物联网在智慧城市安防监测系统中的应用研究

关键词：物联网；智慧城市；安防检测系统

0 引言

在当前全球范围内，城市化进程迅猛推进与社会变迁驱动下，智慧城市已成为破解现代城市困境的关键策略。在城市化进程不断深化的背景下，交通堵塞、环境恶化、能源消耗及公共安全等问题接踵而至，迫切需要创新性解决方案。智慧城市构想即是在此情况下应运而生，其充分运用尖端的信息与通信技术，以深度整合和共享城市数据资源，推动各领域的智能化转型为目标，进而实现提升城市治理效能和服务质量[1-2]。其中，物联网技术在智慧城市蓝图中扮演核心角色。其实际应用中可为各类设备、传感器和网络的无缝连接提供渠道支持，有效实现设备间的即时沟通与协作，极大地增强数据流动性和效率[3]。通过物联网的力量，管理者在实际工作中可运用先进的数据分析技术和智能决策引擎，高效收集并传输海量信息，同时为决策过程提供实时、精确的信息支持，同时物联网技术的实际应用有助于提出针对性的优化策略[4]。

物联网技术在智慧城市中具备广阔的应用前景，其不仅显著提升安防监控系统的效能，同时可作为城市安全防护体系中不可或缺的重要组成部分，有力保障市民生活的安宁。

1 智慧城市及物联网技术概述

1.1 智慧城市特点

智慧城市的核心理念在于巧妙融合信息技术和通信科技，以创新方式提升城市治理和公共服务的效能，进而形成全新的发展路径[5]。在智慧城市建设目标实现过程中，关键在于整合并共享各类城市多元化数据资产，从而推动城市智能化进程与可持续发展目标的实现。智慧城市的核心特征表现为高度的数字化、智能化、生态友好以及公众参与。首先，数字化体现在将城市各层面转化为可数据化的信息，并在物联网技术支持下形成一张无缝的数据网络，进而实现数据的实时采集和高效管理；其次，智能化依托于人工智能、大数据分析及智能决策支持系统等技术，通过智能化手段对城市管理进行优化，切实提升决策效率；再次，智慧城市的绿色可持续特性强调在建设过程中，必须将环保意识作为工作导向，优先考虑资源的高效利用和环境保护，最大限度地保障城市的长期繁荣；最后，参与性原则倡导市民深度参与城市规划和决策，共同塑造宜人且充满活力的生活空间。

1.2 物联网技术概述

物联网技术的核心在于其能依托传感器设备对周围环境进行深入探查，并通过精密的通信网络将收集的数据无缝传输至云端或中心处理平台，从而实现对实体世界的实时监控、管控和优化目标。物联网技术的架构严谨，具体分为4个层次：物理层主要负责设备部署和原始数据采集，为整个系统提供基础数据输入；感知层在获取原始数据后，进行初步处理和格式化，为数据进一步传输提供便利支持；网络层作为数据传输的核心，采用有线和无线等多种通信方式，为数据交流提供高效稳定的通道；应用层则是物联网技术实际应用价值的主要体现，为不同智能应用和服务提供必要的支持。

在智慧城市构建过程中，物联网技术扮演着不可替代的角色。凭借其技术特性，物联网技术能够实现设备间的无缝连接，实时收集和分析城市的全方位数据，为城市管理者做出正确决策提供技术支持。同时，物联网技术利用自身的智能化优势，对城市设施与资源进行优化和调节，推动城市运行效率和服务质量不断提升。此外，在物联网技术的支持下，城市各部门和行业的协同合作能力得到显著提升，有效促进信息开放和整合，实现推动城市治理现代化水平增长目标。

2 物联网技术在城市公共安全方面的应用

2.1 应用于视频监控

物联网技术在视频监控体系中展现出强大的潜力，其革新了公共安全监控方式，显著提升了监控系统的运行效能和精确度。该技术在实际应用中通过集成高性能摄像头和感应器，构建了全面的监控网络，可以对公园、街道交叉口等城市关键区域进行实时监控。同时，所有监控资料可即时传输至数据处理中心进行深度剖析和管理。通过融合人工智能和先进的图像解析技术，该系统还能实现智能识别并即时报告任何潜在的异常行为或安全隐患，帮助管理者迅速响应和处理，从而提升整体公共安全水平。

