物聯網在智慧城市安防監測系統中的應用研究

關鍵詞：物聯網；智慧城市；安防檢測系統

0 引言

在當前全球范圍內，城市化進程迅猛推進與社會變遷驅動下，智慧城市已成為破解現代城市困境的關鍵策略。在城市化進程不斷深化的背景下，交通堵塞、環境惡化、能源消耗及公共安全等問題接踵而至，迫切需要創新性解決方案。智慧城市構想即是在此情況下應運而生，其充分運用尖端的信息與通信技術，以深度整合和共享城市數據資源，推動各領域的智能化轉型為目標，進而實現提升城市治理效能和服務質量[1-2]。其中，物聯網技術在智慧城市藍圖中扮演核心角色。其實際應用中可為各類設備、傳感器和網絡的無縫連接提供渠道支持，有效實現設備間的即時溝通與協作，極大地增強數據流動性和效率[3]。通過物聯網的力量，管理者在實際工作中可運用先進的數據分析技術和智能決策引擎，高效收集并傳輸海量信息，同時為決策過程提供實時、精確的信息支持，同時物聯網技術的實際應用有助于提出針對性的優化策略[4]。

物聯網技術在智慧城市中具備廣闊的應用前景，其不僅顯著提升安防監控系統的效能，同時可作為城市安全防護體系中不可或缺的重要組成部分，有力保障市民生活的安寧。

1 智慧城市及物聯網技術概述

1.1 智慧城市特點

智慧城市的核心理念在于巧妙融合信息技術和通信科技，以創新方式提升城市治理和公共服務的效能，進而形成全新的發展路徑[5]。在智慧城市建設目標實現過程中，關鍵在于整合并共享各類城市多元化數據資產，從而推動城市智能化進程與可持續發展目標的實現。智慧城市的核心特征表現為高度的數字化、智能化、生態友好以及公眾參與。首先，數字化體現在將城市各層面轉化為可數據化的信息，并在物聯網技術支持下形成一張無縫的數據網絡，進而實現數據的實時采集和高效管理；其次，智能化依托于人工智能、大數據分析及智能決策支持系統等技術，通過智能化手段對城市管理進行優化，切實提升決策效率；再次，智慧城市的綠色可持續特性強調在建設過程中，必須將環保意識作為工作導向，優先考慮資源的高效利用和環境保護，最大限度地保障城市的長期繁榮；最后，參與性原則倡導市民深度參與城市規劃和決策，共同塑造宜人且充滿活力的生活空間。

1.2 物聯網技術概述

物聯網技術的核心在于其能依托傳感器設備對周圍環境進行深入探查，并通過精密的通信網絡將收集的數據無縫傳輸至云端或中心處理平臺，從而實現對實體世界的實時監控、管控和優化目標。物聯網技術的架構嚴謹，具體分為4個層次：物理層主要負責設備部署和原始數據采集，為整個系統提供基礎數據輸入；感知層在獲取原始數據后，進行初步處理和格式化，為數據進一步傳輸提供便利支持；網絡層作為數據傳輸的核心，采用有線和無線等多種通信方式，為數據交流提供高效穩定的通道；應用層則是物聯網技術實際應用價值的主要體現，為不同智能應用和服務提供必要的支持。

在智慧城市構建過程中，物聯網技術扮演著不可替代的角色。憑借其技術特性，物聯網技術能夠實現設備間的無縫連接，實時收集和分析城市的全方位數據，為城市管理者做出正確決策提供技術支持。同時，物聯網技術利用自身的智能化優勢，對城市設施與資源進行優化和調節，推動城市運行效率和服務質量不斷提升。此外，在物聯網技術的支持下，城市各部門和行業的協同合作能力得到顯著提升，有效促進信息開放和整合，實現推動城市治理現代化水平增長目標。

2 物聯網技術在城市公共安全方面的應用

2.1 應用于視頻監控

物聯網技術在視頻監控體系中展現出強大的潛力，其革新了公共安全監控方式，顯著提升了監控系統的運行效能和精確度。該技術在實際應用中通過集成高性能攝像頭和感應器，構建了全面的監控網絡，可以對公園、街道交叉口等城市關鍵區域進行實時監控。同時，所有監控資料可即時傳輸至數據處理中心進行深度剖析和管理。通過融合人工智能和先進的圖像解析技術，該系統還能實現智能識別并即時報告任何潛在的異常行為或安全隱患，幫助管理者迅速響應和處理，從而提升整體公共安全水平。

