王晶晶 伍 蕊

（衡陽師范學院南岳學院，湖南 衡陽 421008）

0 引言

智慧城市綜合管理平臺是利用信息技術對城市運行核心系統(tǒng)進行感測、分析、整合、分級以及全方位覆蓋的感知通信網(wǎng)絡，并按照“標準化、規(guī)范化、主流化、全面化”的原則建設智慧城市綜合管理平臺。物聯(lián)網(wǎng)是一種“將事物相關聯(lián)的網(wǎng)絡”，它的核心是把各種物體通過無線網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡等多種傳感器與互聯(lián)網(wǎng)進行聯(lián)系，從而實現(xiàn)對各種產(chǎn)品的智能識別與管理。把軟件設計和硬件設計相互結(jié)合，進行智慧社區(qū)綜合管理平臺總體結(jié)構設計，基于物聯(lián)網(wǎng)將軟件設計中的應用層、平臺層、傳輸層和感知層進行劃分，對監(jiān)控排列排布，以及對監(jiān)控捕捉到的視頻圖像數(shù)據(jù)進行采集，對信息做出處理并重構融合，構建傳輸層下詳細的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，設置超聲波探測感應層，對人員車輛和事件動態(tài)做出感知回應?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺設計有效提升了社區(qū)內(nèi)的管理效率，為社區(qū)住戶提供優(yōu)質(zhì)服務。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺總體結(jié)構設計

以物聯(lián)網(wǎng)為核心的智慧社區(qū)綜合管理平臺，依托于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺進行信息的有效共享和有效流通，以提供高質(zhì)量服務為目的，支持智慧社區(qū)的運營和管理系統(tǒng)，并在網(wǎng)絡上實現(xiàn)設備的廣泛互聯(lián)。整個體系結(jié)構分為4 級，該體系以標準規(guī)范體系、信息安全防護體系、運行保障體系為基礎，根據(jù)載體的作用將其分為應用層、平臺層、傳輸層、感知層4 個層面，具體框架如圖1 所示。

圖1 智慧社區(qū)綜合管理平臺總體結(jié)構

在智能社區(qū)一體化管理的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺上，通過硬件系統(tǒng)來控制傳統(tǒng)的設備，從而控制傳統(tǒng)設備。

2 軟件設計

智慧社區(qū)綜合管理平臺的核心是將分布于社區(qū)中的各個傳感器及功能模塊的信息收集整理，匯總于運營維護管理席，實現(xiàn)一站式綜合管控。因此軟件設計的重點在于規(guī)劃各層級間的軟件接口，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)處理流程。

2.1 應用層

在應用層，根據(jù)終端設備數(shù)量大、響應速度快等特點，在應用層中進行終端的智能化管理，統(tǒng)一訪問和存儲，以滿足各種不同的設備的監(jiān)控、安防智慧服務、人員車輛管理等工作，提供面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求的服務。由于應用層中的設備品牌不一，物聯(lián)網(wǎng)接口型號千差萬別，因此需要針對每臺在網(wǎng)設備適配一個物聯(lián)網(wǎng)接入電路，將信號轉(zhuǎn)換為標準的格式，方便信號傳輸和后續(xù)處理。物聯(lián)網(wǎng)接入電路采用E2PROM 存儲模塊、PLC 采集模塊，通過建立新的業(yè)務邏輯，結(jié)合新的應用程序和應用系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的顆粒化、自包括含和可裝配化的業(yè)務邏輯，從而使應用程序能夠更好地進行交互。對應用層來說，最重要的就是智慧社區(qū)內(nèi)監(jiān)控的排布及安全效率。人員車輛管理和安防智慧服務的基礎是綜合管理平臺中監(jiān)控智慧社區(qū)的動態(tài)，所以專業(yè)的管理服務離不開優(yōu)秀的攝像頭布置方案。布置方案存在問題，不僅會出現(xiàn)社區(qū)內(nèi)的監(jiān)控死角，難以滿足全方位無死角監(jiān)控的要求，而且有些次要位置的監(jiān)控存在很大程度的重合，造成了監(jiān)控浪費，這種布置方式無疑提升了監(jiān)控成本，控制監(jiān)控布置如公式（1）所示。

