基于物联网的综合安防系统设计分析

2023-12-13王智

大科技 2023年51期

王智

（中通服建设有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

5G 技术的发展使得物联网数据传输和指令控制功能强大，时延达到毫秒级内，并在安防领域广泛应用。安防系统主要利用感知设备获取数据，前端配置温度、湿度、视频、烟雾传感器、摄像头等，采集模拟数字信号和图片数据，实时监测环境和事件。系统具备预警、可视化展示、中断控制等功能，并且能够实现对目标对象的全方位防护。

1 系统基本原理

本系统应用到广东省佛山市的小区内，实现对小区住户和室外的全方位安全防护。综合安防系统通过将各种感知设备、数据传输和存储技术、云计算和大数据分析等技术相互融合，实现对安全环境的全面监测、实时数据分析和远程控制，以提高安全性和响应能力。综合安防系统工作原理如图1 所示。

图1 综合安防系统工作原理

系统前端在不同位置安装摄像头、传感器等感知设备，用于感知环境中的安全事件和异常情况，支持入侵、火灾、烟雾、漏水等检测，实时采集相关数据会传输到中心服务器或云平台。数据传输模块中感知设备通过无线通信技术将采集到的数据传输到中心服务器或云平台，使用WiˉFi、蓝牙、LoRaWAN 等通信协议。传输到中心服务器或云平台后数据会被存储和处理。系统中的云平台负责收集和存储来自感知设备的数据，并进行大数据分析和处理，该过程主要对数据进行实时分析、异常检测、行为识别等处理，以提取有用的信息和模式。系统终端连接手机应用程序及Web 界面，用户可远程监控安防系统的状态、查看实时视频、接收警报通知等。用户可以随时了解安全环境，并在发生异常事件时采取相应的措施[1]。

2 系统总体架构

该系统应用于住宅小区场景之中，具备视频监控、燃气检测、火灾检测、漏水检测功能。各系统之间的信息共享，并赋予其拓展性功能。各个子系统之间独立分控，在核心集成实现对各安全风险的协同防范。系统包括前端感知层、数据传输层、中心系统等，具体功能模块如图2 所示。

图2 综合安防系统功能模块

2.1 感知层设计

感知层是综合安防系统的底层，负责感知环境中的安全事件和异常情况。它包括各种感知设备，如摄像头、传感器等。感知设备采集环境数据，并将其转化为数字信号，以便后续处理和分析。感知层传感器包括温度传感器、烟雾探测器等，感知层参数如表1 所示。

表1 综合安防系统感知层参数

以上是部分感知层设备参数，传感器、摄像头安装在特定的位置之后采用无线通信方式实现与中心系统的连接，将采集的数据内容以可视化的方式呈现。系统经由数据传输层完成数据的格式转化和处理。

2.2 数据传输层设计

传输层是综合安防系统的中间层，负责将感知层采集到的数据传输到云平台或中心服务器。它使用无线通信技术（如WiˉFi、蓝牙、LoRaWAN）将数据传输到指定的目标。传输层还可以负责数据压缩、加密和校验等功能，以确保数据传输的可靠性和安全性[2]。本系统的数据传输层使用WiˉFi 通信模式+WAN 通信模式，内置无线通信模块和LoRaWAN 通信模块，使其数据传输强大。传输层的通信系统参数如表2 所示。

2.3 中心系统设计

中心系统是综合安防系统的顶层，负责数据的存储、分析和决策。它包括云平台或中心服务器，用于接收、存储和处理来自传输层的数据。中心系统利用大数据分析和人工智能算法对数据进行处理和分析，以提取有用的信息和模式，并生成相应的警报和决策结果。中心系统还提供用户界面，使用户可以远程监控安防系统的状态、查看实时视频、接收警报通知等。中心系统建立云平台，设置中心服务器，具体参数如表3所示。

表3 中心系统设计参数

综合安防系统的感知层、传输层和中心系统相互协作，实现对安全环境的全面监测、实时数据分析和远程控制。感知层负责采集环境数据，传输层负责将数据传输到中心系统，由其负责存储、分析和决策。通过这3个功能模块的协同作用，综合安防系统能够提高安全性、响应能力和管理效率。