2.2 應用于安全預警系統中

物聯網技術在安防預警領域中同樣發揮關鍵作用，能構建出全天候的安全監控網。通過將傳感器和監測裝置進行無縫連接，有效確保城市內安全相關數據的實時收集和深入分析。預警系統能根據預先設定的策略和算法，在識別出危險風險時及時發出預警。例如，集成火災探測器、煙霧感應器和溫度監控設備，系統能實時監控建筑內部的火災風險，一旦風險升級，即提前啟動警報，顯著增強城市對潛在危機的防御力，減少事故發生概率。

2.3 應用于緊急救援中

物聯網技術在緊急救援中發揮重要的價值作用，能顯著提升應急響應的敏捷性和效果。基于物聯網技術的應急救援系統在實際應用中整合了緊急呼叫、追蹤和通信等功能，實現對城市整體的實時監控。它能即時捕捉突發事故或危急事件的發生地點及關鍵數據，并迅速將相關信息傳輸至救援指揮中心。這種系統有效地提高了救援隊伍的定位速度，使其能夠在最短時間內準確評估并滿足現場的救援需求。

同時，將物聯網技術應用于公共安全管理領域同樣具有重要意義。它通過實時監控公共場所，預警潛在風險，并能迅速響應任何緊急救援需求，顯著強化了城市的安全防線，為城市居民的生命和財產安全提供了強大的保障。更重要的是，物聯網技術的融入推動了安全服務向智能化和便捷化方向發展，極大地提升了居民的生活安全感和舒適度，為構建宜居、安全的城市環境奠定了堅實基礎。

3 基于物聯網的安防監測系統方案設計

3.1 安防監測系統架構設計

基于物聯網的智慧城市安防監測系統構建在多元智能架構之上，包括物聯網云端運算平臺、數據庫服務器、移動終端設備、數據交換節點、交通監控設施、氣候檢測系統以及火災預警系統等關鍵組件。整體架構如圖1所示。

在感知層方面，主要由基礎的監控系統構成，包括交通、氣候和火災警報系統。作為感知層的核心，其在實際運行中主要利用先進的傳感技術實時采集并生成動態數據流，為網絡通信提供必要的數據信息。該層次可以靈活應對各類場所的獨特安全需求，所采集的數據經無線網絡迅速輸送到云端運算平臺。在平臺中，數據經過初步篩選和深度分析，隨后轉發至數據存儲服務器，并按照預設邏輯進一步處理。

在網絡層級上，物聯網云平臺、數據庫服務器和網關協同工作，主要通過有線和無線網絡實時地傳輸數據。為實現交通監控系統與中央處理單元的無縫對接，主要采用無線模塊進行連接。氣候監測系統則通過微處理器接口進行連接。另外，火災預警系統主要基于2.4GHz無線收發技術，確保與主控制器之間的即時通信。

在應用層方面，主要以移動終端設備為載體，通過定制化的應用程序（App） 或微信小程序在用戶移動設備上構建高效的安全反饋平臺。該設計的主要目標在于提升公眾對安全問題的即時響應速度。App 可以提供設備狀態實時監控、故障預警以及緊急情況的即時推送服務。新生成的數據資料將被同步存儲在云端數據庫服務器中，同時物聯網云平臺和終端設備可以方便地從數據庫獲取所需信息。

利用App和微信小程序的社交特性，可以有效構建協作式安全反饋網絡。當子系統檢測到警報信號時，會立即通過云端信息傳遞系統，將信息推送給關聯的應用程序和小程序，等待用戶確認并采取行動。為進一步優化響應流程，如果用戶在設定時間內未做出反應，系統會自動啟動智能轉發功能，將警報信息傳遞給附近其他設備用戶，進而形成基于互助的安全反饋鏈路。

3.2 系統結構關鍵協議應用

網絡協議在物聯網體系結構中占據重要地位，各層級實際運行中為實現通信傳輸格式統一化以及規范化要求，需要通信協議提供必要支持，消除層級間差異性，實現萬物互聯、數據共享目標。基于上文所述智慧城市安防監測系統結構，其各層級所需關鍵協議如圖2所示。