式中：為總數(shù)量，為固定式攝像頭所需數(shù)，為云臺攝像頭使用臺數(shù)，為固定式攝像頭數(shù)量，為云臺攝像頭數(shù)量。

一些區(qū)域內(nèi)可允許有一定的監(jiān)控間隔，而且監(jiān)控畫面的質(zhì)量要求可以進一步降低；攝像頭進行重新布置，減少監(jiān)控區(qū)域的大面積重合，提高監(jiān)控效率。攝像頭的核心功能在于安防和緊急情況預警，因此在應用層軟件設計中，重點突出了視頻圖像的采集和信息提取功能設計，在保證安防監(jiān)控圖像存儲基本功能的基礎上，實時輪換顯示社區(qū)中各個攝像頭的圖像信息，方便物業(yè)管理人員查看并及時作出應對行動。基于小區(qū)配置攝像頭的功能和實際需求，應用層內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)視頻信息采集流程如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)采集流程圖

為了提高小區(qū)的安全性，智慧社區(qū)綜合管理平臺對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行處理和分析，檢測出特定或異常的行為信息。開始后打開攝像頭，對設備進行狀態(tài)檢查和視頻格式的調(diào)試，一切完畢后對監(jiān)控范圍內(nèi)記錄下的監(jiān)控信息進行采集，采集到的視頻數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)，匯入緩沖區(qū)的計算方法一般會使用根方差法，其具體做法如下：首先要用算法估計數(shù)據(jù)輸入和輸出的執(zhí)行時間，采用計算方法估計為數(shù)據(jù)輸入的總量，輸入完成的執(zhí)行時間記為s，關鍵鏈存入數(shù)據(jù)總量的執(zhí)行時間是a，則兩者之差σ為如式（2）所示。

式中：為監(jiān)控緩沖，σ為執(zhí)行時間中的安全時間，為所有數(shù)據(jù)輸入的集合。則非關鍵鏈的匯入緩沖區(qū)大小如公式（4）所示。

式中：FB為關鍵鏈上的輸入總量。

如果緩沖區(qū)未存滿，就將輸入的視頻監(jiān)控保存至已有緩存并停止監(jiān)控；如果緩沖區(qū)存滿，就在進行圖像處理后將未保存的視頻指向下一個關鍵鏈上有空間的緩沖區(qū)，保存并停止監(jiān)控采集，以此循環(huán)直至關閉監(jiān)控結(jié)束任務。如重點區(qū)域非法闖入、特定區(qū)域的異常動作，監(jiān)控并對其設置行為異常預警，應用層的主要作用在于幫助提高監(jiān)控效率以及對人員和車輛的管理，增加安防智慧服務，降低監(jiān)控和管理的人力成本。

為實現(xiàn)智慧社區(qū)的高端服務功能，需要在車輛管理、視頻圖像監(jiān)控的人車管理基礎上，增加智慧化服務能力，滿足社區(qū)居民緊急求助、便捷生活、安全保護以及會客管理等全方位的需求。緊急求助包括行動不便居民的出行攙扶輔助需求、突發(fā)險情的救助需求等；便捷生活包括水電氣暖用量提醒與繳費、快遞到門以及物品代管等；安全防護包括非訪客預警、可疑人員防范、居民護送等；會客管理包括訪客身份識別、到訪路線管理、路線接引等。為實現(xiàn)以上功能，需要在園區(qū)的安防監(jiān)控攝像頭中增加人臉抓拍和自動識別功能，做到身份鑒別，其次需要為救助、險情等突發(fā)事件設立觸發(fā)報警閾值以及居民求助接口，還需要將社區(qū)中所有的生活配套設施連入園區(qū)網(wǎng)絡，可以查詢工作狀態(tài)、控制功能啟停等。以典型的訪客管理功能開發(fā)為例，智慧社區(qū)管理平臺需要接收居民住戶發(fā)來的到訪客人通知，通知中須明確來人身份、數(shù)量、車牌號、到訪目的、停留時長以及參觀路線等信息，為方便居民使用，平臺中設計語音輸入和自動文字轉(zhuǎn)換功能，對大限度提升用戶的使用體驗；平臺將訪客信息發(fā)布給社區(qū)安保、保潔等服務人員，并將臨時出入權限發(fā)送到門禁管理設備，在用戶數(shù)據(jù)庫中增加訪客信息，同時賦予門禁、車庫、電梯樓層等相應的權限，指定臨時停車位，為訪客發(fā)去路線信息，實現(xiàn)到訪客人全流程的無死角自由訪問，同時兼顧其他居民的隱私保護和公共資源合理分配。

