基于物联网的智慧社区综合管理平台设计

王晶晶 伍 蕊

（衡阳师范学院南岳学院，湖南 衡阳 421008）

0 引言

智慧城市综合管理平台是利用信息技术对城市运行核心系统进行感测、分析、整合、分级以及全方位覆盖的感知通信网络，并按照“标准化、规范化、主流化、全面化”的原则建设智慧城市综合管理平台。物联网是一种“将事物相关联的网络”，它的核心是把各种物体通过无线网络、移动网络等多种传感器与互联网进行联系，从而实现对各种产品的智能识别与管理。把软件设计和硬件设计相互结合，进行智慧社区综合管理平台总体结构设计，基于物联网将软件设计中的应用层、平台层、传输层和感知层进行划分，对监控排列排布，以及对监控捕捉到的视频图像数据进行采集，对信息做出处理并重构融合，构建传输层下详细的网络拓扑结构，设置超声波探测感应层，对人员车辆和事件动态做出感知回应。基于物联网的智慧社区综合管理平台设计有效提升了社区内的管理效率，为社区住户提供优质服务。

1 基于物联网的智慧社区综合管理平台总体结构设计

以物联网为核心的智慧社区综合管理平台，依托于物联网的智能感知，利用互联网平台进行信息的有效共享和有效流通，以提供高质量服务为目的，支持智慧社区的运营和管理系统，并在网络上实现设备的广泛互联。整个体系结构分为4 级，该体系以标准规范体系、信息安全防护体系、运行保障体系为基础，根据载体的作用将其分为应用层、平台层、传输层、感知层4 个层面，具体框架如图1 所示。

图1 智慧社区综合管理平台总体结构

在智能社区一体化管理的物联网控制平台上，通过硬件系统来控制传统的设备，从而控制传统设备。

2 软件设计

智慧社区综合管理平台的核心是将分布于社区中的各个传感器及功能模块的信息收集整理，汇总于运营维护管理席，实现一站式综合管控。因此软件设计的重点在于规划各层级间的软件接口，制定规范的数据处理流程。

2.1 应用层

在应用层，根据终端设备数量大、响应速度快等特点，在应用层中进行终端的智能化管理，统一访问和存储，以满足各种不同的设备的监控、安防智慧服务、人员车辆管理等工作，提供面向物联网业务需求的服务。由于应用层中的设备品牌不一，物联网接口型号千差万别，因此需要针对每台在网设备适配一个物联网接入电路，将信号转换为标准的格式，方便信号传输和后续处理。物联网接入电路采用E2PROM 存储模块、PLC 采集模块，通过建立新的业务逻辑，结合新的应用程序和应用系统，可以根据数据的颗粒化、自包括含和可装配化的业务逻辑，从而使应用程序能够更好地进行交互。对应用层来说，最重要的就是智慧社区内监控的排布及安全效率。人员车辆管理和安防智慧服务的基础是综合管理平台中监控智慧社区的动态，所以专业的管理服务离不开优秀的摄像头布置方案。布置方案存在问题，不仅会出现社区内的监控死角，难以满足全方位无死角监控的要求，而且有些次要位置的监控存在很大程度的重合，造成了监控浪费，这种布置方式无疑提升了监控成本，控制监控布置如公式（1）所示。

式中：为总数量，为固定式摄像头所需数，为云台摄像头使用台数，为固定式摄像头数量，为云台摄像头数量。

一些区域内可允许有一定的监控间隔，而且监控画面的质量要求可以进一步降低；摄像头进行重新布置，减少监控区域的大面积重合，提高监控效率。摄像头的核心功能在于安防和紧急情况预警，因此在应用层软件设计中，重点突出了视频图像的采集和信息提取功能设计，在保证安防监控图像存储基本功能的基础上，实时轮换显示社区中各个摄像头的图像信息，方便物业管理人员查看并及时作出应对行动。基于小区配置摄像头的功能和实际需求，应用层内的监控系统视频信息采集流程如图2 所示。

图2 监控视频数据采集流程图

为了提高小区的安全性，智慧社区综合管理平台对采集到的视频数据进行处理和分析，检测出特定或异常的行为信息。开始后打开摄像头，对设备进行状态检查和视频格式的调试，一切完毕后对监控范围内记录下的监控信息进行采集，采集到的视频数据输入缓冲区，汇入缓冲区的计算方法一般会使用根方差法，其具体做法如下：首先要用算法估计数据输入和输出的执行时间，采用计算方法估计为数据输入的总量，输入完成的执行时间记为s，关键链存入数据总量的执行时间是a，则两者之差σ为如式（2）所示。

