基于物联网技术的智能安防系统

刘宝礼，张文东，庄 威，桂小林

（1.西安机电信息技术研究所 西安北方信息产业有限公司，陕西 西安 710065；2.西安交通大学电子与信息工程学院 陕西省计算机网络重点实验室，陕西 西安 710049）

0 引言

近年来，随着社会经济和科技水平的不断发展，社会公共安全受到人们的广泛关注。作为一个新兴的产业，安防监控技术及其应用的迅速发展，在维护社会稳定和家庭安全方面发挥了重要的作用［1］。然而，由于安防系统涉及范围较广，包含子系统种类繁多，且各子系统的部署和管理相对独立，造成系统的日常使用和管理的不便；同时，随着安防监控系统由模拟向网络数字化的转变，特别是智能家居的应用需求不断扩大，安防监控从单一的视频监控、防盗监控向多子系统集成的转变是安防行业发展的主要趋势。因此，如何实现智能化的集成管理成为安防监控系统设计和部署亟待解决的关键问题。为此，本文提出了基于物联网技术的智能安防系统集成方案。

1 相关研究

1.1 物联网

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“the internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网应用框架结构如图1所示。

图1 物联网应用框架结构图Fig.1 The iuternet of things application framework structure

物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”！

物联网拥有业界最完整的专业物联产品系列，覆盖从传感器、控制器到云计算的各种应用。产品服务智能家居、交通物流、环境保护、公共安全、智能消防、工业监测、个人健康等各种领域。构建了“质量好、技术优、专业性强，成本低，满足客户需求”的综合优势，持续为客户提供有竞争力的产品和服务。

同时也要认识到，目前物联网技术发展仍然存在四大问题需要解决。首先，芯片和读写器核心模块严重依赖进口；其次，射频标签自主技术标准缺位；再次，市场因素制约射频标签规模化推广；第四，民营企业处于竞争劣势，风险投资态度谨慎。

1.2 物联网与安防

早期的物联网是以无线传感技术为基础的物流网络，随着技术与应用的不断发展，物联网的内涵有了了较大变化。根据2005年，国际电信联盟（ITU）在《The Internet of Things》报告中对物联网概念进行扩展，在任何时间，任何地点、任何物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，智能终端、传感器技术等技术将被更加广泛地应用。物联网中的“物”均具有标识、物理属性以及实质上的个性，使用智能接口，完成与信息网络的无缝整合。

物联网的关键环节为“感知－传输－处理”。作为下一代互联网的重要组成部分，物联网增强了人与物、物与物的互联和通信，实现了信息的无缝、自主和智能的交互。以物联网技术为基础，将物联网技术和智能安防系统的完美组合，使得安全管理机构可以全方位的监控所有的安全测控点，实现智能安防系统能力的大幅提升。这样，安防系统将迎来一个革命性的新时代。

2 基于物联网技术的智能安防系统

2.1 智能安防系统的集成

安防监控系统是以保障安全为目的而架构部署的一个综合性技术防范系统。经过几十年的发展，安防监控技术的发展逐渐成熟且应用较为广泛。现有安防系统主要包括：视频监控系统、防盗报警系统、巡更系统和门禁对讲系统等［1］。在实际的安防应用中，这些子系统的部署相对独立，并且发挥着重要作用。

伴随着数字化、网络化和集成化需求的不断增长，安防子系统的集成管理已引起业界广泛关注。在一些较大规模的安防系统中，已经集成了视频监控系统、防盗报警系统和门禁系统。文献［2］给出防盗报警系统与门禁对讲系统的集成方案，以生物识别技术为基础，将防盗报警和门禁对讲有效地集成，并实现两个子系统的联动。文献［3］提出一个以HUS数字化安防集成平台为核心的数字化安防解决方案，实现了视频监控、防盗报警、门禁控制以及第三方系统的无缝集成。

在安防系统平台当中，对各类探测器所采集的信息进行协同分析是实现异常事件智能处理的关键。现有安防系统涉及的探测器种类较多，包括红外探测器、烟感探测器、地波传感器和摄像机等。这些探测器虽然种类各异，但根据其对异常事件的报警方式的不同，可分为两类：一类是自动监管方式；另一类是人工监管方式。自动监管方式是探测器对异常事件自动产生报警信号，探测结果明确，例如红外探测器、烟感探测器等；人工监管方式则需要通过人工对探测信息进行实时监控，探测器无法对异常事件做出自动判断，例如摄像机。

