面向智慧社區的物聯網架構研究

宮艷雪，武智霞，鄭樹泉，丁志剛

（1.上海計算機軟件技術開發中心，上海200112；2.上海嵌入式系統應用工程技術研究中心，上海201112）

0 引 言

社區是承載社會人口的基本單元，是城市發展的重要體現者。但是由于多種原因，社區建設中還存在多種問題，如技術和產品缺乏開放性、兼容性和互聯性，統一的技術標準尚未形成，產品功能單一，不具備感知功能等［1－3］。目前的社區服務無法實現全面智能化，已經不能滿足人類對居住環境的要求［4］。

物聯網技術能夠解決目前社區建設存在的問題，為社區的全面智能化發展提供技術支撐。物聯網［5］是實現物物相連的互聯網絡，將用戶端延伸到了任何物品和物品之間，完成信息交換和通訊，提供更加全面、豐富的信息，實現智能化控制與決策。物聯網的融入為實現全面感知、互通互聯、開放兼容的智慧化社區奠定了良好的基礎，智慧社區已經成為未來社區發展的重要方向。作為設計和實現物聯網系統的重要基礎，物聯網體系架構的研究也逐漸成為國內外學者的研究熱點［6，7］，但是目前還缺乏系統性的物聯網架構研究成果以指導智慧社區的全面建設。

本文結合社區建設的實際需求以及物聯網技術的發展前景提出了一種面向智慧社區的物聯網架構，將無線傳感網、RFID、視頻識別等技術應用于安全防范、能源管理、社區服務、智能家居、遠程醫療、車輛管理等諸多方面，并詳細介紹了智慧社區物聯網中間件平臺以及應用系統的建設情況。同時，通過某老年療養中心信息系統建設的應用來驗證面向智慧社區的物聯網架構設計思想，并探討了智慧社區的發展意義。

1 智慧社區架構

圖1 智慧社區架構

目前，物聯網技術處于發展階段，帶來的智慧社區產業也正處在探索性實施過程中，因此對于智慧社區的定位和定義存在多種理解［8，9］。本文對智慧社區的定義如下：智慧社區是一種應用先進物聯網技術提升社區服務的全新社區形態，以物聯化的形式將社區內的人和物通過網絡互聯互通，形成現代化、網絡化、信息化和智能化的新型社區運行模式，運用智能樓宇、智能家居、智能交通、智能醫院、智慧政務以及數字生活等技術手段為居民提供方便、快捷和智能化的服務。智慧社區的建設具有重大的意義，將加強基層社會穩定，提高社區自治能力，提高居民生活質量，并為智慧城市的建設提供了以社區為單元的區域性示范。智慧社區的架構如圖1所示。

智慧社區的主體 （居民、商戶、社區機構、政府機構等）通過基于物聯網技術建設的智慧社區應用平臺對社區中的資源環境 （人、車輛、建筑、設備等）進行監控?；谖锫摼W的技術架構以及智慧社區的重點建設目標的研究，本文對智慧社區的架構劃分為感知層、網絡層、中間件層以及應用層。感知設備采集的技術通過網絡傳輸上傳到中間件層，并通過中間件層的數據處理為應用層提供可供分析與決策的信息，智慧社區的部署如圖2所示。

2 感知設備與網絡

感知設備是聯系物理世界和信息世界的紐帶，用來感知智慧資源環境中的物理量，如溫度、壓強、光照、速度、血壓等信息，也可通過采集到的信息來識別物體。智慧社區建設主要利用感知設備來監控小區內的智慧資源，主要包括：

（1）在小區內的重點區域以及根據居民要求在住宅內安裝攝像頭，實現對整個小區以及居民住宅的安全監控。

（2）在小區的出入口安裝門禁系統，每個居民通過配備的一卡通進出小區，實現對小區的安全管理。

（3）對孤寡老人、患有慢性病的病人等特殊人群配備可檢測血壓、心跳、體溫等功能的傳感器，并提供定位跟蹤業務，實現智能化的病理跟蹤、監控和管理。

（4）將圖書館的圖書貼上RFID標簽，并安裝讀卡器裝置快速完成圖書的上架、查找等操作；

（5）在小區及住宅內安裝空氣質量傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、光感傳感器等，進行環境參數的采集，為應用層的環境監測與節能系統提供控制參數。

