摘要：  本文将对物联网无线传感网络在智慧防灾与能源消耗等安全监控中的应用及云计算服务理念作研讨，并以无线网关实现林火早期监测系统应用与智能能源网关在实时监控能源消耗中的应用方案为例作重点分析。

关键字：  智慧防灾，云计算，传感网络，火灾检测

1 前言
世界变“平”了、变“小”了，而且变得更加“智慧”了。当前的全球气候变化、能源危机，迫使我们审视过去，以一种更加“智慧”的方式去重新思考如何通过技术的手段使我们的社会、我们的生活运转得更加“智慧”。对于这些问题，人们在进行认真思考，认为只有把实体世界和数据世界融合在一起，才能把世界变得更加智慧。尤其是随着地球气候恶化，大自然反扑，天然灾害所带来的损害也快速加大，使得我们人类倍感威胁。利用智慧化特色的物联网来监控安全环境是目前看来最有效的方式，也将成为未来最具代表性的环境监控安全架构，使得人类对大自然环境有更一步的了解与掌握。如今在物联网的带动下，透过无线感知技术的应用，不仅为智慧环境安全监控的发展带来突破，更弥补过去单点监测功能的不足，这同时也为环境监控架起了一道新的防线。为此本文将对物联网在智慧防灾中的应用与云计算服务相关理念作研讨，并以无线网关实现林火早期监测系统应用与智能能源网关在实时监控能源消耗中的应用为例作重点分析。
物联智慧防灾是理想选择
综观目前的防灾措施，大略可分为短中长期三种作法。短期是利用自动化技术进行灾害预警，如透过土石流、水位的监控，提早疏散附近居民；中长期则是透过各种监控搜集数据，进而制定相关策略，使用正确的工具与作为，可使数据依序推进为信息、知识最后成为智慧化(Wisdom)，即便未来十年的天灾不可免，但透过新科技的注入，或许在第二个十年就可有所改变。传统监控的利用IT技术来进行环境监控，并非始于物联网，只不过这几年的天灾所造成的损害急速加剧，过去基准已不适用。以往的监视架构常常是在灾害后，相关单位才进行此灾害的防灾项目，因此无法进行广域监测。而无法建置广区域多点监测的原因，除成本高外，系统安装不易、通讯技术以及易受遮蔽干扰、中央监测系统功能不足，也都是原因之一。最新潮的是利用物联网的全面感知、可靠传递、智慧处理等特性，来进行环境监控将可大幅减少天灾所带来的损害，目前物联网的环境监控可分成几个部份，包括都市防洪预警、危急河川预警、山崩预警、桥梁安全预警、地震预警、湖泊环境观测、珊瑚礁环境观测。而物联网架构则为：其一是当地数据收集与传讯系统；其二是通讯系统；其三是数据中心，主要是透过传感器等装置，大量收集现地数据，利用通讯系统将数据回传到数据中心，形成完整数据库以利分析与策略拟定。
环境监控中物联智慧-无线感测网络应用
传统型广域环境监控的设备有几个关键要点，首先由于大部份的设置地点无法供电，因此传感器、摄影机等设备必须可用电池供电或符合低功耗的要求；其次，通讯必须长短距离皆备，且须因应监测地点环境恶劣，IP66防水标准等环境规范必须具备；最后，中央监测系统必须有因特网架构，以易于连结与信息分享，且除具有I/O监测外，还要有分析纪录与预警判断功能，并提供实时影像整合，整套系统才称得上智能化监控系统。
由于物联网的概念，是利用无所不在的网络技术建立起来的，可广泛延伸应用于安全与生活的各层面，大幅提升便利性及安全性，同时也能实现节能减碳，目前已延伸到各领域，包含智慧环境安全监控、智慧建筑与居家、智慧交通、智慧医疗等等。
而通讯层方面上的传感器网络是一个备受青睐的技术与产品。目前传感器网络可分为有线与无线两种，有线感测网络因需要布线，大多以室内为主；而作为室外的环境安全监控，则多采无线方式。因无线感测网络虽然无线传输讯号易受干扰，不过其布建容易，放到哪里、测到哪里，所延伸出来的应用也更广。尤其是相关技术与产品除了可支持的通讯接口外，还具有可靠的抗环境能力，如防水、防尘、防震、强固等特性。据此对物联网理念与技木应用将以无线网关实现林火早期监测系统为例作说明
2 无线网关实现林火早期监测系统应用
2.1 新的挑战与应对
当涉及火灾所威胁到的财产和生命时，你不能退而求其次。选择无线网关实现林火早期监测系统方案是因为该系统很容易部署且高度可靠。为了防止野外区域和偏远的森林免受火灾侵袭。系统检测并向当地政府和当地居民报告森林火灾以保护家园，财产和人员。该方案应用无线模块嵌入到火灾探测传感器以传递信息给网关。这个网关通过蜂窝网或卫星传输信息给云计算，在那里信息可以被实时访问，并可以根据预先定义的事件进行编程实现告警和通知。
林火早期监测系统是部署在那些有线数据通讯无法实现的远程区域。图1为无线网关实现林火早期监测系统应用框图。