式中：为监控缓冲，σ为执行时间中的安全时间，为所有数据输入的集合。则非关键链的汇入缓冲区大小如公式（4）所示。

式中：FB为关键链上的输入总量。

如果缓冲区未存满，就将输入的视频监控保存至已有缓存并停止监控；如果缓冲区存满，就在进行图像处理后将未保存的视频指向下一个关键链上有空间的缓冲区，保存并停止监控采集，以此循环直至关闭监控结束任务。如重点区域非法闯入、特定区域的异常动作，监控并对其设置行为异常预警，应用层的主要作用在于帮助提高监控效率以及对人员和车辆的管理，增加安防智慧服务，降低监控和管理的人力成本。

为实现智慧社区的高端服务功能，需要在车辆管理、视频图像监控的人车管理基础上，增加智慧化服务能力，满足社区居民紧急求助、便捷生活、安全保护以及会客管理等全方位的需求。紧急求助包括行动不便居民的出行搀扶辅助需求、突发险情的救助需求等；便捷生活包括水电气暖用量提醒与缴费、快递到门以及物品代管等；安全防护包括非访客预警、可疑人员防范、居民护送等；会客管理包括访客身份识别、到访路线管理、路线接引等。为实现以上功能，需要在园区的安防监控摄像头中增加人脸抓拍和自动识别功能，做到身份鉴别，其次需要为救助、险情等突发事件设立触发报警阈值以及居民求助接口，还需要将社区中所有的生活配套设施连入园区网络，可以查询工作状态、控制功能启停等。以典型的访客管理功能开发为例，智慧社区管理平台需要接收居民住户发来的到访客人通知，通知中须明确来人身份、数量、车牌号、到访目的、停留时长以及参观路线等信息，为方便居民使用，平台中设计语音输入和自动文字转换功能，对大限度提升用户的使用体验；平台将访客信息发布给社区安保、保洁等服务人员，并将临时出入权限发送到门禁管理设备，在用户数据库中增加访客信息，同时赋予门禁、车库、电梯楼层等相应的权限，指定临时停车位，为访客发去路线信息，实现到访客人全流程的无死角自由访问，同时兼顾其他居民的隐私保护和公共资源合理分配。

2.2 平台层

平台层负责数据的运行、维护和管理，可以对感知层收集到的全部数据进行实时处理。处理资讯并进行传感器感知语义提取和执行器执行动态关联后重构融合，基于底层云平台的灵活运算与储存功能，以大数据分析与人工智能算法为基础，为智慧社区的运营提供核心业务支持。在边缘节点中，采用了轻量级的计算平台和物联网技术，使平台层实现了对前端的联动控制和实时反应。

基于物联网的智慧社区综合管理平台将通过建立一个完整的信息循环耦合体系，使能源和能源资源得到最优利用。这样的架构可以增强信息和服务间的交互作用，从而达到在社区不同地区间快速传递和协同优化的目的。信息的融合是通过传感器感知，以及执行器执行过程来实现连续时间和离散事件系统的耦合，而装置的信息融合操作取决于控制器的命令，该命令可以是设备控制器或更高的协调控制中心来发出。在图3 中显示了平台层的具体操作原理和方法，展示了平台层的信息融合过程。

图3 平台层信息融合过程

根据图3 和上述介绍内容，可以得知信息处理变量如公式（5）和公式（6）所示。

在式（5）中，是资讯处理期间的运算变数，是感测器所感知及传送的感知量，是资讯处理变数与知觉变数x 间的相关关系，是一个特定的运作时间点。根据式子（5）推导出式子（6），是，和的总体集合。该方法将以上获得的信息传送到平台级，并将其传送到传感器和执行机构，由相应的优化目标和约束条件得到目前的运行参数，从而完成对信息的重组与融合。

2.3 传输层

传输层主要承载数据的网络传输功能，该系统以stm32F103zet6 为主要控制芯片，与各模块的电路相结合，可以实时地获得人员和车辆的动态信息。通过智能管理平台与小区内的各种设备进行统一的控制，实现3G、4G、5G、物联网、涉密内网等跨网数据交换，在保障涉密信息安全的前提下实现三网逻辑融合，为智慧社区所需的跨网业务交互提供可靠支撑。智慧园区传输层涵盖移动3G、4G、5G 以及物联网和内网，物联网是独立的，它和移动互联网之间搭建物理上的隔离区间，它的拓扑结构如图4所示。