（6）安裝無線遠程計量表，在線、實時的獲取用電、用水以及煤氣等相關的數據量，并可通過遠程控制功能對計量表的參數進行調整。

（7）運用GPS定位技術方便設置物業巡更時間以及路線，并動態顯示巡更人員的行走路線以及到達時間等數據。

圖2 智慧社區部署

感知設備采集的信息通過智能網關與網絡層進行通信。網絡的主要作用是把感知設備的數據接入互聯網，供上層應用服務使用，是實現物物相連的基礎設施。網絡設施是實現社區物聯化的基礎，在建設社區網絡時要大力建設光纖入戶有線寬帶網絡，并構建2G、3G、4G和WLAN四網融合的多層次、廣覆蓋、多熱點的無線寬帶網絡，有效促進有線與無線的融合，從而滿足智慧社區對通信網絡的多種需求。通過這些網絡將感知設備采集的信息通過網絡傳到數據中心，作為進行數據分析、智能決策的基礎。網絡化建設是智慧社區實現互聯互通的重要技術，鑒于篇幅有限，本文將不做擴展討論。

3 中間件

物聯網的應用理念是通過萬物的互聯互通進行相關信息的有效提取，實現對各種數據的分析與處理，達到高智能化的決策和判斷［10］。物聯網技術的實際應用涉及到種類繁多、數據量巨大的 “物”，如何利用中間件技術完成對這些 “物”的有效管理以及海量信息的處理是物聯網技術成功應用的關鍵［11，12］。

本文在面向物聯網架構方法論［13］的基礎上，運用面向物聯網架構 （TOA）理論來建立更高層次的公共平臺理念，建設對 “物”進行統一管理的物聯網中間件集成平臺。該平臺通過建立業務應用程序和底層數據獲取設備之間的通信橋梁實現了數據通信、任務分配、事務處理以及設備管理等功能，對物聯網網絡環境中的 “人—物”、 “物—物”之間的溝通和交互進行統一處理，通過簡單、統一的接口進行聯系，接口采用中立方式進行定義，從而實現聯網對象之間的松耦合。物聯網中間件集成平臺主要包含四方面技術組件：物聯網網關、物聯網數據總線、物聯網消息處理引擎以及物聯網關系管理，整體結構如圖3所示。

圖3 物聯網中間件集成平臺結構

在智慧社區的系統應用中，傳感設備采集的信息上傳到物聯網智能網關后，通過網絡傳送到物聯網中間件集成平臺的物聯網網關組件，將物聯網網關采集不同感知網絡的感知設備信息轉換為統一的數據格式，將數據傳遞到物聯網消息處理引擎實現數據的處理，物聯網消息處理引擎將處理后的結果反饋到物聯網關系管理組件，并通過該組件實現對 “物”的管理、監控以及對物聯網網關進行實時的配置的功能。其中，物聯網數據總線為其它組成部分間的通信，提供相應的通信接口，是其它組件的粘合劑。物聯網中間件集成平臺主要由調度服務器、信息處理服務器、通信服務器以及配置與監控系統組成，其中通信服務器、信息處理服務器是采用多臺負載均衡的應用，調度服務器使用主從的調度方法針對各服務器功能以及使用情況進行任務分配。

針對智慧社區建設需要采集海量、異構數據的特點，物聯網中間件集成平臺運用以 “物”為中心的架構技術實現對感知信息的獲取和轉換，將各個分離的設備、功能和信息等集成到相互關聯、統一和協調的系統之中，使資源達到充分共享，進而向上提供了不同的應用開發框架、向下屏蔽了異構網絡和硬件平臺的差異，提供了通用的物聯網應用和服務，實現應用之間的互聯、互通與互操作以及集中、高效、便利的管理。

4 應用層

應用層為互聯網和用戶提供接口，它與社區建設需求相互結合，實現物聯網的智能應用。應用層針對智慧社區的需求，搭建各種應用平臺。各應用平臺系統在通過傳感手段獲得的大量數據的基礎上提供更加細膩的管理和控制，實現智慧社區的全面建設需求。根據社區全面智能化建設的實際需求，智慧社區應用層將重點建設3個平臺：面向單獨家庭的智慧家居管理平臺，面向整個社區的社區物聯網管理平臺，以及支持社區互動的社區網絡服務平臺。智慧社區應用系統組織如圖4所示，本系統將智慧家庭連接在智慧社區中，通過互聯網以社區網絡服務平臺為入口，使用戶能夠通過終端與社區物聯網管理平臺和智慧家居管理平臺進行交互，實現社區數字化以及全智能化的管理。