以前往往是采用卫星技术连接他们的林火早期监测系统。可是达不到速度要求。这可能需要一个小时才能将警报传达到当地政府。而在消防行动中，早期发现是很关键性的。另外卫星信号覆盖也在许多区域存在盲点。从2009年起，转向采用新型网关（见图1中Digi公司的ConnectPort® X4 型）和无线模块（如XBee® ZB 型）实现系统的连接。其无线模块将火灾监测传感器与网关连接起来。网关再通过蜂窝网或卫星将传感器信息实时地广播发送到网络上。这样报警信号告可以尽早地发送到指定的当局及其土地业主和其他使用该平台的单位和个人。该平台平台是一个可将信息与公司后端系统方便地集成的云计算的服务。当地政府当局现在可以在几秒钟内获得火灾警告。
采用了林火早期监测系统平台以后，林火早期监测系统可以很方便地根据每个用户的特殊需求进行配置。例如：一旦警报被触发，系统现在可以直接用电话和寻呼机向消防员或志愿人员发送警告。也可以编程向负责处理突发事件的消防员、城市官员和当地居民发送实时通告。一旦发生火灾，林火早期监测系统可以实时将警报连同火场地图和可视化数据发送给第一响应者所在的指挥中心，车载计算机和PDA上。这使得消防员可以在风向不利的情况下避开危险区域。透过系统制造厂商的云计算，告警传达到监测人员我们，而我们再将告警进行分发。采用云计算，各种户设备被安全地托管在系统网络上，使得监测人员我们可以方便地监视设备而不必维护服务器。本林火早期监测系统应用了云计算增强了系统功能，据此有必要对云计算作说明。
2.2 采用云计算服务增强了系统功能
那么何谓云计算呐？
云计算是一种新型的计算模式：把IT资源、数据、应用作为服务通过互联网提供给用户。它是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。因此云计算是一种基于因特网的超级计算模式，在远程的数据中心里，将成千上万台电脑和服务器连接成一片电脑云。故云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力，拥有这么强大的计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。其软件可以包括各种操作系统、中间件、数据库及应用等，形成统一资源池，为企业内部用户、外部中小企业及公众用户提供云计算服务。如今不少著名厂商的云计算解决方案对企业现有的 IT 资源进行了整合（硬件可以包括 x86 或 Power 的机器、存储服务器、交换机和路由器等网络设备）。
云计算旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。而用户则可以通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。为此云计算帮助您有效地管理云环境，使您能够经济有效地向您的所有客户交付高质量的服务。如IBM 服务管理和云计算可以帮助您：迅速实现新的协作方式；获得可伸缩的计算能力；访问更智能的网络；减少人力的需要，保持或减少物理空间需求和能源需求。
云计算应用方案例举
应该说云计算模式的革命性的意义，就像从古老的单台发电机模式转向电厂集中供电的模式一样。这意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。只不过，它是通过互联网进行传输的。
为此例举未来之城预防方案作介绍：核心系统方案层--宜居乐业的氛围--综合环境监控（见图2所示）。该城市的云将会与物联网挂钩，产生更多的机会。城市级的云计算中心将成为物联网的处理核心，将物联网从各个感应终端获取的数据进行集中处理。该环境监控预防案在功能上支持大容量，统一的数据管理，并行数据计算和处理；在先进性上采用了先进的“云计算”方式，整合公司实验的并行计算和空间环境数据集成能力，并为政府灾害预防提供有力的数据支持。从图2可知以云计算为先进性的综合环境监控未来之城方案解决了：复杂的、紧迫的全球的环境问题和缺乏集中系统来整合分析环境数据（如水火灾情、水，空气，土，噪声等）及缺乏综合的、实时的环境数据等难题。
从观察物联网的架构组成角度出发，该图1所示林火早期监测系统是由下至上可分为感知、网络、应用三个层面，其产品定位在感知层，即利用火灾检测传感器等随时随地获取物体的信息；其次是网络层，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；第三个层面是涉及服务及应用的管理层，也就是利用云端计算等各种智能计算技术，对海量的信息进行分析和处理，对物体实施智能。特要指出的是，这感知、网络、应用三个层面也涵盖了“人与人”、“对象与刘象”及”人与物件”三大范畴。
3 无线网关实现林火早期监测系统技术与产品的选用
3.1 有关物联网理念
图1中Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本、低复杂度的近程无线网状网网络技术。而Zigbee的主攻市场为：建筑自动化、居家控制／安全、工业自动化及物流与传感器网络等。