2.2 平臺層

平臺層負責數(shù)據(jù)的運行、維護和管理，可以對感知層收集到的全部數(shù)據(jù)進行實時處理。處理資訊并進行傳感器感知語義提取和執(zhí)行器執(zhí)行動態(tài)關聯(lián)后重構融合，基于底層云平臺的靈活運算與儲存功能，以大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法為基礎，為智慧社區(qū)的運營提供核心業(yè)務支持。在邊緣節(jié)點中，采用了輕量級的計算平臺和物聯(lián)網(wǎng)技術，使平臺層實現(xiàn)了對前端的聯(lián)動控制和實時反應。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺將通過建立一個完整的信息循環(huán)耦合體系，使能源和能源資源得到最優(yōu)利用。這樣的架構可以增強信息和服務間的交互作用，從而達到在社區(qū)不同地區(qū)間快速傳遞和協(xié)同優(yōu)化的目的。信息的融合是通過傳感器感知，以及執(zhí)行器執(zhí)行過程來實現(xiàn)連續(xù)時間和離散事件系統(tǒng)的耦合，而裝置的信息融合操作取決于控制器的命令，該命令可以是設備控制器或更高的協(xié)調(diào)控制中心來發(fā)出。在圖3 中顯示了平臺層的具體操作原理和方法，展示了平臺層的信息融合過程。

圖3 平臺層信息融合過程

根據(jù)圖3 和上述介紹內(nèi)容，可以得知信息處理變量如公式（5）和公式（6）所示。

在式（5）中，是資訊處理期間的運算變數(shù)，是感測器所感知及傳送的感知量，是資訊處理變數(shù)與知覺變數(shù)x 間的相關關系，是一個特定的運作時間點。根據(jù)式子（5）推導出式子（6），是，和的總體集合。該方法將以上獲得的信息傳送到平臺級，并將其傳送到傳感器和執(zhí)行機構，由相應的優(yōu)化目標和約束條件得到目前的運行參數(shù)，從而完成對信息的重組與融合。

2.3 傳輸層

傳輸層主要承載數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸功能，該系統(tǒng)以stm32F103zet6 為主要控制芯片，與各模塊的電路相結(jié)合，可以實時地獲得人員和車輛的動態(tài)信息。通過智能管理平臺與小區(qū)內(nèi)的各種設備進行統(tǒng)一的控制，實現(xiàn)3G、4G、5G、物聯(lián)網(wǎng)、涉密內(nèi)網(wǎng)等跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，在保障涉密信息安全的前提下實現(xiàn)三網(wǎng)邏輯融合，為智慧社區(qū)所需的跨網(wǎng)業(yè)務交互提供可靠支撐。智慧園區(qū)傳輸層涵蓋移動3G、4G、5G 以及物聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是獨立的，它和移動互聯(lián)網(wǎng)之間搭建物理上的隔離區(qū)間，它的拓撲結(jié)構如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構圖

物聯(lián)網(wǎng)可以將視頻監(jiān)控、人臉識別、周邊安全、動環(huán)、安全日志、智慧社區(qū)用戶的身份信息等內(nèi)容，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的種類，進行有效的安全交換。利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布智慧社區(qū)內(nèi)的非機密公共服務，并將用戶的身份信息導入物聯(lián)網(wǎng)中，通過二維碼物理隔離技術實現(xiàn)了與物聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，并在內(nèi)部網(wǎng)絡上進行顯示。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，將視頻、圖片、動環(huán)等實時數(shù)據(jù)進行處理、比對，并將監(jiān)控指令和用戶的身份比對等反饋到物聯(lián)網(wǎng)中，再由二維碼物理隔離裝置發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)中，以保證信息的安全傳輸和交換。

2.4 感知層

感知層是利用智能終端如超聲波監(jiān)控等設備，對各種能源子系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設備運行狀態(tài)等進行實時的采集。系統(tǒng)建立與基于物聯(lián)網(wǎng)的智能社區(qū)綜合管理平臺是一個硬件媒體，其主要功能模塊包括無線ESP8266、DHT11溫度采集模塊、MQ135 感應模塊，智能社區(qū)綜合管理平臺應實現(xiàn)對系統(tǒng)運行與設備工況等信息的全狀態(tài)采集與觀測，最大限度降低系統(tǒng)的不可觀測性，從而為整個平臺提供基礎支撐。

感知層是由智能終端采集設備來獲取各種能源子系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設備運行狀態(tài)等的數(shù)據(jù)。該文設計了一個集成的管理平臺，利用超聲波檢測儀對汽車和其他事故進行探測，以確定停車場內(nèi)有無車輛滯留，并將其傳回停車場信息數(shù)據(jù)庫。超聲波的振動頻率很高，一般是超過25kHz的短波，適合于停車場的距離和位置測量。超聲波傳感器采用單一的傳感器發(fā)射和接收回波，采用傳感器發(fā)射和接收超聲脈沖，并根據(jù)超聲波脈沖的發(fā)射和接收的時間間隔來確定與目標位置的距離，測距原理如圖5 所示。