圖4 智慧社區應用系統組織

4.1 智慧家居管理平臺

智慧家居管理平臺以家庭為單位，以住宅為平臺，利用先進的物聯網技術將與居家生活有關的各種設備有機的結合起來，提供全方位的信息交換功能，并幫助人們有效安排時間、節約能源消耗、照顧疾患病人以及實現全面的智能安防。智慧家居管理平臺主要包括家居安防系統、家庭醫生服務系統以及智能家電系統。各系統具體的功能如下：

家居安防系統：該系統集成可視安全對講子系統、防盜報警子系統、防火災報警子系統、防煤氣泄漏報警子系統以及遠程視頻監控子系統，實現家居的全方位智能安防。用戶可以登陸社區網絡服務平臺通過視頻監控系統對住宅的情況進行實時監控。一旦發生危險報警，智慧家居管理平臺會將警報信息上傳到社區綜合智能安防系統，并以短信的形式通知居民，迅速處理住宅的外界侵入和自然因素引起的災害。

家庭醫生服務系統：該系統整合醫療衛生、物聯信息、互聯網等優質資源，構建遠程健康監護、咨詢、會診、信息管理平臺，為家庭提供專業的健康管理技術、產品和服務。系統通過可移動的數據采集、傳輸設備，檢測患者的血壓、血氧、心跳速率等一系列的人體常規數據，并將數據上傳到社區醫療系統，一旦患者出現不適將會啟動社區醫療系統的報警系統，同時根據需求以手機短信的形式通知綁定的用戶，及時進行醫療處理。

智能家電系統：該系統實現對家用電子類產品的遠程、集中以及智能控制，將信息技術和家電技術相融合，實現家庭生活的信息化和智能化，滿足人們舒適、高節奏的生活需求。該系統與社區綜合智能安防系統相聯動，如家電產品出現安全異常情況將會啟動社區智能安防系統的報警功能，并根據需求以手機短信的形式通知綁定用戶。

4.2 社區物聯網管理平臺

社區物聯網管理平臺集成并擴展智慧家居管理平臺的部分功能，應用先進的物聯網技術滿足全體社區居民在安全防衛、綠色環保以及精神文明建設等多方面的需求。社區物聯網管理平臺各系統具體的功能如下：

一卡通系統：該系統以現有聯通所有家庭的寬度網絡為基礎，以小區停車場／門禁系統RFID卡為載體，建立以一卡通為基礎的統一運營服務系統。居民可以通過一卡通享受包括社區物業服務、自營的增值服務社區內以及周邊加盟商業提供的會員制商業服務。

綜合智能安防系統：該系統集成電子巡更、視頻監控、防盜報警以及門禁等多種社區安防功能，對社區提供全方位的安全防護，為社區居民建立安全、舒適的生活環境。社區的綜合智能安防系統可與家居安防系統進行聯動，在出現緊急安全問題時迅速啟動應急系統，即時獲得警力支援，保障社區居民的人身和財產安全。

社區圖書館系統：運用RFID技術開創集精確點檢、靈活排架、文獻定位導航、自動尋址歸架、科學整架上架及典藏防盜一體等功能為一體的全套智慧化圖書館應用系統，簡化借還書流程，提高流通效率，改善借閱管理和安全防遺漏流程脫節的情況。應用無線通信技術與網絡技術，通過互聯網查找圖書借閱情況，并對即將租借過期的圖書通過短信方式通知借閱人，改進圖書館的服務模式。

社區醫療系統：該系統一方面通過建立面向家庭和個人的健康檔案、電子病歷、衛生保健等數據庫打破醫療信息的地域性限制，共享、高效利用醫療信息，提高醫療技術和質量。另一方面，社區醫療系統與家庭醫生服務系統進行集成，運用遠程病情監測技術對相關特殊人群進行遠程護理，避免病人奔波，提高社區醫療服務的整體質量。

環境監測與節能系統：該系統實現了對于室內以及室外溫度、濕度和空氣質量的監測。同時借助于分析結果，對于空調和燈光強度的調節策略進行優化，以在確保室內舒適度的前提下，降低由于不合理用電策略造成的高能耗。