XBee适配器
XBee适配器为连接传感器和控制器及其它远程监控设备提供了方便的ZigBee/802.15.4无线连接。所有的XBee适配器都可以用于和ConnectPort X网关一起构建嵌入式网络。XBee适配器使用ZigBee（网状网）或802.15.4（点对多点）无线技术，使已有的设备实现个人区域网连接。它有多种接口产品型号可供选择，这种适配器实现了ZigBee/802.15.4网络嵌入式解决方案所带来的所有好处：如立即使用、无需部署时间。ZigBee/802.15.4技术使对传感器和控制器及其它商用设备通过低功耗无线网络以实现安全低成本的监测和控制成为了可能。作为嵌入式网络产品的XBee适配器可以用于连接ConnectPortX网关来实现端对端的设备网络连接而无须构建有线网络。
3.2 网关与无线射频模块选用
值此以Digi公司的ConnectPort™X网关与ZB ZigBee® PRO无线射频模块为例作说明。 
ConnectPort™X网关  
ConnectPort X 网关为无线XBee网络上的终端设备提供IP网络连接。网关采集终端节点数据、处理和通过无线蜂窝、Wi-Fi和以太网连接发送到上级应用，可选多种配置，支持不同应用。ConnectPort X网关适用于地理上分散的数据采集和通讯应用。ConnectPort™X网关主要功能：WPAN连接使用XBee® 网络；IP 连接使用无线蜂窝、Wi-Fi®；提供多种配置选择以迎合不同种类的应用；易于使用Python® 开发环境；可选GPS或大容量存储。ConnectPort™X网关集中ZigBee与802.15.4点对多点区域网络流量，网络以基于安全的无线蜂窝、Wi—Fi或者以太网提供IP接人功能。
ZB ZigBee® PRO无线射频模块 
它是ZigBee®网络终端设备的无线连接，主要功能：与其它厂商符合ZigBee PRO协议的产品实现互操作性；无须额外射频通讯 配置；与一系列XBee 射频模块 结构相同；其可编程的 XBee Pro ZB 模块可供选择。作为嵌入式网络(Drop—in Networking)的重要组成部分，而XBee和Xbee PRO ZB嵌入式无线射频模块使用ZigBee PRO协议实现了低成本和低功耗无线终端连接。
4 智能能源网关在实时监控能源消耗中的应用
适用于智能能源网关ConnectPort®X2可以通过IP连接家庭区域网(HAN)及软件的应用，若其它设备符合ZigBee智能电网无线标准，则它可与这些其它设备之间进行的互操作。如果需要也可独立于智能电表网络独立运行。智能能源网关ConnectPort®X2可以组成为软件应用层提供数据的平台，可以方便快速的开发独特的智能能源解决方案，无需定制硬件开发。值此以实时监控能源消耗为典型应用作说明。图3为应用智能能源网关ConnectPort®X2构建的实时监控能源消耗方案框图。
图3中XBee适配器和XBee-PRO ZB模块可以嵌入到居民的电表中，通过无线ZigBee网络将数据发送到ConnectPort X 网关。采集的数据再通过安全的互联网连接发送到系统平台。电力供电公司可以远程监测能源实时消耗，控制能源使用和停电检测。
应该说实时监控能源消耗方案是由自动抄表(AMR) 和高级电表架构(AMI) 等组成的智能电网解决方案。它可为电力供电公司能更好的管理能源消耗，从而为客户提供了很多好处，包括停电检测，需求响应，更灵活的帐单周期，远程电表控制，更准确的计量和减少以往人工超表所需要的时间和费用，大大节省成本。也可以防止过时及杜绝以昂贵的传统计算方法来计算每户居民用电量，从而使居民在精确抄表和灵活记帐周期中获益。因此作为嵌入式网络的一个组成部分，XBee， ConnectPort X和系统平台可以协同工作，使电力供电公司或公用事业公司获得高性价比，既不扰民又安全的实现无线网络。
值得指出的要实现这个实时监控能源消耗目的，该方案设计时应将XBee适配器和 XBee-PRO ZB模块嵌入到居民电表中。其2.4GHz无线模块可以和管理50-100个相邻电表的ConnectPort™ X网关 进行通讯。ConnectPort X通过IP连接和系统平台与电力公司监控中心实现通讯，使电力公司可以实时获得准确的电能消耗数据。所以说该智能能源网关应用的实时能源消耗监控方案是一种为公用事业公司提供了方便和高性价比的远程控制解决方案。
5 后话
从过去单点监测到现在多点监测与中央控制系统的整合，环境监控已从过去的“监而不控”进化成现在全面智慧化的物联网应用，单纯的数据撷取功能已不敷现在日益恶化的环境需求，监控系统必须具备智能化，才能减少因巨大天灾和能源无用消耗所带来的损害，而物联网系统除后端的中央系统，需具备数据建置与判断能力外，也让前端的设备同时具备数据采撷与实时控制能力，并可适时调整本身状况。