图4 网络拓扑结构图

物联网可以将视频监控、人脸识别、周边安全、动环、安全日志、智慧社区用户的身份信息等内容，根据数据信息的种类，进行有效的安全交换。利用互联网发布智慧社区内的非机密公共服务，并将用户的身份信息导入物联网中，通过二维码物理隔离技术实现了与物联网之间的数据交互、数据处理、数据存储，并在内部网络上进行显示。利用物联网技术，将视频、图片、动环等实时数据进行处理、比对，并将监控指令和用户的身份比对等反馈到物联网中，再由二维码物理隔离装置发送到物联网中，以保证信息的安全传输和交换。

2.4 感知层

感知层是利用智能终端如超声波监控等设备，对各种能源子系统的运行状态、设备运行状态等进行实时的采集。系统建立与基于物联网的智能社区综合管理平台是一个硬件媒体，其主要功能模块包括无线ESP8266、DHT11温度采集模块、MQ135 感应模块，智能社区综合管理平台应实现对系统运行与设备工况等信息的全状态采集与观测，最大限度降低系统的不可观测性，从而为整个平台提供基础支撑。

感知层是由智能终端采集设备来获取各种能源子系统的运行状态、设备运行状态等的数据。该文设计了一个集成的管理平台，利用超声波检测仪对汽车和其他事故进行探测，以确定停车场内有无车辆滞留，并将其传回停车场信息数据库。超声波的振动频率很高，一般是超过25kHz的短波，适合于停车场的距离和位置测量。超声波传感器采用单一的传感器发射和接收回波，采用传感器发射和接收超声脉冲，并根据超声波脉冲的发射和接收的时间间隔来确定与目标位置的距离，测距原理如图5 所示。

图5 超声波测距原理

当感应层工作时，其振动频率为50 kHz，并通过空气传播，反弹到传感器上，通过计算两次传播过程中的速度和耗时，便可以计算出这段路程，对停车场的车辆进行定位，如式（7）所示。

式中：τ为在（，）位置上时，信息素所呈现的浓度，为信息素启发因子，是τ（）的权重参数；η为（，）上的启发式信息，为期望值启发因子，是η的权重参数。

根据目标函数找到适当的优化原则，找到一条从起始节点到达目标节点且能规避障碍物的最优路径，通过超声波检测器对车位进行监测感知，检测结果为车位是否有车辆停留并返回车位信息数据库。如果是小区业主并且已经购买了车位或者是向物业租赁了车位，则不需要填写信息，直接进入自己所属车位即可，且此车位一直在车位信息数据库中被标记有车。除人员车辆外，其余事件动态的检测和警报也可以通过超声波检测的方法进行感应。

3 测试试验

3.1 试验准备

该系统采用了SOA 的设计思想，以满足J2EE 标准（Web Logic， WebSphere， TongWeb， Tomcat 等）为应用基础架构，采用B/S 三级架构，确保了系统的安全运行。该系统由用户接口层、业务逻辑层、数据存储层组成。用户打开应用程序，输入使用者名称与口令后，系统便会在使用者资料库中，确认使用者的身份，并输入正确的使用者口令，才能进入该网站的首页，若使用者没有填写，便无法登录。智能社群平台与RFID 装置进行了交互，并与RFID装置进行了融合设计，RFID 装置对数据和智能化社区系统进行系统优化，以满足现场通信的串行规格：串行38400波特率，6 个数据位，1 个停止位，不带标定校准。每个ID 号码是3 个字节，转换为6 个ASC 字符发送。

3.2 试验结果

对基于物联网的智慧社区综合管理平台设计进行性能检测，具体要求在实际应用中对平台的实际情况进行仿真，以验证其在系统中的稳定度。系统采用了手动和自动检测的方式，即：对数据档案进行更改以增加交易次数；采用自动试验的方法，对多台计算机的多台联合试验进行仿真。对系统的主要测试对象进行筛选，选取5 个管理内容，对该系统的运行效率进行测试，所得数据见表1。

表1 管理运行数据

根据表1 可知，各项管理内容的反应时间较为迅速，管理效率较高，该文设计的智慧社区综合管理系统能够对各个社区的各种信息进行精确的监测，对不正常的数据进行事故分析，通过用户的报告获得事故的相关信息，并将其定位在出事地点，从而获得事故的详细情况。该系统具有较高的可靠度，具有良好的工作性能，一致性良好且方便实用。

4 结语

综上所述，该设计从硬件和软件两个方面进行综合管理平台总体结构设计，基于物联网将软件设计中的应用层、平台层、传输层和感知层进行划分，估计数据输入和输出的执行时间，对监控设备进行智能提升，对信息进行处理，传感器感知提取和执行器执行关联后重构融合，设备实现移动网以及物联网、内网的跨网数据交换，通过超声波监测对人员车辆、事件动态等信息进行采集，试验表明该系统具有较高的可靠度，工作性能良好。