一种智慧城市公共安全防护系统

王 璐，周 磊，徐兴梅

（吉林农业大学 信息技术学院，吉林 长春 130118）

0 引 言

随着国民经济的快速发展和城镇化建设的不断加快，智慧城市的建设已成为城镇化建设的重要内容[1]。智慧城市（SmartCity）是一个复杂的系统，主要包括教育、医疗、运输、物流、能源和环境保护等方面[2]。未来智慧城市的基础设施主要是云、物联网、数据库、人工智能、视联网，打破城市孤岛建设，将实现无所不在的连接和无所不能的智能。智慧城市的建设离不开先进科技的支撑[3-4]，如物联网技术。随着物联网技术的发展和成熟，物联网技术已经渗透到智慧城市建设的各个环节。物联网是指通过Internet实现数据传输的网络范例，它是由智能实体不断产生数据，实现物体和物体之间的互联互通。

随着人民群众生活水平的不断提高，安全问题也成为人们普遍关心的焦点问题之一。人们对各种安全问题的关注程度日益提高，要求也越来越高。例如，公共交通安全、火灾预警、天气预报等方面。目前现有的公共安全防护系统的防护方式单一[5-6]，无法同时兼顾交通监控、天气监控[7]、火灾监控[8-10]等功能，且多为有线安防系统，存在线路老化、寿命短、费用增加等问题。本研究提出一种智慧城市公共安全保护系统，旨在解决现有安防系统模式单一的问题。

1 系统整体方案设计

智慧城市公共安全防护系统（SMART）主要由物联网云平台、数据库服务器、移动终端设备、网关、交通监控系统、天气监测系统、火灾监控系统等组成。系统整体方案设计如图1所示。

图1 系统整体方案设计

1.1 感知层

以交通监控系统、天气监测系统、火灾监控系统作为最基础的感知层，利用传感技术实时获取各种动态信息，形成用于网络传输的技术信息。感知层可以更好地适应不同场所的不同安防需要。

感知层采集到的所有数据信息通过无线网络上传到物联网云平台，接收到的数据信息通过物联网云平台进行筛选和分析，将信息转发或转存到数据库服务器保存，并按照相应的规则逻辑进行后续操作。

1.2 网络层

以物联网云平台、数据库服务器、网关作为网络层，通过有线或无线网络实时传输技术信息。

通过无线网络数据传输模块，将交通监控系统与中央处理器相连、天气监测系统与微处理器相连；通过2.4 GHz无线收发模块，将火灾监控系统与主控制器相连。

1.3 应用层

以移动终端设备为应用层，利用APP或微信小程序在移动终端设备中搭建安全反馈机制，提高公众安全反馈效率，通过APP可实时向客户提供设备信息查询显示、故障提醒、安全状况报警推送等服务。例如，将产生的新的数据信息转存至数据库服务器进行存储，物联网云平台和移动终端设备还可以从数据库服务器中调用数据信息进行使用。

利用APP、微信小程序等移动端设备中的社交属性，构建多用户互助的安全反馈机制。当各级子系统将警报数据上传至IoT云端平台后，通过信息转发机制，在对应的行动终端装置内向APP及微信小程序进行通报，以等待使用者解除警报。更高级别的响应策略是：当用户在一定时间内没有进行处理时，通过物联网云平台，向其他距离更近的用户转发警报数据，实现多用户互助的安全反馈机制。

2 系统软件设计

2.1 交通监控系统

交通监控系统主要由交通指挥中心、显示器、电子地图、语音播报器、中央处理器、监控器、报警器、车载GPS定位模块、无线网络数据传输模块组成，如图2所示。

图2 交通监控系统的结构框图

电子地图设置在显示器中。显示器、报警器、语音播报器、无线网络数据传输模块均与中央处理器相连接。语音播报器负责进行语音播报。

监控器为若干个，分别设置在道路两侧，通过监控器获取车辆的图像信息，并通过无线网络数据传输模块将车辆的图像信息传输给中央处理器。

车载GPS定位模块分别设置在不同车辆上，获取不同车辆的位置信息，并通过无线网络数据传输模块将信息传输给中央处理器。

中央处理器对接收到的车辆信息进行处理，将其转换成电子地图可以显示的数据格式，并传输给显示器中通过电子地图显示车辆信息；同时，中央处理器通过车辆的图像信息和位置信息形成电子围栏和疏导策略，并将所建立的电子围栏和疏导策略进行语音播报。

中央处理器对接收到的车辆信息进行处理，同时通过无线网络数据传输模块上传至交通指挥中心和物联网云平台。

2.2 天气监测系统

天气监测系统主要由气象台、风力传感器、光强传感器、温度传感器、湿度传感器、降雨量监测模块、PM2.5传感器、SO2传感器、NO传感器、CO传感器、气压传感器、微处理器、无线网络数据传输模块、报警模块等组成，如图3所示。