上述集成方案实现了两个或多个子系统的物理集成，然而，这些方案只是将现存的子系统连接起来，并未对各子系统采集的信息进行深入的分析。

系统集成的目标是在统一平台上实现对各子系统的集中控制和监控，通过对各子系统产生的信息综合分析，做出相应的联动响应。其中，信息的提取、共享和智能处理是系统集成的重点。在文献［4］中，作者利用云计算技术，对视频监控系统的信息共享和智能处理进行研究，实现了视频信息的集中存储和访问控制。其不足之处是未能利用云计算强大的计算功能对采集的信息进行进一步的深入分析，在多个子系统的集成方面也未作充分考虑。

将物联网与智能安防系统整合研究，以物联网技术为基础，集中运行和管理各个安防子系统，实现各系统之间的联动互通，让各个子系统 “物物相连”，不仅能扩大物联网的应用范围，进而可以促进物联网技术的发展，对于改善制约物联网发展的瓶颈也可以起到促进作用，同时也能提高智能安防系统的进一步应用范围［5］。

2.2 物联网智能安防的系统集成框架

为了实现各子系统有效的集成，本文采用分层设计的思想，将安防系统集成框架划分为5个层次，自底向上依次为：感知执行层、数据汇聚层、网络连接层、智能处理层和应用决策层，具体框架结构如图2所示。

图2 安防监控系统集成框架结构图Fig.2 security monitoring system integration framework structure diagram

感知执行层：感知的功能是通过探测器采集监控区域的特定信息。探测器的感知能力是影响安防系统性能优劣的关键因素，设备主要包括：摄像机、烟感、红外、震动等各种报警探测器，各个探测器的感知方式和能力各不相同，在混合使用时需要考虑各自的产品特性，便于实现各系统之间的联动相应；执行的主要功能是对系统控制信息做出响应，常用的执行设备包括：报警电话、手机短信、云台、镜头和LED显示屏等。执行操作是各系统联动而发作的指令，而不是单一的系统指令。

数据汇聚层：相比早期的数据汇聚［6］，主要区别在于将异构的各子系统的管理主机按照不同的接口标准连接起来，对上层而言，屏蔽了各子系统之间的差异，使上层对下层的管理透明。现有子系统控制主机均按照工业标准提供统一的接口（RS232／RS485，usb等），部分子系统还提供IP、ZigBee和WiFi接口，可以通过不同的接入方式将控制主机接入局域网或Internet网络。

网络连接层：网络连接层是探测器数据和控制信息传输的媒介。利用Internet网络的广域连接能力，实现远程的数据传输。

智能处理层：智能处理层是整个系统集成框架的核心，它的主要功能包括数据存储和多源数据的协同分析。通过在服务器上部署智能分析处理模块，针对单一探测器的报警信息，调用相应的功能模块，对同一区域的其他探测器所采集的信息进行综合分析，实现异常事件的智能判断。智能的综合分析能力，也与早期的单一数据处理形成鲜明的对比。

应用决策层：应用决策层的主要功能是实现系统的远程监控和管理。基于综合分析得出的数据进行决策，这样执行结果将更加准确、有效［7］。用户可以通过智能手机、平板电脑等远程监控终端监控和管理系统，及时对于异常事件进行决策处理。

“更智能、更快捷、更准确、更方便、更有效”，这就是物联网技术与智能安防系统结合后优越性的集中体现。

按照以上思想，本文提出了一个将地波探测报警系统、防盗报警系统和视频监控系统进行集成的方案（如图3）。

图3 系统集成连接图Fig.3 System integration connection diagram

3 系统测试

本文所提出的系统集成方案，其应用背景为某全国重点文物保护单位。如图3所示，该系统将地波探测报警系统、防盗报警系统和视频监控系统进行了系统集成。

3.1 感知执行层的测试

本系统的感知执行层包括地波探测器、被动红外报警探测器、烟感探测器、玻璃破碎探测器、双鉴探测器、摄像机、红外夜视仪、云台、灯光、LED显示屏和电视墙等。

测试时，按照测试大纲，对各种探测器的灵敏度、探测距离、抗干扰能力和报警保持时间，对摄像显示设备的清晰度、灰度等技术参数进行了测试。测试结果表明，感知执行层的功能满足设计要求。该层能够正确地向数据汇聚层发出报警信息，同时，能够正确接受来自系统上层的命令，并执行相应的操作。

