基于物聯(lián)網(wǎng)的工廠智能安防教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高建　李靜

摘? ?要：文章對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并在做好工廠智能安防系統(tǒng)硬件選擇的基礎(chǔ)上分析了廠區(qū)智能安防系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出一套體積小、操作簡(jiǎn)便的教學(xué)系統(tǒng)，為我國(guó)的高職教育事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智能安防;教學(xué)系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)人們的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生了巨大的影響。尤其是5G技術(shù)的應(yīng)用、普及，即將迎來(lái)數(shù)據(jù)通信的劃時(shí)代發(fā)展，要更好地順應(yīng)形勢(shì)發(fā)展，必須重視對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，工廠是國(guó)家工業(yè)發(fā)展的重要元素，工廠智能安防教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)希望能為袓國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展培養(yǎng)高質(zhì)量的職業(yè)技能型人才，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和教育事業(yè)快速、穩(wěn)定、健康地發(fā)展。

1? ? 工廠智能安防建設(shè)現(xiàn)狀

自從安防智能化相關(guān)技術(shù)開始研發(fā)，智能化在國(guó)內(nèi)安防行業(yè)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了十余年，在市場(chǎng)上，大部分的智能安防主要的表現(xiàn)還是集中在前端設(shè)備產(chǎn)品的某些智能功能，并以圖像、聲音為主要數(shù)據(jù)采集內(nèi)容。目前，我國(guó)的智能化安防尚處在初級(jí)階段，相關(guān)的硬件及軟件設(shè)備還不夠完善。

相對(duì)于傳統(tǒng)安防，智能安防的技術(shù)門檻更高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能應(yīng)用等技術(shù)已廣泛在智能安防發(fā)展中應(yīng)用，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，智能安防建設(shè)需要的專業(yè)知識(shí)更多、更廣。而對(duì)于很多中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，在技術(shù)以及對(duì)于行業(yè)的理解上皆與龍頭企業(yè)有一定的差距，因此，進(jìn)入智能安防需要找準(zhǔn)切入點(diǎn)，并進(jìn)行技術(shù)的研發(fā)和提升[1]。

2? ? 智能安防教學(xué)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

目前，針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的教學(xué)系統(tǒng)較多，主要是針對(duì)音頻、視頻的信號(hào)采集及分析處理。系統(tǒng)缺少一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集傳感器，缺少對(duì)模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、分析、處理的能力。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，對(duì)模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的采集和處理，是未來(lái)智能安防系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)教學(xué)裝置的研發(fā)勢(shì)在必行。

3? ? 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT），即為“萬(wàn)物相連的網(wǎng)絡(luò)”，是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的延伸與擴(kuò)展，通過各種傳感器、射頻技術(shù)、紅外技術(shù)等裝置，將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的連接，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)物的感知、識(shí)別和控制。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)由3個(gè)層次組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

3.1? 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的底層，由基本的感應(yīng)器件組成（例如溫濕度傳感器、光照傳感器、攝像頭、RFID讀寫器等），主要功能是識(shí)別物體、采集數(shù)據(jù)。

3.2? 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層位于物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)的中間層，功能是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)層主要解決感知層所獲得的長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是信息數(shù)據(jù)的交互，網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層數(shù)據(jù)通信的橋梁。感知層的信息數(shù)據(jù)利用無(wú)線或者有線的方式構(gòu)成了通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而完成了人與人、人與物、物與物的信息交互[2]。

3.3? 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)的最高層，功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。感知層采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳遞到應(yīng)用層，應(yīng)用層通過分析、建模、行成可讀取的信息，并執(zhí)行一定的處理行為。應(yīng)用層面對(duì)的是終端用戶，提供給用戶的是具體的服務(wù)。

目前，物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有物流、交通、安防、能源、醫(yī)療、建筑、制造等。

4? ? 工廠智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

4.1? 工廠智能安防系統(tǒng)的硬件選擇

智能安防系統(tǒng)離不開對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的信息采集，如溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)以最快的速度進(jìn)行信息傳輸，以便應(yīng)用層程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理。工廠的車間環(huán)境及傳輸距離，可以選擇ZigBee技術(shù)或LoRa技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。在工廠可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域部署無(wú)線傳感器，用于檢測(cè)所需參數(shù)（溫度、濕度、火警等）。

4.2? 智能安防系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1? 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議是指在任何物理介質(zhì)中允許兩個(gè)或多個(gè)在傳輸系統(tǒng)中的終端之間傳播信息的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，也是指計(jì)算機(jī)通信或網(wǎng)上設(shè)備的共同語(yǔ)言。通信協(xié)議定義了通信中的語(yǔ)法學(xué)、語(yǔ)義學(xué)和同步規(guī)則以及可能存在的錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正。通信協(xié)議在硬件、軟件或兩者之間皆可實(shí)現(xiàn)[3]。以下為物聯(lián)網(wǎng)傳輸通信常見協(xié)議。

藍(lán)牙（Bluetooth），是一種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。采用短波長(zhǎng)通信，一般頻率為2.4 GHZ，傳輸距離在10 m左右。優(yōu)點(diǎn)是功率較低，便于電池供電，成本較低，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和聲音傳輸，延時(shí)低等。

