基于5G网络的智能化楼宇自动监控系统设计.pdf

SOFTWARE软 件2023第 44 卷 第 8 期2023 年Vol.44,No.8作者简介：张辉（1983），男，山西临猗人，硕士研究生，讲师，研究方向：信号与信息处理。基于 5G 网络的智能化楼宇自动监控系统设计张辉（山西师范大学临汾学院自然科学系，山西临汾 041000）摘要：智能化建筑安全监测技术的应用，对于改善居住环境，促进可持续发展，有着非常重要的意义。文章在 5G 时代到来的大背景下，首先分析了 5G 技术，然后介绍了智能建筑的特征，并对智能建筑安全自动监控系统的工作原理及设计原则进行了分析。最后，本文还提出了采用相关技术进行系统设计的方案，希望能在一定程度上起到启发作用，使 5G 技术在整个系统设计中的应用价值得到最大化。关键词：5G 网络；智能化楼宇；自动监控；设计中图分类号：TU855 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.08.026本文著录格式：张辉.基于5G网络的智能化楼宇自动监控系统设计J.软件,2023,44(08):112-115Design of Intelligent Building Automatic Monitoring System Based on 5G NetworkZHANG Hui(Linfen College of Shanxi Normal University Department of Natural Sciences,Linfen Shanxi 041000)【Abstract】：The application of intelligent building safety monitoring technology is of great significance for improving the living environment and promoting sustainable development.Under the background of 5G era,this paper first analyzes 5G technology,then introduces the characteristics of intelligent buildings,and analyzes the working principle and design principle of intelligent building safety automatic monitoring system.Finally,this paper also puts forward the system design scheme using relevant technologies,hoping to play an inspirational role to a certain extent,so that the application value of 5G technology in the whole system design can be maximized.【Key words】：5G network;intelligent building;automatic monitoring;design设计研究与应用1 5G 技术特点5G 技术的一个重要特点就是高速传输，5G 基站的理论峰值速率必须达到 20Gbit/s，并且可以支持大规模的移动宽带服务，如 3D/超高清晰度视频。相对于4GLTE 技术，5G 将会利用更多的技术来达到更高的传输速度。5G 增加了多个天线阵列，从而提高了系统的容量，以及系统的空间分辨率，采用波束赋形技术与小区分裂、小区分簇法等方法，实现了对某一区域、某一特定用户群的信号强度的控制，提高了空口的数据传送速度1。LTE 利用 CP-OFDM 技术可以有效地抑制多径，但由于带外泄漏会使其频谱利用率下降，而 5G 采用正交 FB-OFDM 技术，通过滤波器组在传输带宽范围内滤除多个子载波，形成时域数据信号，实现对 5G 的传输2。它具有与 LTE 系统相兼容的特点，可以根据不同的应用场合，对不同的波形函数进行选择，因此，可以使带宽使用得到更好的改善。与以往 Turbo 编码技术比较，5G 采用 LDPC 作为 LDPC，而控制信道采用 Polar 编码。