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物联网在智慧城市管理中的深度应用


作者:钟周兰 来源:中国安全防范产品行业协会 2017-07-27 16:31:54
摘要:随着科学技术水平的不断提高,基于物联网的智慧城市建设,广义上是指城市管理的智能信息化,是运用物联网、大数据、云计算等技术采用智能化的手段来处理、分析和管理城市。基于物联网的智慧城市建设利用高新技术手段搞好城市治理,提高政府的整体快速反应能力,提升城市建设与管理的现代化水平和社会经济效益。本文将重点阐述物联网技术在智慧城市管理的应用。

  随着科学技术水平的不断提高,基于物联网的智慧城市建设,广义上是指城市管理的智能信息化,是运用物联网、大数据、云计算等技术采用智能化的手段来处理、分析和管理城市。基于物联网的智慧城市建设利用高新技术手段搞好城市治理,提高政府的整体快速反应能力,提升城市建设与管理的现代化水平和社会经济效益。本文将重点阐述物联网技术在智慧城市管理的应用。

  一、智慧城市物联网主要技术路线

       1. 传感网络设备及协议

  (1)物联网无线节点硬件设计

  无线节点硬件包括:微处理器模块、无线通信模块和电源模块。微处理器模块主要用于运行网络协议及对射频芯片等外围器件进行控制;无线通信模块主要为各节点提供无线通信的能力,实现数字信号与无线电信号的转换;电源模块主要用于为整个系统提供和管理能源,如图1。

物联网在智慧城市管理中的深度应用

  (2)物联网无线节点软件设计

  无线节点的软件结构为基于TinyOS操作系统的层次结构,主要分为协议栈部分和硬件抽象层。无线网络节点使用了CC2420射频芯片实现了节点间的无线通信,同时由于射频芯片是无线网络节点中最耗能的部分,所以它的驱动程序设计的好坏不仅直接关系到整个无线网络节点通信能力的好坏,而且还会关系到节点生命周期的长短。在传感节点 EEPROM 所存储的数据中,最主要所占空间也最大的是路由表和邻居表。路由表主要保存目标地址以及对应的下一跳地址等信息,邻居表中主要保存 64 位扩展地址、网络地址、链路质量(LQI)和相互间关系等信息。基础数据的采集通过无线传感器节点把监测点的物理量信号转化为数字信号,它是通过各种传感器与微控制器来实现的。

  2. 多协议融合网关软硬件设计

  (1)融合网关软件设计

  各集成系统的软件设计以嵌入式Linux操作系统平台,采取模块化编程,将需要实现的以太网或现场总线协议,按照其功能进行划分为不同模块。系统选择使用共享内存方式在各个进程间传递配置表信息和需要共享的数据。最底层为硬件设备,即多总线融合的通讯网关硬件,再往上为内核空间,内核空间通过驱动程序控制网关各功能部件。在此基础上,驱动程序就可以方便地规范控制系统的各路接口。在内核驱动程序的上层是设备文件,Linux通过设备文件管理各个驱动及硬件,通常一种实际硬件设备对应一个设备文件。设备文件统一由Linux的虚拟文件系统管理,通过Linux的系统调用接口与用户空间程序进行交互。内核空间之上就是用户空间,用户空间中底层主要是TCP/IP协议栈和其它各种通信协议程序。这些协议程序既可以是RS485的高层协议(Modbus、Profibus等)、CAN 的应用层协议(Canopen、Devicenet)和基于以太网的各种高层协议,也可以是基于RS232、RS485、CAN和以太网的用户自定义协议程序。各种协议程序都对应一块共享内存,通过各共享内存被用户应用程序接口函数统一管理。最上层就是用户应用程序,用户应用程序通过API函数管理各协议程序,数据处理模块主要进行将网关从无线传感网络和以太网获取的数据包进行提取有效负载和重新封装等相关处理。在数据处理部分需要同时处理上行数据(data 和 event)和下行数据(command),因此在数据处理部分,我们采用多线程的方式进行实现,这样可同时对上行数据和下行数据进行处理。

  (2)融合网关硬件设计

  多协议融合网关作为无线传感网络与有线以太网数据传输的纽带,主要用于收集无线传感网络数据,并支持各种主流现场总线,对这些数据进行加工处理,并通过 TCP/IP 协议转发到以太网中。由于网关需要处理大量的数据,同时还需要支持 USB 通信和 TCP/IP 协议,所以相对于物联网无线传感节点,它需要的 CPU 处理能力更强,内存空间更大。采用 ARM 架构的嵌入式硬件平台,针对网关设备的应用需求,它需要有中央处理器模块、存储器模块,并且还需要为网络通信提供网络接口,以及为系统各种监控现场总线提供UART 串口、USB等接口。