3.2 数据汇聚层的测试

本系统数据汇聚层将地波探测报警系统、防盗报警系统和视频监控系统的数据进行整合收集，整合成统一的数据格式用于系统集成。

测试时，按照测试大纲，对各子系统的各种报警情况和执行情况进行了模拟。测试结果表明，数据汇聚层能够正确接受各子系统的数据报文，并按要求整合了数据，为系统上层的应用提供了正确格式的报文，达到了设计要求。

3.3 网络连接层的测试

本系统的网络连接层，在图3中对应的为串口服务器。它设计有八个串行接口，两个网络接口，三个USB接口。实现了网络连接的所有软硬件功能。

测试时，按照设计图纸正确连接各相关设备后，启动模拟测试流程。测试结果表明网络连接层能够正确连接相关设备、各子系统之间的联动正常、信息交互无阻塞。

3.4 智能处理层的测试

本系统的智能处理层能够透明的处理网络层传递来的数据，按照设计策略进行各子系统之间的联动。

测试时，智能处理层给出的中间记录文件表明，系统在规定的时间内进行了规定的联动动作，各子系统相互之间联动达到了设计要求。

3.5 应用决策层的测试

本系统的应用决策层通过注册认证、安全认证等手段向智能处理层下达命令，同时，分析处理下层发来的数据流信息，实现系统功能。

测试表明，客户端可在网络环境下正确操作系统，真正实现了物联网智能安防系统集成。

3.6 系统测试结果

本项目中，采用一套集成控制软件作为整个安防系统的综合管理平台。管理软件在对室内及周边防盗报警管理的同时，可以通过通信接口实现与矩阵主机对接与集成。另外，通过对多路报警信息的协同分析，可以对异常事件的智能判断和联动响应。

在实际应用测试中发现：当系统监测到异常事件时，系统在对该报警信号进行传统的报警提示以及联动响应（警报器、监视器／LED屏警示等）的基础上，对同一监测区域其他探测器信息进行协同分析，如果分析结果大于预先设定的阈值，则提升警示级别（除警报器、监视器警示外，还可通过报警电话、短信等方式向更高级别管理人员发出警示信息）。所有的分析过程是在系统内部集中完成，最后发出系统指令，操作人员可根据系统的综合处理结果进行预处理。系统的综合分析结果，也更接近与实际情况，对于合理的处理异常事件能起到很重要的指导作用。

测试结果表明：将物联网技术和智能安防系统的完美组合，在提升智能安防管理和安全保护的基础上，也能反过来促进物联网技术自身的发展。本系统集成方案，克服了传统安防系统集成中需要大量线缆连接的弊病，使得系统集成的智能化程度得到了提高。

4 结论

本文提出并设计了一个基于物联网的智能安防系统集成方案。该方案以部署在监控区域的各类探测器、摄像机等前端设备为感知执行层，通过对各安防子系统的数据整合形成数据汇聚层，设计实现了将串行通信接口、USB接口和以太网接口一体化的网络连接层，同时，利用现有通信技术和网络互联技术，通过对探测信息、摄像机图像等多源信息的协同分析，实现对异常事件的智能判断并执行预定义联动响应，形成了与各子系统之间相互透明传输信息的智能处理层和决策应用层，从而实现了基于物联网技术的智能安防系统集成。该方案已应用到某全国重点文物保护单位的安防监控系统，实践结果表明，该方案在系统部署、智能处理以及一体化控制方面具有较大的灵活性和良好的可扩展性，能够降低误报率、提高智能安防系统的集成化水平。

［1］高素萍.智能小区安防系统的设计与实现［J］.电气应用，2006（6）：120－124.GAO Suping.Suping intelligent residential security system design and implementation ［J］.Electrical applications，2006（6）：120－124.

［2］李贤红，李少葵.安防报警系统与门禁系统的集成方案［J］.中国安防，2011（6）：92－94.

［3］孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述［J］.北京邮电大学学报，2010，03：1－9.Sunqi Bo，Liu Jie，Li Shan，Fan Chunxiao，Sunjuan Juan of Things：concept，architecture and crucial technology research［J］.Beijing University of Posts and Telecommunications，2010（03）：1－9.

［4］陆思武.HUS数字安防集成平台的创新与应用［J］.中国安防，2011（Z1）：65－69.

［5］王俊修.基于云计算架构的视频监控系统应用研究［J］.中国安防，2011（8）：93－96.

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