5G 采用 C 频带，终端上行传输能力有限，因此，采用 1.8G 的 LTE 共址基站，只有基站的核心用户才能享受到 5G 技术，而上下解耦技术是通过利用 LTE 中的低频空闲频段来补偿 C 频段的上行覆盖能力，确保所有下行覆盖区域的 5G 基站均能接入3。2 智能化楼宇自动监控特点（1）要加强安保工作。智能建筑的监控，主要针对的是人、门等，在设置的时候，要确保监控的范围可以更大、更好地进行保护。（2）是为了达到控制目标。在此基础上，建立了一个主监测中心，并将智能网络监测主机作为控制核心4。根据主监控中心的位置，可以设置多个虚拟网络的分控点，将办公大楼内的局域网连接到各个部门的电脑，并将其连接到主监控室，在得到主控中心的许可后，可以随意调阅。（3）充分利用互联网的力量。为了更好地利用建筑内部的网络资源，构建建113张辉：基于 5G 网络的智能化楼宇自动监控系统设计筑的视频监控系统，利用网络进行监视，但其并不只是分控，其最大优点是未来大厦监控点的扩充，透过网络，建立一个虚拟的网络控制中心，达到一对多、多对多。设计原则是：在设计时，应考虑到建筑物的具体位置，整体地进行运作和计划，整体设计以高科技为主导。监测效能：（1）考虑到建筑物本身的突发事件难以预料等特性。在特殊工作区（通道）必须配备相应的保安装置，如在重要区域、财务室、会议室、重要通道和安全通道等处设置监视装置，一旦发现异常，应立即采取措施。（2）对办公建筑进行标准化管理是有益的5。同时，对工作人员的工作进行录影，有利于解决工作中的争议，明确职责。（3）大厦工作人员复杂，人员流动性大，随时都有可能发生意外，尤其是最近几年，大楼里经常会出现一些意外，例如，工作人员的生命安全、工作人员的偷窃以及不法之徒潜入大厦偷窃。3 5G 在智能视频监测中应用所面对的挑战（1）在保证隐私和网络安全之间的权衡方面，确保两者之间的均衡，从而使分布式处理成为可能；（2）平台的功能整合，既具有数据压缩和分析的功能，又可以确保所提供的信息的正确性；（3）提升感知的智能化程度，长期以来，物联网都没有可视化，而 5G 技术的延伸，则是以“智能”为核心，近年来，智能感知在家居、交通等行业中的应用越来越多，这些行业，都是海量的、全天工作的，而网络摄像头，也让手机多了一个摄像头，这就意味着，它的未来，将会非常的光明6。（4）标准平台的构建是实现标准平台的关键所在，它能有效地解决“孤岛”问题，从而使其在开展相关工作时，要注意的是“视频嵌入”，既要保证平台的可靠度，又要保证检索与查询的平衡，并使信息共享；（5）加强与物联网通信的联系，传统的传感器都是单一的，比如十字路口的监控，它只能捕捉和储存特定的数据，而不是实时传输，这与 5G 的特性和需求不符，必须要进行相应的调整。4 自动监控系统设计原理及组成4.1 安装自动监控系统概论安全与监测是当前智能化建筑中的一个重要组成部分。随着科学技术的飞速发展，通过对物业以及科技自动监控的有效管理，可以彻底改变人们的安全意识。被动式保安的发展趋势是多元化、综合化、电控化和网络化，它将成为 21 世纪建筑安全的一种新的范例。自动监控系统涉及到电学、通信、信息学、光学、物理学等多个方面，是一项非常复杂的综合技术。建筑物的视频监控已经在人们的日常生活中得到了广泛的应用，因此，必须进行标准规范，合理设计，只有这样，才能让大楼的视频监控取得最好的效果，在分析了监控系统的基础上，提出了一种基于视频监控的方案。在运行过程中，要确保系统的兼容性、灵活性和人性化，如图 1 所示为自动监控系统网络示意图。IC卡读卡器门磁 窗磁 主动式红外传感器应急按钮被动式红外传感器S7-200PLC(含CP243-1)网络摄像头IC卡读卡器门磁 窗磁 主动式红外传感器应急按钮被动式红外传感器S7-200PLC(含CP243-1)网络摄像头1号单元楼安防网络2号单元楼安防网络PC式数字硬盘录像机(含多路显卡)监控显示屏小区中央监控室实时监控界面(含CP1613)交换机ESM中继器ELM交换机ESM交换机ESM中继器ELM交换机ESM图 1 自动监控系统网络图Fig.1 Network diagram of automatic monitoring system4.2 安防监控系统构成智能建筑保安与监视系统是一种专门为独立建筑设计的安全防护技术，它的目的是通过对小区的门禁、视频监控等手段来保证用户的生命和财产的安全，并对其进行自我监控，以保证整个建筑的安全，它的基本构造如图 2 所示。安防监控系统视频监控系统门禁系统可视对讲系统图 2 安防监控系统构成Fig.2 Composition of security monitoring system4.3 门禁系统门禁系统是一种集各种自动识别技术与现代安全管理手段于一身的新型现代保安管理系统。