3 智能安防系统模块设计

3.1 电路综合设计

基于物联网的检测模块电路可以用于检测烟雾并触发报警，以提供对火灾、燃气泄漏的实时监测和预警功能。烟雾报警器如图3 所示。

图3 烟雾报警器

首先，设计人员需要选择合适的传感器。例如，在烟雾传感器中选择一款光电式烟雾传感器。该传感器可通过烟雾颗粒的散射和吸收来检测烟雾的存在。传感器输出数字信号，其中高电平表示检测到烟雾，低电平表示未检测到烟雾。随后设计人员将传感器的输出信号连接到一个微控制器，以便处理和分析信号。为了实现系统运行功耗最低，选择一款低功耗的微控制器Raspberry Pi。微控制器通过数字输入引脚读取传感器的输出信号，并根据设定的阈值判断是否触发报警。为了提高系统的稳定性和可靠性，设计人员在电路中添加滤波电路和放大电路。滤波电路负责滤除传感器信号中的噪声和干扰，确保准确地检测烟雾。放大电路负责增加传感器信号的幅度，以提高系统的灵敏度和响应能力[3]。

系统运行期间，一旦微控制器检测到烟雾超过设定的阈值会触发一个开关电路，用于触发报警信号。开关电路为场效应晶体管（MOSFET），用于控制报警器的工作。报警器是一个声音发生器和一个闪光灯模块。声音发生器通过一个驱动电路连接到微控制器，以触发报警声音。闪光灯模块通过一个驱动电路连接到微控制器，以触发闪光灯报警。为了实现远程监控和控制功能，设计人员添加无线通信模块，该模块与中心系统进行通信，将报警信息传输到中心系统，并接收中心系统的指令来控制报警器的工作状态。

整个电路设计需要考虑供电电路、传感器选择和连接、滤波和放大电路、微控制器的编程和控制逻辑、开关电路和报警器的驱动电路、无线通信模块的配置和通信协议等方面。设计人员通过合理的电路设计和参数选择，实现一个基于物联网的综合安防系统综合电路设计，提供对烟雾和火灾的及时监测和报警功能，从而保护人们的生命财产安全[4]。

3.2 电路电源设计

电路电源是确保系统运行稳定的核心关键，设计人员选择一个适配器作为综合安防系统的主要电源。首先，设计人员确定系统的功耗需求。这包括所有模块和设备的功耗总和，功耗数值为10W。设计中综合安防系统的电源输入要求是稳定的直流电压，输入电压为12V，随后设计人员选择一个适配器来提供所需的电源输出，适配器参数为12V。为了确保电源系统的稳定性和可靠性，设计人员在此添加保护电路，包括过压保护、过流保护和短路保护等。电源如图4 所示。

图4 电源

过压保护电路用于防止输入电压超过设定的阈值，从而保护系统免受过高的电压损害。过压保护电路是使用稳压二极管和电压比较器来监测输入电压，并在超过设定阈值时触发保护机制。过流保护电路主要防止系统的电流超过设定的阈值，从而保护系统免受过高的电流损害。过流保护电路是使用电流传感器和比较器来监测系统的电流，并在超过设定阈值时触发保护机制。短路保护电路负责防止系统因短路而受到损坏。短路保护电路是使用保险丝或自恢复保险丝来限制电流，并在短路发生时切断电源。此外设计人员添加电池备份系统，以便在主电源故障时提供紧急电源供应，确保系统在断电情况下仍能正常工作，并提供足够的时间，完成故障排除或紧急处理[5]。

3.3 控制预警功能设计

综合安防系统可实现远程控制功能和预警功能，上述功能主要通过网络连接和智能设备实现。远程控制功能允许用户通过手机应用程序、网页界面或其他远程控制设备来控制系统。远程控制功能模块中，用户通过手机应用程序、网页界面或其他远程控制设备来与系统进行通信和控制。系统支持多种设备的远程控制，例如摄像头、灯光、门锁、温度调节器等。用户可通过远程控制设备来实现摄像头的旋转和缩放、开关灯光、锁门、调整温度等功能。系统使用TCP/IP 协议进行通信，并采用加密和身份验证等安全机制保护通信数据的安全性。

预警功能主要通过传感器和智能算法来实现，以便及时发现和报警异常情况。系统配备多种传感器，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、门磁传感器等。各类传感器负责实时监测环境的变化，并将数据发送到系统进行处理。

系统使用智能算法和规则来分析传感器数据，检测异常情况。一旦系统检测到异常情况，会通过多种方式通知用户，其中手机推送通知、短信、邮件等，便于用户及时了解到系统的状态并采取相应的措施。

视频监控具备事件预警功能，根据预设的规则和算法识别出特定的事件，如人员闯入、车辆逆行、物体丢失等。这可以通过比对目标的位置、大小、运动轨迹等特征来实现。一旦系统检测到特定的事件，触发相应的预警机制，并将相关视频片段发送给安全人员。视频监控装置如图5 所示。