2.2 应用于安全预警系统中

物联网技术在安防预警领域中同样发挥关键作用，能构建出全天候的安全监控网。通过将传感器和监测装置进行无缝连接，有效确保城市内安全相关数据的实时收集和深入分析。预警系统能根据预先设定的策略和算法，在识别出危险风险时及时发出预警。例如，集成火灾探测器、烟雾感应器和温度监控设备，系统能实时监控建筑内部的火灾风险，一旦风险升级，即提前启动警报，显著增强城市对潜在危机的防御力，减少事故发生概率。

2.3 应用于紧急救援中

物联网技术在紧急救援中发挥重要的价值作用，能显著提升应急响应的敏捷性和效果。基于物联网技术的应急救援系统在实际应用中整合了紧急呼叫、追踪和通信等功能，实现对城市整体的实时监控。它能即时捕捉突发事故或危急事件的发生地点及关键数据，并迅速将相关信息传输至救援指挥中心。这种系统有效地提高了救援队伍的定位速度，使其能够在最短时间内准确评估并满足现场的救援需求。

同时，将物联网技术应用于公共安全管理领域同样具有重要意义。它通过实时监控公共场所，预警潜在风险，并能迅速响应任何紧急救援需求，显著强化了城市的安全防线，为城市居民的生命和财产安全提供了强大的保障。更重要的是，物联网技术的融入推动了安全服务向智能化和便捷化方向发展，极大地提升了居民的生活安全感和舒适度，为构建宜居、安全的城市环境奠定了坚实基础。

3 基于物联网的安防监测系统方案设计

3.1 安防监测系统架构设计

基于物联网的智慧城市安防监测系统构建在多元智能架构之上，包括物联网云端运算平台、数据库服务器、移动终端设备、数据交换节点、交通监控设施、气候检测系统以及火灾预警系统等关键组件。整体架构如图1所示。

在感知层方面，主要由基础的监控系统构成，包括交通、气候和火灾警报系统。作为感知层的核心，其在实际运行中主要利用先进的传感技术实时采集并生成动态数据流，为网络通信提供必要的数据信息。该层次可以灵活应对各类场所的独特安全需求，所采集的数据经无线网络迅速输送到云端运算平台。在平台中，数据经过初步筛选和深度分析，随后转发至数据存储服务器，并按照预设逻辑进一步处理。

在网络层级上，物联网云平台、数据库服务器和网关协同工作，主要通过有线和无线网络实时地传输数据。为实现交通监控系统与中央处理单元的无缝对接，主要采用无线模块进行连接。气候监测系统则通过微处理器接口进行连接。另外，火灾预警系统主要基于2.4GHz无线收发技术，确保与主控制器之间的即时通信。

在应用层方面，主要以移动终端设备为载体，通过定制化的应用程序（App） 或微信小程序在用户移动设备上构建高效的安全反馈平台。该设计的主要目标在于提升公众对安全问题的即时响应速度。App 可以提供设备状态实时监控、故障预警以及紧急情况的即时推送服务。新生成的数据资料将被同步存储在云端数据库服务器中，同时物联网云平台和终端设备可以方便地从数据库获取所需信息。

利用App和微信小程序的社交特性，可以有效构建协作式安全反馈网络。当子系统检测到警报信号时，会立即通过云端信息传递系统，将信息推送给关联的应用程序和小程序，等待用户确认并采取行动。为进一步优化响应流程，如果用户在设定时间内未做出反应，系统会自动启动智能转发功能，将警报信息传递给附近其他设备用户，进而形成基于互助的安全反馈链路。

3.2 系统结构关键协议应用

网络协议在物联网体系结构中占据重要地位，各层级实际运行中为实现通信传输格式统一化以及规范化要求，需要通信协议提供必要支持，消除层级间差异性，实现万物互联、数据共享目标。基于上文所述智慧城市安防监测系统结构，其各层级所需关键协议如图2所示。