  二、物联网技术在智慧城市管理的发展与深度应用

  智慧城市体系架构

  智慧城市是将城市综合服务与管理实现智慧化,是大数据、物联网、云计算等科技创新成果应用于城市智慧服务的系统工程。重点是通过充分利用大数据、物联网、云计算等技术体系架构,将信息通信技术和网络空间虚拟系统相结合,使传统的产业服务向智慧服务转型,充分利用互联网技术在城市智慧服务过程中尽可能多地增加产品附加价值。物联网与智慧城市的结合,主要集中在无线智能感知技术、泛在接入技术、智能大数据处理技术等方向上形成创新突破,着力开发新型传感器和智能感知终端、智能服务终端与系统、智能化异构融合接入节点、面向用户服务的软件定义关键技术、通用控制和智能业务管理平台等,如图2。

  智慧城市体系架构

物联网在智慧城市管理中的深度应用

  三、物联网技术在智慧城市中的发展与应用

  (1)物联网技术在智慧城管中的应用

  全面信息资源整合及业务协同,实现城管系统中的人与人、人与物、物与物之间的相互感知、互联互通,不断提高管理效率及效果。通过智能化的手段,增强城管智能部门与人之间的沟通联系,使城管服务更加方便快捷,更具人性化。

  前端传感器等硬件设备,通过传感技术,实现对城市管理设施状态的监测和感知。基于物联网技术的感知平台是整个智能城市管理系统的基础部分,是城市管理所有信息的采集端口,集成了软件、硬件和通信网络的应用,包括位置感知、视频感知、状态感知、服务感知以及其他信息感知。依托城市的网络基础设施,实现传感信号、数据的传输。在支撑城管物联网平台对各类数据(包括状态感知数据、视频感知数据、位置感知数据以及各类业务数据)进行存储、运算、分析,通过基础设施平台共享交换接口,向上实现城市管理部门和有关机构的数据交换服务,向下实现下级城市管理部门和指挥中心的数据交换服务。最后通过综合应用平台实现对监控信息的关联分析、智能识别、高效融合和全景展示,支持实时的预警和事件接入,并支持执法力量的分布展示和执法指挥调度。

  (2)物联网技术在智能安防系统中的应用

  通过探测器采集监控区域的特定信息,设备主要包括:摄像机、烟感、红外、震动等各种报警探测器,将探测器数据和控制信息利用Internet网络的广域连接能力,实现远程的数据传输。通过产品上部署的智能分析处理模块,针对单一探测器的报警信息,调用受益人功能模块,对同一区域的其他探测器所采集的信息进行综合分析,实现异常事件的智能判断。应用决策层则实现系统的远程监控和管理。基于综合分析得出的数据进行决策,用户可通过智能手机、平板电脑、PDA等移动终端监控和管理系统,及时对异常事件进行决策处理。通过物联网技术使智能安防系统更智能、更快捷、更准确、更方便、更有效。

  (3)物联网技术在智慧社区中的应用

  基于物联网的智慧社区服务平台建设是利用高新技术手段搞好社区综合治理,提供政府的整体快速反应能力,提高救援服务和处理各种紧急突发事件的能力的重要措施,能够改变目前社区综合治理的管理模式,为社区的综合管控及科技强警开辟一条新途径,将大大提高社区管理的现代化水平。

  基于物联网的数字社区服务平台,主要需要解决支撑环境中各类设备及系统的标准化服务,为上层社区应用系统提供基础框架和通用组件,从而实现城市公共设施、专业服务设施物联的接入支持;实现对跨领域、跨行业的应用集成,为城市里各关键系统和参与者提供协同工作环境。

  (4)物联网技术在智能交通中的应用

  通过信息资源的自动整合及智能共享,具有高度的分析与预测能力,实现交通运输的便捷、安全、经济、高效,为智慧城市运营及经济发展提供支撑。以互联网、物联网等信息技术为基础,通过感知化、互联化、智能化的方式,形成以交通信息网络完善、运输装备智能、运输效率和服务水平高为主要特征的现代交通发展新模式。充分利用信息通信技术,通过人、运输装备与交通网络之间的相互感知、智能互动,达到一种完全自动、合理、高效的交通管理服务状态,实现交通运输效率最高、交通资源效益最大化。

  (5)物联网技术在智慧安全中的应用

  智慧安全以互联网、物联网为基础,通过城市安全信息的全面感知、各子系统间协同运作、资源共享,以建立统一的公共安全系统及应急处理机制,实现对公共安全的应急联动、统一调度、统一指挥,达到对公共安全的智慧化管理。智慧安全通过摄像头、传感器、RFID等传感设备在城市重要部位和关键节点的安装布局,加强对城市安全信息的采集、处理,实现实时动态化的监测、预测,并有效避免安全隐患。

  结语

  基于物联网的智慧城市管理特点在于采用了无线传感器作为数据采集,突破以往单一的视频采集方式,改变了传统城市安防的单一视频监控模式,通过云计算、大数据技术提供异构数据融合和分布式管理,将终端采集数据按需发往监控平台进行及时分析与汇总,使用物联网丰富和及时的监控手段及数据系统的多级管理,智慧城市将实现指挥统一、反应及时、作战有效的目标。

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