當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，報(bào)警信號(hào)能夠及時(shí)發(fā)送給監(jiān)控者或住戶本人。

　　1.3傳感器的智能化

　　目前智能建筑系統(tǒng)中的各種安防子系統(tǒng)(如門禁、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等子系統(tǒng))之間相互獨(dú)立，而且所采用的傳感器絕大多數(shù)功能單一，沒(méi)有智能化。例如，對(duì)非法入侵檢測(cè)的紅外線探測(cè)器，只要監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)，無(wú)論是否確實(shí)為非法入侵，都會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào);視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)只具有攝像功能。這樣，雖然在報(bào)警后，各系統(tǒng)之間能夠產(chǎn)生相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)，但在產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)方面，彼此之間沒(méi)有配合。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的每個(gè)傳感器都是一個(gè)智能化的節(jié)點(diǎn)，具有信息采集、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的功能，而且可以將各種安防子系統(tǒng)組織在一起，形成具有智能聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)。如紅外探測(cè)器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)后，首先經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)本身數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行判斷，以判斷其是否符合非法入侵的紅外信號(hào)特征，同時(shí)可經(jīng)通信模塊與視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)聯(lián)動(dòng)，由攝像機(jī)采樣報(bào)警部位的圖像，然后對(duì)其進(jìn)行圖像分析，進(jìn)一步確認(rèn)是否滿足非法入侵圖像特征，最后決定是否產(chǎn)生報(bào)警。這樣就可以有效減少或防止誤報(bào)警的產(chǎn)生。

　　1.4網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)勢(shì)

　　在傳統(tǒng)的布線方式中，如果總線出現(xiàn)故障，那么，這條總線上所有的監(jiān)控設(shè)備都將處于癱瘓狀態(tài)。而物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)地位平等，通過(guò)分布式算法可以協(xié)調(diào)彼此的行為，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)。由于消除了中心節(jié)點(diǎn)，因而具有很強(qiáng)的健壯性和抗毀性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的通信是利用中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，形成網(wǎng)絡(luò)的多跳路由，而不是由專用的路由設(shè)備(如

　　路由器)完成。因此，即使個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其他節(jié)點(diǎn)的通信仍然可以依靠彼此維持，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

　　2　基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　通常物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要是識(shí)別物體，采集信息;網(wǎng)絡(luò)層主要是信息傳遞和處理，實(shí)現(xiàn)通信與互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)融合;應(yīng)用層則是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，其與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化。下面以一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)為例來(lái)介紹其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1　智能家居遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　由圖1可見(jiàn)，該智能家居遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)由三部分組成。其中，家庭無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控終端依次對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。家庭無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由設(shè)置于家庭內(nèi)部的各種安防傳感器、家庭智能網(wǎng)關(guān)組成。安防傳感器一般包括玻璃碎裂傳感器、門窗防盜監(jiān)測(cè)模塊、嵌入式攝像機(jī)、人體紅外探測(cè)器、感煙探測(cè)器、燃?xì)庑孤秱鞲衅饕约皥?bào)警按鈕等。各傳感器均作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖2所示。其中傳感模塊由于完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè);MUC微處理器為該節(jié)點(diǎn)的控制中心，MCU可采用單片機(jī)或DSP等實(shí)現(xiàn);RF射頻通信模塊負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的發(fā)射與接收，同時(shí)可為該節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的身份編碼。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。Zigbee是一種新興的近距離無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，由節(jié)點(diǎn)群組成面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)各類微型傳感器對(duì)信息目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。智能家庭網(wǎng)關(guān)處在智能家庭網(wǎng)絡(luò)的中心位置，是通信、決策、報(bào)警的核心。其主要功能有兩個(gè)：一是對(duì)布防在家庭中的各個(gè)安防節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理;二是通過(guò)GSM/GPRS模塊將報(bào)警信號(hào)提交到網(wǎng)絡(luò)層以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

　　圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)組成框圖

　　網(wǎng)絡(luò)層是家庭無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外界的通信橋梁。它一方面可以通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)直接向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)或者接收用戶的控制命令;另一方面可以將現(xiàn)場(chǎng)信息發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器。常用的監(jiān)控終端包括手機(jī)和連接在互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)，用戶可以通過(guò)在其上運(yùn)行的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)各種各樣的監(jiān)控功能。

　　3　物聯(lián)網(wǎng)亟待解決的問(wèn)題

　　雖然將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能建筑的安防系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但由于其仍處于初期發(fā)展階段，所以也存在一些迫切需要解決的問(wèn)題。

　　首先是節(jié)點(diǎn)電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量有限等問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)受到體積的限制，所以其存儲(chǔ)空間、通信帶寬都比較有限，而且節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)供電，目前大多節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品只能靠配備電池供電，因此，其使用周期受到嚴(yán)重制約。

　　其次是物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力要求高的問(wèn)題。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的異構(gòu)性，節(jié)點(diǎn)的增加、刪除或失效較多，從而使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)高度的動(dòng)態(tài)性，這對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信算法提出了很高的要求，特別是對(duì)于安防系統(tǒng)這種對(duì)可靠性要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　另外，還有信息安全問(wèn)題。一方面，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安防系統(tǒng)在建筑物內(nèi)部大多借助無(wú)線傳輸，這種暴露的信號(hào)很容易被竊取，也容易被干擾，這將直接影響到系統(tǒng)的安全;另一方面，物聯(lián)網(wǎng)將建筑物內(nèi)部的安防監(jiān)控系統(tǒng)連接到開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)中，在引入了互聯(lián)網(wǎng)的眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也引入了互聯(lián)網(wǎng)中的安全隱患，如病毒攻擊等，可能使系統(tǒng)徹底癱瘓，或泄露建筑物內(nèi)住戶的個(gè)人隱私。

　　上述問(wèn)題都制約著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建筑安防系統(tǒng)中的應(yīng)用，相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題都會(huì)得到較好地解決。

　　4　結(jié)　語(yǔ)

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是多學(xué)科交叉的前沿學(xué)科，具有良好的發(fā)展空間和廣闊的應(yīng)用前景。本文針對(duì)傳統(tǒng)智能建筑安防系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)的應(yīng)用方案，分析了其優(yōu)勢(shì)與亟待解決的問(wèn)題。該方案對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入智能建筑其他子系統(tǒng)的應(yīng)用也具有一定的參考價(jià)值。