第一，感知层关键协议。感知层中的关键协议设计主要围绕近距离通信网络和远程蜂窝网络两种架构展开，以满足不同的数据传输需求。在智慧城市安全系统的数据采集任务中，近距离通信网络主要依赖于RFID和ZigBee网络实现。RFID协议作为其核心通信规则，专为RFID设备之间的短程交互设计，通信范围限于几米之内。该协议详细规定了RFID读取器与标签之间的频率配置、编码结构、信号处理流程，以及标准化的命令接口操作，以确保各种RFID设备能够实现无缝连接。而ZigBee协议则专注于构建Zig⁃Bee网络，包括协调器的自动组网、终端设备的接入管理、网络通信效率和数据安全等内容，从而构建完整的传感器网络协议框架。

远程蜂窝通信主要是通过网格状无线网络实现移动终端远程连接目标，对于GPRS网络模块具有关键作用，在智慧城市安全系统中，其主要功能是提供定位服务和视频监控等信息传输。窄带物联网（NBIoT）是蜂窝网络中不可或缺的一部分，其协议明确了在蜂窝网络中应用窄带技术的方式，支持稳定的连接、广泛的地理覆盖、低能耗和经济的成本效益，可直接部署在已有的GSM系统上。

第二，网络层关键协议。网络层的核心职责在于管理核心网络数据传输流程和灵活路由策略，专注于智慧城市安防监测系统的实时数据需求，通过巧妙结合TCP和RTP两种协议实现。TCP作为基础协议，主要功能是确保非实时数据传输的稳定性，通过建立可靠的连接通道和严格的数据包验证机制，最大限度地保障数据的完整性和准确性。而RTP则专注于实时数据传输，如音频和视频流，定义特定的封装格式，并添加时间戳、序列号和负载格式等关键信息，其中时间戳用于同步节点间的数据交换频率，序列号则可避免数据包丢失和乱序，负载格式则指示数据的解码规则。

在动态路由控制方面，网络层主要利用IPv4和IPv6两种协议。IPv4作为路由协议的重要基础，通过32位地址构建共享的路由表，并利用调度算法动态更新，以实现对路由策略的灵活调整。IPv6作为IPv4的升级版，引入128位地址，提供更大的灵活性和效率。

第三，应用层关键协议。在应用层通信架构中，关键协议包括HTTP和MQTT（消息队列遥测传输协议）。HTTP作为互联网的基础协议之一，主要负责应用层端到端的数据交换和控制，在物联网环境下，需要具备设备类型识别功能，以确保能够正确解读数据格式。HTTP通过状态码隐藏相关特征信息在报头中，接收方首先解析报头，然后请求服务器处理具体内容。然而需要注意的是，HTTP基于TCP协议，采用请求-响应模式，每次数据传输都需要建立新连接，频繁通信可能导致资源浪费，不利于实时数据的高效传输。

相比之下，MQTT是专为物联网设计的数据传输协议，功能与HTTP类似，但采用发布-订阅模式，将消息发送者和接收者分为发布者和订阅者，通过MQTTBroker实现多对多或一对一的信息传递，具体如图3 所示。MQTT Broker作为核心组件，为所有MQTT Cli⁃ent（包括移动设备、传感器、遥感终端等）提供消息分发服务，并保持与订阅者的持久连接。当有消息发布时，Broker会立即将其分发给相关的订阅者。MQTT 的简化数据格式使其在实时数据传输中带宽占用较少，可为异步和离线通信提供必要支持，即使设备离线，消息仍能有效传递，因此该协议在可靠性和效率方面更具优势。

4 总结

综上所述，物联网技术在智慧城市安防监测系统中可发挥重要作用。技术人员在实际工作中应对现有系统架构进行充分优化，并合理利用相关关键协议，切实保障数据信息传输的安全性和可靠性，为推动城市生活的便利性和安全性提升提供必要保障。