圖5 超聲波測距原理

當感應層工作時，其振動頻率為50 kHz，并通過空氣傳播，反彈到傳感器上，通過計算兩次傳播過程中的速度和耗時，便可以計算出這段路程，對停車場的車輛進行定位，如式（7）所示。

式中：τ為在（，）位置上時，信息素所呈現(xiàn)的濃度，為信息素啟發(fā)因子，是τ（）的權重參數(shù)；η為（，）上的啟發(fā)式信息，為期望值啟發(fā)因子，是η的權重參數(shù)。

根據(jù)目標函數(shù)找到適當?shù)膬?yōu)化原則，找到一條從起始節(jié)點到達目標節(jié)點且能規(guī)避障礙物的最優(yōu)路徑，通過超聲波檢測器對車位進行監(jiān)測感知，檢測結(jié)果為車位是否有車輛停留并返回車位信息數(shù)據(jù)庫。如果是小區(qū)業(yè)主并且已經(jīng)購買了車位或者是向物業(yè)租賃了車位，則不需要填寫信息，直接進入自己所屬車位即可，且此車位一直在車位信息數(shù)據(jù)庫中被標記有車。除人員車輛外，其余事件動態(tài)的檢測和警報也可以通過超聲波檢測的方法進行感應。

3 測試試驗

3.1 試驗準備

該系統(tǒng)采用了SOA 的設計思想，以滿足J2EE 標準（Web Logic， WebSphere， TongWeb， Tomcat 等）為應用基礎架構，采用B/S 三級架構，確保了系統(tǒng)的安全運行。該系統(tǒng)由用戶接口層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)存儲層組成。用戶打開應用程序，輸入使用者名稱與口令后，系統(tǒng)便會在使用者資料庫中，確認使用者的身份，并輸入正確的使用者口令，才能進入該網(wǎng)站的首頁，若使用者沒有填寫，便無法登錄。智能社群平臺與RFID 裝置進行了交互，并與RFID裝置進行了融合設計，RFID 裝置對數(shù)據(jù)和智能化社區(qū)系統(tǒng)進行系統(tǒng)優(yōu)化，以滿足現(xiàn)場通信的串行規(guī)格：串行38400波特率，6 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位，不帶標定校準。每個ID 號碼是3 個字節(jié)，轉(zhuǎn)換為6 個ASC 字符發(fā)送。

3.2 試驗結(jié)果

對基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)綜合管理平臺設計進行性能檢測，具體要求在實際應用中對平臺的實際情況進行仿真，以驗證其在系統(tǒng)中的穩(wěn)定度。系統(tǒng)采用了手動和自動檢測的方式，即：對數(shù)據(jù)檔案進行更改以增加交易次數(shù)；采用自動試驗的方法，對多臺計算機的多臺聯(lián)合試驗進行仿真。對系統(tǒng)的主要測試對象進行篩選，選取5 個管理內(nèi)容，對該系統(tǒng)的運行效率進行測試，所得數(shù)據(jù)見表1。

表1 管理運行數(shù)據(jù)

根據(jù)表1 可知，各項管理內(nèi)容的反應時間較為迅速，管理效率較高，該文設計的智慧社區(qū)綜合管理系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€社區(qū)的各種信息進行精確的監(jiān)測，對不正常的數(shù)據(jù)進行事故分析，通過用戶的報告獲得事故的相關信息，并將其定位在出事地點，從而獲得事故的詳細情況。該系統(tǒng)具有較高的可靠度，具有良好的工作性能，一致性良好且方便實用。

4 結(jié)語

綜上所述，該設計從硬件和軟件兩個方面進行綜合管理平臺總體結(jié)構設計，基于物聯(lián)網(wǎng)將軟件設計中的應用層、平臺層、傳輸層和感知層進行劃分，估計數(shù)據(jù)輸入和輸出的執(zhí)行時間，對監(jiān)控設備進行智能提升，對信息進行處理，傳感器感知提取和執(zhí)行器執(zhí)行關聯(lián)后重構融合，設備實現(xiàn)移動網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)的跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，通過超聲波監(jiān)測對人員車輛、事件動態(tài)等信息進行采集，試驗表明該系統(tǒng)具有較高的可靠度，工作性能良好。