该系统是解决建筑出入口安全管理的一种行之有效的方法，详细结构图如图 3 所示。在设计保安系统时，保安系统主要负责门区的进出人员的权限，以保证大楼的安全，避免外来的危险人员进入，造成经济上的损失。目前，大多数建筑的门114软 件第 44 卷 第 8 期SOFTWARE禁装置都是简单的电子开关，一般都是通过有线进行通话，不具备可视和无线的功能。但是，它的不足之处在于，其交互性较差、线路复杂、智能水平低。随着视频编码、解码、无线等技术的迅速发展，建筑智能化也得到了快速的发展7。嵌入式无线网络因其体积小、成本低、使用灵活、使用方便而得到越来越多的应用。在设计时，保证了门禁系统与监视系统之间的互联互通，当出现异常情况时，能够及时地对其进行管理，保证在紧急情况下能够打开或关闭。本系统由系统软件、门禁控制器、阅读器、电子锁等组成。密码的识别就是检查口令的正确性，从而确定进入和离开的权利8。这种类型的产品分为两种，一种是普通的；另一种是无序的，是指在键盘上，数字不会固定，会随机改变。其中，普通型的优势在于使用起来简单，不需要带卡片，而且价格低廉。但它也有一个弊端，那就是只能存储 3 个不同的口令，而且很容易被人发现，而且不会有任何的出入记录，只能进行单向的控制。而随机键盘安全性更高，但是这样的口令很容易泄漏，且没有任何安全措施，只能通过一个方向来控制，其价格也比较贵。卡片识别是一种可以读取或者读取一张卡片的密码，卡片可以分为磁卡和射频卡，这两种卡的优势在于，磁卡的价格便宜，每个人都有一张卡，可以连接电脑，有打开的记录，但是也有一个弊端，那就是卡片的使用寿命很短，很难复制，而且很难双向控制，由于外界的磁场，卡片的信息很容易丢失，从而导致卡片失效。而射频卡则具有卡片装置不触碰、开门容易，安全可靠，使用寿命长，理论数据至少十年以上，安全性能更加高，并且可以连接微型计算机，有开门记录，具备双向控制特点，这是一种非常难以复制的卡片，不过其价格更高。4.4 可编程控制器（PLC）的自由端口通讯设计在每个建筑入口处安装一个 IC 卡阅读机，把读卡机与 PLCP0 端口相连，为每家安置设防和撤防信号，PLC 和读卡机选择免费端口进行通讯。通讯时，PLC是主设备，IC 卡读取器是从机，同一 IC 卡进入大楼，刷一次卡，信号 0；出门时刷卡，信号 1。PLC 的任务是从读卡机中获取数据，然后把它们放到一个特殊的存储区。如图 4、图 5 所示，分别显示了 PLC 的采集初始化和 PLC 的接收信息的流程。开始初始化端口和接收指令是否有人刷卡？开发送完成中断，接收信息(从PORT0到VB500)是否接受完信息？开接收完成中断，将VB500复制到VB510接收完成中断返回YYNN图 4 PLC 数据采集初始化的流程Fig.4 Process of PLC data collection initialization开始家庭地址选择(VB511)=?M1.1=1M1.2=1M1.3=1是否设防(VB512是否为FFH?)M3.2=1M3.2=0YN是否设防(VB512是否为FFH?)M3.1=1M3.1=0YN是否设防(VB512是否为FFH?)M3.3=1M3.3=0YN=01H=0CH=00H图 5 PLC 对接收信息的处理流程Fig.5 PLCs processing process for receiving information4.5 视频监控系统视频监控系统是一个完整的、具有很强的防御性的系统，由于其直观、方便和丰富的信息内容，在很多方面都有广泛的应用。智能监控系统属于第三代视频监控系统，它是以仿真技术为核心的一种监测系统，通过同轴电缆对摄像机拍摄的图像进行仿真，然后再通过传输回路，实现视频监控的目的。第二代是智能视频监视系统，属于第三代，它是一种以仿真技术为核心的监测系统，通过同轴电缆对摄像机拍摄的影像进行仿真，然后再通过传输回路，实现视频监控的目的9。本发明涉及一种利用同轴线缆来实现视频采集，但采用 DVD 来存储与仿真有关的数据和图像。智能视频监测系统是一种全天候、全自动、实时监测的智能化监测系统，它以计算机视觉、图像识别技术为核心，与第五代手机技术相结合。