基于物联网的工厂智能安防教学系统设计

高建　李静

摘   要：文章对物联网技术的相关理论知识进行了简要分析，并在做好工厂智能安防系统硬件选择的基础上分析了厂区智能安防系统的关键技术，开发出一套体积小、操作简便的教学系统，为我国的高职教育事业贡献自己的一份力量。

关键词：物联网技术;智能安防;教学系统

近年来，随着物联网技术的快速发展，现代科学技术对人们的学习和生活产生了巨大的影响。尤其是5G技术的应用、普及，即将迎来数据通信的划时代发展，要更好地顺应形势发展，必须重视对物联网技术应用型人才的培养。

工业是国家经济发展的基石，工厂是国家工业发展的重要元素，工厂智能安防教学系统的设计希望能为袓国经济建设和发展培养高质量的职业技能型人才，促进我国经济建设和教育事业快速、稳定、健康地发展。

1    工厂智能安防建设现状

自从安防智能化相关技术开始研发，智能化在国内安防行业内已经发展了十余年，在市场上，大部分的智能安防主要的表现还是集中在前端设备产品的某些智能功能，并以图像、声音为主要数据采集内容。目前，我国的智能化安防尚处在初级阶段，相关的硬件及软件设备还不够完善。

相对于传统安防，智能安防的技术门槛更高，结构更复杂，大数据、云计算、人工智能应用等技术已广泛在智能安防发展中应用，对于企业来说，智能安防建设需要的专业知识更多、更广。而对于很多中小型企业来说，在技术以及对于行业的理解上皆与龙头企业有一定的差距，因此，进入智能安防需要找准切入点，并进行技术的研发和提升[1]。

2    智能安防教学系统的研究现状

目前，针对视频监控系统的教学系统较多，主要是针对音频、视频的信号采集及分析处理。系统缺少一定数量的数据采集传感器，缺少对模拟信号及数字信号进行采集、分析、处理的能力。

随着网络技术的发展及广泛应用，对模拟信号及数字信号的采集和处理，是未来智能安防系统的发展趋势，相关教学装置的研发势在必行。

3    物联网的结构组成

物联网（Internet of Things，IoT），即为“万物相连的网络”，是对互联网的延伸与扩展，通过各种传感器、射频技术、红外技术等装置，将采集的数据通过网络接入，实现物与物、物与人的连接，以此实现对物的感知、识别和控制。物联网结构由3个层次组成：感知层、网络层和应用层。

3.1  感知层

感知层是物联网的底层，由基本的感应器件组成（例如温湿度传感器、光照传感器、摄像头、RFID读写器等），主要功能是识别物体、采集数据。

3.2  网络层

网络层位于物联网3层结构的中间层，功能是通过网络传输信息。广泛覆盖的移动通信网络是实现物联网的基础设施，网络层主要解决感知层所获得的长距离传输数据的问题。物联网技术的核心是信息数据的交互，网络层是感知层和应用层数据通信的桥梁。感知层的信息数据利用无线或者有线的方式构成了通信网络系统，从而完成了人与人、人与物、物与物的信息交互[2]。

3.3  应用层

应用层位于物联网3层结构的最高层，功能是对数据进行处理。感知层采集的数据通过网络层传递到应用层，应用层通过分析、建模、行成可读取的信息，并执行一定的处理行为。应用层面对的是终端用户，提供给用户的是具体的服务。

目前，物联网的主要应用领域有物流、交通、安防、能源、医疗、建筑、制造等。

4    工厂智能安防系统设计分析

4.1  工厂智能安防系统的硬件选择

智能安防系统离不开对环境数据的信息采集，如温度、湿度、烟雾浓度等环境数据。与此同时，数据以最快的速度进行信息传输，以便应用层程序对采集的数据进行处理。工厂的车间环境及传输距离，可以选择ZigBee技术或LoRa技术进行无线数据传输。在工厂可能出现安全隐患的区域部署无线传感器，用于检测所需参数（温度、湿度、火警等）。

4.2  智能安防系统的关键技术

4.2.1  网络传输协议

网络传输协议是指在任何物理介质中允许两个或多个在传输系統中的终端之间传播信息的系统标准，也是指计算机通信或网上设备的共同语言。通信协议定义了通信中的语法学、语义学和同步规则以及可能存在的错误检测与纠正。通信协议在硬件、软件或两者之间皆可实现[3]。以下为物联网传输通信常见协议。