ZigBee，也稱紫蜂，是基于IEEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，名字則來(lái)源于蜂群的通信方式，蜜蜂之間通過跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)交互信息，以便共享食物源的方向、位置和距離。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作的3種頻率為868 MHz，915 MHz，2.4 GHz，ZigBee技術(shù)適用于油田、農(nóng)業(yè)、電力、礦山等信息系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

WiFi，全稱為Wireless Fidelity，是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，通常使用2.4 G或5 G射頻頻段。WiFi使用者可以通過無(wú)線訪問互聯(lián)網(wǎng)，也是人們?nèi)粘Ｉ钪性L問互聯(lián)網(wǎng)的快速、便捷的途徑。

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是最基本的協(xié)議，由傳輸層的TCP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議組成。TCP/IP定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艠?biāo)準(zhǔn)，TCP/IP協(xié)議族中包括上百個(gè)互為關(guān)聯(lián)的協(xié)議，其中有Telnet提供遠(yuǎn)程登錄功能（Remote Login）;文件傳送協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）提供遠(yuǎn)程訪問計(jì)算機(jī)的功能;簡(jiǎn)單消息傳輸協(xié)議（Simple Message Transfer Protocol，SMTP）提供了郵件功能;網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)器（Network File Server，NFS）可使多臺(tái)計(jì)算機(jī)透明地訪問彼此的目錄;用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）。

快速生成樹協(xié)議（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP），主要用于解決網(wǎng)絡(luò)的廣播風(fēng)暴問題，避免了局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)回。其是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，使得應(yīng)用程序可以有效通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸多媒體數(shù)據(jù)。

LoRA，是基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，是LPWAN通信技術(shù)中的一種。特點(diǎn)是功耗低，接收的靈敏度高，支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，容量大，支持測(cè)距和定位，高保密性、高隱蔽性。

NB-IoT，是物聯(lián)網(wǎng)的一種新興技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，占用的帶寬較小，大約180 kHz，NB-IoT的設(shè)備待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、可保持設(shè)備的高效連接。

4.2.2? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)象包括數(shù)據(jù)流在加工過程中產(chǎn)生的臨時(shí)文件或加工過程中需要查找的信息。數(shù)據(jù)以某種格式記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)部或外部存儲(chǔ)介質(zhì)上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要命名，這種命名要反映信息特征的組成含義。數(shù)據(jù)流反映了系統(tǒng)中流動(dòng)的數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的特征;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)反映系統(tǒng)中靜止的數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出靜態(tài)數(shù)據(jù)的特征。存儲(chǔ)方式主要分為以下3種：

直接附加存儲(chǔ)（Direct Attached Storage，DAS），與個(gè)人電腦存儲(chǔ)架構(gòu)一致，外部存儲(chǔ)設(shè)備直接連接到服務(wù)器的內(nèi)部總線上，適用于小型網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)（Network Attached Storage，NAS），使用單獨(dú)的文件服務(wù)器來(lái)連接存儲(chǔ)設(shè)備，獨(dú)立于服務(wù)器之外，優(yōu)點(diǎn)是即插即用，部署簡(jiǎn)單、管理容易。

存儲(chǔ)局域網(wǎng)（Storage Area Network，SAN），網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)，主要使用光纖通信技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議與物理傳輸介質(zhì)分離開來(lái)。優(yōu)點(diǎn)是高速的存儲(chǔ)性能，傳輸速率高達(dá)1 000 Mb/s，具有良好的擴(kuò)展能力。

4.3? 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理離不開軟件系統(tǒng)的支持。工廠智能安防系統(tǒng)中需要搭建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，運(yùn)行SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，并以服務(wù)器為核心搭建管理平臺(tái)，以便移動(dòng)端和客戶端軟件的運(yùn)行。

在軟件系統(tǒng)中，服務(wù)器管理使用C#技術(shù)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，采集傳感器數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照、噪音、人體紅外、火焰）并保存到DAS服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server）中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并將設(shè)定的程序指令通過數(shù)字量輸入輸出模塊傳輸?shù)街付ㄔO(shè)備上，對(duì)智能工廠安防系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，移動(dòng)端軟件系統(tǒng)使用Android進(jìn)行開發(fā)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)工廠智能安防教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究是非常必要的，是信息化和智能化技術(shù)發(fā)展的要求，也是對(duì)高質(zhì)量高水平技術(shù)人才培養(yǎng)的要求。尤其是當(dāng)前我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及5G技術(shù)的飛速發(fā)展，大量相關(guān)專業(yè)技術(shù)的人才需求會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，抓緊時(shí)機(jī)、抓住機(jī)遇，唯一要面對(duì)的就是挑戰(zhàn)，適合人才培養(yǎng)的教學(xué)裝備的研制務(wù)必迎合市場(chǎng)的需要，真正實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)，提高人才培養(yǎng)的水平和質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]陳凱.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下校園智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（14）：40-42.

[3]劉薇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)校園智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

Abstract：This paper briefly analyzes the theoretical knowledge of the Internet of Things technology， and analyzes the key technology of the factorys intelligent security system based on the hardware selection of the factorys intelligent security system. A set of teaching system with small volume and simple operation has been developed， and contribute to the higher vocational education in China with our own strength.

Key words：Internet of Things technology; intelligent security; teaching system