綜合物業管理系統：該系統融合了遠程智能抄表、停車場管理、樓宇對講、綜合信息指南、設備報修、來訪客管理等多種基礎物業服務功能，為社區居民提供先進的、全方位的綜合物業服務。實現物業管理人員對各種物業服務的遠程、集中管理，降低工作強度，提高工作效率。

政務延伸系統：該系統將有關群眾日常事務的服務延伸到社區，放權至社區窗口。居民可以通過該系統查詢或提交相關政務待辦事宜，了解國家或市級相關法律條文。

4.3 社區網絡服務平臺

依托于寬帶和移動通信網絡，為物業管理者、社區商戶、居民、政府機構等提供了日常交流互動、安全管理及辦公自動化等應用需求的信息化服務。社區互動網絡服務平臺融合了家居安防系統、家庭醫生服務系統、一卡通系統、社區圖書館系統、社區醫療系統以及政務延伸系統中實現社區網絡互動的功能，方便快捷地實現安全警報、遠程醫療、圖書借閱、政務公告等相關信息的傳遞和互動。同時，為商戶和居民提供社區B2C服務平臺，借助于互聯網開展在線銷售活動，在方便社區居民的同時幫助商戶開拓經營的市場。

5 面向智慧社區的物聯網架構應用

本文提出的智慧社區架構一方面能夠使社區從傳統的簡單的居住場所上升到可提供居住安全、信息互動、人文與科技共融共生的高層次、高品質及智能化生活環境的載體，另一方面也可通過適當剪裁在醫院、學區、商業園區等進行應用，具備一定的通用性。老年療養中心是一種特殊的社區形態，可提供養老、托老、康復等多功能的服務。目前，智慧社區架構已經在某老年療養中心信息系統一期建設中得到了應用。

該老年療養中心信息系統一期建設重點采用最新的視頻監控、無線傳感網絡、射頻識別等技術為老人提供智能醫療看護服務和全方位智能安防服務。系統具備人員定位管理功能，可使管理人員實時監護老年療養中心內各個樓層區域老人的詳細信息及數目，并利用監護報警功能實時了解老人的健康情況，啟動報警呼救。同時，利用無線傳感技術對室內外溫濕度、門窗等實施監測，對燈光、窗簾、電器、門禁等實行無線自動控制。一旦發生異常報警，可通過視頻聯動功能第一時間獲取真實圖像信息及事件處理畫面。該老年療養中心信息系統一期建設拓撲結構如圖5所示。

圖5 老年療養中心信息系統一期建設拓撲結構

該系統具有以下特點：

（1）支持RFID、傳感器以及攝像頭等多種類型感知設備的接入，可以廣泛采集療養中心關于安防監控以及老人監護的相關信息。

（2）基于智慧社區的物聯網架構，可提供統一管理平臺，方便老年療養中心管理人員對相關感知設備的實時運行狀態進行管理，及時了解老人身體狀況以及當前安防狀態等信息。

（3）提供可擴展的數據處理接口，可根據實際需求接入相應數據處理模塊，減輕系統維護的工作量，便于療養中心信息系統應用擴展以及系統升級。

目前，一期建設的老年療養中心信息系統運行良好，能夠滿足安防監控與老人監護的功能。根據智慧社區的總體架構并結合老年療養中心的實際需求，二期建設將圍繞停車場管理系統集成、智能監護系統擴展以及節能系統建設等方面開展。

6 結束語

本文針對社區的發展情況提出了一種面向智慧社區的物聯網架構，對系統的物聯網中間件集成平臺以及應用系統進行了重點的闡述，并通過某老年療養中心信息系統的建設驗證了其可行性。作為社區發展的必然趨勢，智慧社區建設應秉承智能、人文和服務的理念以探索社會管理、社區服務、惠民興業的發展新途徑，并逐步融合數字社區、信息社區以及智能社區的技術與優勢，成為未來社區的主要運行模式。目前，智慧社區的建設亟需系統的分析，本文提出的面向智慧社區的物聯網架構旨在起到拋磚引玉的作用，為智慧社區建設提供一個全面智能化建設和部署的參考依據，使居民享受高層次的、更為舒適的 “智慧化”的新型服務。

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