第一，感知層關鍵協議。感知層中的關鍵協議設計主要圍繞近距離通信網絡和遠程蜂窩網絡兩種架構展開，以滿足不同的數據傳輸需求。在智慧城市安全系統的數據采集任務中，近距離通信網絡主要依賴于RFID和ZigBee網絡實現。RFID協議作為其核心通信規則，專為RFID設備之間的短程交互設計，通信范圍限于幾米之內。該協議詳細規定了RFID讀取器與標簽之間的頻率配置、編碼結構、信號處理流程，以及標準化的命令接口操作，以確保各種RFID設備能夠實現無縫連接。而ZigBee協議則專注于構建Zig?Bee網絡，包括協調器的自動組網、終端設備的接入管理、網絡通信效率和數據安全等內容，從而構建完整的傳感器網絡協議框架。

遠程蜂窩通信主要是通過網格狀無線網絡實現移動終端遠程連接目標，對于GPRS網絡模塊具有關鍵作用，在智慧城市安全系統中，其主要功能是提供定位服務和視頻監控等信息傳輸。窄帶物聯網（NBIoT）是蜂窩網絡中不可或缺的一部分，其協議明確了在蜂窩網絡中應用窄帶技術的方式，支持穩定的連接、廣泛的地理覆蓋、低能耗和經濟的成本效益，可直接部署在已有的GSM系統上。

第二，網絡層關鍵協議。網絡層的核心職責在于管理核心網絡數據傳輸流程和靈活路由策略，專注于智慧城市安防監測系統的實時數據需求，通過巧妙結合TCP和RTP兩種協議實現。TCP作為基礎協議，主要功能是確保非實時數據傳輸的穩定性，通過建立可靠的連接通道和嚴格的數據包驗證機制，最大限度地保障數據的完整性和準確性。而RTP則專注于實時數據傳輸，如音頻和視頻流，定義特定的封裝格式，并添加時間戳、序列號和負載格式等關鍵信息，其中時間戳用于同步節點間的數據交換頻率，序列號則可避免數據包丟失和亂序，負載格式則指示數據的解碼規則。

在動態路由控制方面，網絡層主要利用IPv4和IPv6兩種協議。IPv4作為路由協議的重要基礎，通過32位地址構建共享的路由表，并利用調度算法動態更新，以實現對路由策略的靈活調整。IPv6作為IPv4的升級版，引入128位地址，提供更大的靈活性和效率。

第三，應用層關鍵協議。在應用層通信架構中，關鍵協議包括HTTP和MQTT（消息隊列遙測傳輸協議）。HTTP作為互聯網的基礎協議之一，主要負責應用層端到端的數據交換和控制，在物聯網環境下，需要具備設備類型識別功能，以確保能夠正確解讀數據格式。HTTP通過狀態碼隱藏相關特征信息在報頭中，接收方首先解析報頭，然后請求服務器處理具體內容。然而需要注意的是，HTTP基于TCP協議，采用請求-響應模式，每次數據傳輸都需要建立新連接，頻繁通信可能導致資源浪費，不利于實時數據的高效傳輸。

相比之下，MQTT是專為物聯網設計的數據傳輸協議，功能與HTTP類似，但采用發布-訂閱模式，將消息發送者和接收者分為發布者和訂閱者，通過MQTTBroker實現多對多或一對一的信息傳遞，具體如圖3 所示。MQTT Broker作為核心組件，為所有MQTT Cli?ent（包括移動設備、傳感器、遙感終端等）提供消息分發服務，并保持與訂閱者的持久連接。當有消息發布時，Broker會立即將其分發給相關的訂閱者。MQTT 的簡化數據格式使其在實時數據傳輸中帶寬占用較少，可為異步和離線通信提供必要支持，即使設備離線，消息仍能有效傳遞，因此該協議在可靠性和效率方面更具優勢。

4 總結

綜上所述，物聯網技術在智慧城市安防監測系統中可發揮重要作用。技術人員在實際工作中應對現有系統架構進行充分優化，并合理利用相關關鍵協議，切實保障數據信息傳輸的安全性和可靠性，為推動城市生活的便利性和安全性提升提供必要保障。