图3 天气监测系统的结构框图

通过无线网络数据传输模块，微处理器分别与报警模块、气象台、风力传感器、光强传感器、温度传感器、湿度传感器、水量监测模块、PM2.5传感器、SO2传感器、NO传感器、CO传感器、气压传感器等模块相连接。

风力传感器用于采集风速数据，光强传感器用于采集光照强度数据，温度传感器用于采集空气温度数据，湿度传感器用于采集空气湿度数据，降雨量监测模块用于监测降雨量数据，PM2.5传感器用于采集空气中细微颗粒物浓度数据，SO2传感器用于采集空气中SO2浓度数据，NO传感器用于采集空气中NO浓度数据，CO传感器用于采集空气中CO浓度数据，气压传感器用于采集大气压强数据。

各类传感器采集的数据均通过无线网络数据传输模块传输至微处理器，微处理器处理各种天气信息，通过无线网络数据传输模块上传至气象台，再通过无线网络数据传输模块与网关上传至物联网云平台，实现信息交互和数据的传输、上报和存储。

2.3 火灾监控系统

火灾监控系统主要由火警指挥中心、主控制器、蜂鸣器报警模块、2.4 GHz无线收发模块、烟雾传感器、温度监控模块、CO2传感器、图像采集模块等组成，如图4所示。

图4 火灾监控系统的结构框图

根据需要设置烟雾传感器、温度监控模块、CO2传感器、图像采集模块的安装地点和安装数量。设备开启后，烟雾传感器、温度监控模块、CO2传感器、图像采集模块对周围情况进行监测，同时对相关数据进行采集。

烟雾传感器采集到的烟雾粒子信号通过2.4 GHz无线收发模块发送给主控制器，温度监控模块采集的温度数据通过2.4 GHz无线收发模块发送给主控制器，CO2传感器采集的CO2浓度数据通过2.4 GHz无线收发模块发送给主控制器，图像采集模块采集的现场图像数据通过2.4 GHz无线收发模块发送给主控制器，主控制器对接收到的烟雾粒子信号、温度数据、CO2浓度数据、现场图像数据分别进行处理，再通过2.4 GHz无线收发模块将转换后的数据上传至火警指挥中心和物联网云平台。

3 系统测试与分析

3.1 交通监控系统工作测试

模拟车辆信息，测试交通监控系统的性能，通过获取信息、处理信息、智能决策三方面进行测试。

（1）获取信息：中央处理器能够通过无线网络数据传输模块接收监控器获取的车辆图像信息及定位信息。

（2）处理信息：中央处理器将接收到的信息转换成电子地图。

（3）智能决策：中央处理器将处理的信息上传至交通指挥中心和物联网云平台，并形成电子围栏和疏导策略，通过语音播报出来。

测试结果证明，该系统能够及时准确地获取复杂路面车辆信息并进行处理，形成智能决策方案，系统中各个部分能够正常接收并处理信息。

3.2 天气监测系统工作测试

微处理器对各项天气信息进行判断，若各项天气信息的数值大于设定的阈值，则微处理器给报警模块发送触发信号使报警模块报警。根据需要，在微处理器中设定各项天气信息的阈值，当接收到各项天气信息时进行比较计算，根据比较结果控制报警模块。测试结果见表1所列。

表1 天气监测系统测试结果

将各测试项的数值分别取小于阈值、等于阈值、大于阈值三种情况进行测试，当测试项的数值小于阈值时，不报警；当测试项的数值等于阈值和大于阈值时，触发对应的报警器，发出警报，且响应速度很快，准确率达100%。

测试结果证明，微处理器通过无线网络数据传输模块与气象台相连接，并与报警模块相连接，能够正常工作。

3.3 火灾监控系统工作测试

主控制器对烟雾粒子信号、温度数据、CO2浓度数据分别进行比较判断，当烟雾粒子信号大于设定的阈值时，通过主控制器触发蜂鸣器报警模块中的第一蜂鸣器报警器发出警报；当温度大于设定的阈值时，通过主控制器触发蜂鸣器报警模块中的第二蜂鸣器报警器发出警报；当CO2浓度大于设定的阈值时，通过主控制器触发蜂鸣器报警模块中的第三蜂鸣器报警器发出警报。测试结果见表2所列。

表2 火灾监测系统测试结果

将各测试项的数值分别取小于阈值、等于阈值、大于阈值三种情况进行测试，当测试项的数值小于阈值时，蜂鸣器不报警；当测试项的数值等于或大于阈值时，触发对应的蜂鸣器，发出警报，且响应速度很快，准确率达100%。

测试结果证明，火灾监控系统各模块之间信息畅通，能正常采集数据并上传，终端节点能准确接收数据，并及时做出响应。

4 结 语

本研究构建了智慧城市公共安全防护系统，包括物联网云平台、数据库服务器、移动终端设备、网关、交通监控系统、天气监测系统和火灾监控系统等，实现了交通、天气、火灾等信息的实时传送、智能分析与决策。经测试，系统使用过程中方便快捷、安全性高，各子系统运行良好，其测试成果将为智慧城市公共安全防护的进一步发展提供参考。