蓝牙（Bluetooth），是一种无线数据传输技术，可实现设备之间的数据交换。采用短波长通信，一般频率为2.4 GHZ，传输距离在10 m左右。优点是功率较低，便于电池供电，成本较低，可同时进行数据和声音传输，延时低等。

ZigBee，也称紫蜂，是基于IEEEE802.15.4无线标准研制开发的，名字则来源于蜂群的通信方式，蜜蜂之间通过跳ZigZag形状的舞蹈来交互信息，以便共享食物源的方向、位置和距离。ZigBee无线网络工作的3种频率为868 MHz，915 MHz，2.4 GHz，ZigBee技术适用于油田、农业、电力、矿山等信息系统的无线数据传输。

WiFi，全称为Wireless Fidelity，是一种短距离无线传输技术，通常使用2.4 G或5 G射频频段。WiFi使用者可以通过无线访问互联网，也是人们日常生活中访问互联网的快速、便捷的途径。

网络通信协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），是互联网的基础，是最基本的协议，由传输层的TCP协议和网络层的IP协议组成。TCP/IP定义了网络设备进行数据传输的通信标准，TCP/IP协议族中包括上百个互为关联的协议，其中有Telnet提供远程登录功能（Remote Login）;文件传送协议（File Transfer Protocol，FTP）提供远程访问计算机的功能;简单消息传输协议（Simple Message Transfer Protocol，SMTP）提供了邮件功能;网络文件服务器（Network File Server，NFS）可使多台计算机透明地访问彼此的目录;用户数据包协议（User Datagram Protocol，UDP）。

快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP），主要用于解决网络的广播风暴问题，避免了局域网中的网络环回。其是一个应用层协议，使得应用程序可以有效通过IP网络传输多媒体数据。

LoRA，是基于扩频技术的远距离无线传输技术，是LPWAN通信技术中的一种。特点是功耗低，接收的灵敏度高，支持多信道多数据速率的并行处理，容量大，支持测距和定位，高保密性、高隐蔽性。

NB-IoT，是物联网的一种新兴技术，构建于蜂窝网络，占用的带宽较小，大约180 kHz，NB-IoT的设备待机时间长、可保持设备的高效连接。

4.2.2  数据存储

数据存储对象包括数据流在加工过程中产生的临时文件或加工过程中需要查找的信息。数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。数据存储要命名，这种命名要反映信息特征的组成含义。数据流反映了系统中流动的数据，表现出动态数据的特征;数据存储反映系统中静止的数据，表现出静态数据的特征。存储方式主要分为以下3种：

直接附加存储（Direct Attached Storage，DAS），与个人电脑存储架构一致，外部存储设备直接连接到服务器的内部总线上，适用于小型网络。

网络附加存储（Network Attached Storage，NAS），使用单独的文件服务器来连接存储设备，独立于服务器之外，优点是即插即用，部署简单、管理容易。

存储局域网（Storage Area Network，SAN），网络化存储，主要使用光纤通信技术，将网络的通信协议与物理传输介质分离开来。优点是高速的存储性能，传输速率高达1 000 Mb/s，具有良好的扩展能力。

4.3  系统软件平台设计

物联网系统的运行管理离不开软件系统的支持。工厂智能安防系统中需要搭建网络服务器，运行SQL数据库，并以服务器为核心搭建管理平台，以便移动端和客户端软件的运行。

在软件系统中，服务器管理使用C#技术进行开发设计，采集传感器数据（温度、湿度、光照、噪音、人体红外、火焰）并保存到DAS服务器的数据库（SQL Server）中，并对数据进行分析、处理，并将设定的程序指令通过数字量输入输出模块传输到指定设备上，对智能工厂安防系统进行自动控制，移动端软件系统使用Android进行开发。

5    结语

总而言之，在当今信息技术飞速发展的时代，对工厂智能安防教学系统的设计进行研究是非常必要的，是信息化和智能化技术发展的要求，也是对高质量高水平技术人才培养的要求。尤其是当前我国物联网技术及5G技术的飞速发展，大量相关专业技术的人才需求会出现供不应求的现象，抓紧时机、抓住机遇，唯一要面对的就是挑战，适合人才培养的教学装备的研制务必迎合市场的需要，真正实现理实一体化教学，提高人才培养的水平和质量。

[参考文献]

[1]韩万强，史少辉，吴海滨.基于RFID无线传感网智能安防系统的设计[J].物联网技术，2014（3）：16-19，23.

[2]陳凯.物联网技术下校园智能安防系统设计[J].电子技术与软件工程，2019（14）：40-42.

[3]刘薇.基于物联网技术校园智能安防系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，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