5G 的视频监测系统分为五大部分：（1）是以 5G 为控制器识别器电子锁图 3 门禁系统构造图Fig.3 Structural diagram of door security115张辉：基于 5G 网络的智能化楼宇自动监控系统设计基础的数据采集模块，以 5G 网络为基础，实现数据的快速回送，并对数据处理的结果指示作出相应的反应告知；（2）是图像处理子模块，其主要功能是利用 MEC服务器对视频图像进行追踪、识别和检测，并对与目标有关的数据进行分析，从而生成相应的命令，再将指令传送给监测终端；（3）是数据存储模块，包括 SMTP和 FTP，其主要作用是用来存储相应的数据资源；（4）是监控子模块，由监控器和监控器 PC 组成，通过这个功能，可以方便有关人员查看、回放监控录像，并且对监控的目标来进行处理标志从而设置对应的涉略，对摄像机终端进行实时控制；（5）是一种主要与 5G 通信系统相连接的系统对接传送模块，使其能够进行智能化的管理10。在安全监测装置的布置上，要注意定位的正确性和覆盖面。重点控制重点部位，例如，主出入口。按使用需求及保护等级规范设置保安系统，并采用高分辨率的红外线彩电摄影机，以保证夜间的防盗。建筑视频监控系统的中央控制室通常是在安全部门进行的。中央监控室的设备数量多，对环境的要求也很高，因此必须保证内部的清洁，而在中央控制室中铺设的电缆不能得到妥善的安排，必然会对以后的系统安全和维修造成很大的影响。因此，通常使用桥架对全部电缆进行整体保护，既不会破坏内部的美观，也能保证整个系统的安全性。5 总结目前，随着时代的发展与变化，安全监控系统被广泛地应用于各种类型的建筑，给人们的生产、生活带来了极大的方便，因此，根据各种智能建筑的特点，采用一体化、联动的方式进行安全监控，将是未来的发展方向。与前两代相比，它的硬件性能有了很大的提高，系统的性能得到了极大地提升，尤其是它与 5G 技术的结合，使其应用更加广泛。一方面，它可以推动安全技术的发展；另一方面也可以扩大 5G 的应用范围，从而推动 5G网络中的智能视频监控产业链向多元化方向发展。参考文献1 袁猛,曲凯亮.基于无线传感技术的智能楼宇监控系统设计研究J.通信电源技术,2022,39(9):60-62+67.2 冀国明.楼宇智能化综合安防监控系统J.百科论坛电子杂志,2022(1):154-155.3 田静.一种建筑楼宇智能化监控系统:中国,CN202111296584.8P.2022-02-08.4 曾莹莹.对物联网的智能楼宇安防监控系统设计J.电子技术与软件工程,2020(18):74-75.5 何行,何欢,董重重,等.云环境下智能化信息安全防护自动监控系统设计J.电子设计工程,2019,27(10):169-172+177.6 MA W,JIN H,PAN Z,et al.Monitoring System Design for Intelligent Hydraulic Safety Based on the IoTJ.IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,2021,676(1):012071(8pp).7 QIAN H T.Design of Tunnel Automatic Monitoring System Based on BIM and IOTJ.Journal of Physics Conference Series,2021,1982(1):012073.8 XU Z,RAN Y,RAO Z.Design and Integration of Air Pollutants Monitoring System for Emergency Management in Construction Site Based on BIM and Edge ComputingJ.Building and Environment,2022(Mar.):211.9 AGUILAR R.Awareness Raising and Capacity Building through a Scalable Automatic Water Harvest Monitoring System to Improve Water Resource Management in Monteverde Community,Costa RicaJ.Engineering Proceedings,2022:9.10 LU C Y,HSIEH H Y,TUNG C L,et al.Design of Feeding System of Automatic Rod Packing MachineJ.Sensors and materials:An International Journal on Sensor Technology,2022(7 Pt.1):34.