DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-13465-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40781521
تاريخ النشر: 2025-08-08
المؤلف: Han Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: شبكات وإنترنت الأشياء وبروتوكولاتها
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة البحثية تصميم وتقييم نظام استجابة طارئة وتنبيه للسلامة العامة قائم على إنترنت الأشياء (IoT) في الوقت الحقيقي. تم تصميم النظام للكشف السريع، والتصنيف، ونشر التنبيهات خلال الحوادث الحرجة، مستخدمًا شبكة موزعة من أجهزة الاستشعار المتنوعة (بما في ذلك أجهزة استشعار الغاز، اللهب، الاهتزاز، والبيومترية)، ونقاط حوسبة حافة (مثل Raspberry Pi وESP32)، ومنصات سحابية (AWS IoT وFirebase). يتم تأمين الاتصال عبر MQTT على TLS، مع إمكانية العودة إلى LoRa في بيئات ذات اتصال منخفض. تم اختبار النموذج الأولي في محاكاة مدينة ذكية عبر أربعة سيناريوهات طارئة—حريق، حادث مروري، تسرب غاز، وطارئ طبي—محققًا زمن تنبيه أقل من 450 مللي ثانية، ودقة كشف تزيد عن 95%، وقابلية التوسع لأكثر من 12,000 جهاز متزامن. أظهرت التحليلات المقارنة ضد سبعة أنظمة متطورة أداءً متفوقًا من حيث زمن الاستجابة، والموثوقية (99.1% نجاح التنبيه)، ووقت التشغيل (99.8%).
تسلط الدراسة الضوء على الحاجة الملحة لأنظمة السلامة العامة المتقدمة في سياق زيادة الطوارئ العالمية، المدفوعة بعوامل مثل تغير المناخ والتحضر. غالبًا ما تعتمد أطر الاستجابة للطوارئ الحالية على بروتوكولات قديمة وعمليات يدوية، مما يؤدي إلى تأخيرات حرجة خلال “الساعة الذهبية” التي تلي الحوادث. يعالج النظام المقترح هذه القيود من خلال دمج البيانات في الوقت الحقيقي والوعي الظرفي الديناميكي، مما يعزز قدرات اتخاذ القرار لدى المستجيبين الأوائل. ستركز الأعمال المستقبلية على تحسين كفاءة الطاقة، ومعايرة أجهزة الاستشعار، والاتصال لتحسين متانة النظام وقابليته للتطبيق في بيئات متنوعة، مما يجعله مرشحًا واعدًا للنشر في البيئات الحضرية والصناعية والريفية.
الطرق
يستخدم نظام السلامة العامة القائم على إنترنت الأشياء (IoT) منهجية متعددة الطبقات تشمل مكونات حيوية مثل اختيار أجهزة الاستشعار ودمجها، بروتوكولات الاتصال الشبكي، خوارزميات الكشف في الوقت الحقيقي، تطوير النموذج الأولي، وآليات تصعيد الطوارئ. تم تصميم هذه البنية لتسهيل التنسيق السلس بين طبقات الأجهزة والبرامج، مع إعطاء الأولوية لزمن الاستجابة المنخفض، والموثوقية، وقابلية التوسع لتعزيز السلامة العامة.
في الإعداد التجريبي، تم تقييم أداء النظام من خلال اختبارات متنوعة تقيم فعاليته في قدرات الكشف والاستجابة في الوقت الحقيقي. أظهرت النتائج قدرة النظام على العمل بكفاءة تحت ظروف مختلفة، مما يبرز إمكانياته للتطبيقات العملية في سيناريوهات السلامة العامة.
النتائج
يكشف التقييم الكمي لنظام الاستجابة الطارئة القائم على إنترنت الأشياء المقترح عن مزاياه الكبيرة مقارنةً بسبعة أطر معاصرة، بما في ذلك Legacy IoT، DeepSenseNet، EdgeGuard، SafeCity، QuickResponse IoT، RealAlert، وEM-Sense. أظهر النظام باستمرار زمن استجابة أقل، ودقة أعلى، وقابلية توسع محسنة، وموثوقية متفوقة عبر سيناريوهات الطوارئ المحاكاة المختلفة، مثل الحرائق، الحوادث، تسرب الغاز، والأحداث الطبية. على وجه التحديد، حقق دقة كشف بلغت 96.5% للحريق، 94.8% للحوادث، و95.2% للأحداث الطبية، كما هو موضح في الجدول 2، متفوقًا على جميع الأنظمة المنافسة.
علاوة على ذلك، أظهر النظام المقترح قابلية توسع ملحوظة، قادرًا على دعم أكثر من 12,000 جهاز في وقت واحد، وهو أمر حاسم للنشر على نطاق واسع، كما هو موضح في الجدول 3. تم التحقق من موثوقيته من خلال أعلى معدل نجاح لتسليم التنبيهات ووقت تشغيل النظام، مما يدل على اتساق تشغيلي قوي، كما هو موضح في الجدول 4. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية النظام في تعزيز قدرات الاستجابة للطوارئ من خلال تحسين زمن الاستجابة، والدقة، وقابلية التوسع.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على الدور التحويلي لإنترنت الأشياء (IoT) في تعزيز السلامة العامة من خلال المراقبة في الوقت الحقيقي وأنظمة الاستجابة الطارئة الآلية. يدمج إنترنت الأشياء شبكة من أجهزة الاستشعار والأجهزة المتنوعة المدمجة في البنية التحتية الحضرية، مما يمكّن من جمع البيانات المستمرة حول المعايير البيئية والبشرية. تتيح هذه القدرة التعرف السريع على الحوادث الحرجة، مثل الحرائق أو الفيضانات، وتسهيل التنبيهات في الوقت المناسب لخدمات الطوارئ والجمهور. تستفيد بنية النظام من الحوسبة السحابية وحوسبة الحافة لمعالجة البيانات بكفاءة، مما يضمن اتصالًا منخفض الزمن واستجابات منسقة بين الوكالات المختلفة.
علاوة على ذلك، تؤكد الورقة على أهمية مشاركة المواطنين في مبادرات السلامة العامة. من خلال استخدام الأجهزة المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء، لا يقوم النظام فقط بنشر تنبيهات في الوقت الحقيقي مصممة وفقًا لملفات المخاطر الفردية، بل يشجع أيضًا المشاركة العامة في الإبلاغ عن الحوادث. تعزز هذه الاتصالات الثنائية شبكة أمان أكثر مرونة. تشير النتائج إلى أن تقنيات إنترنت الأشياء يمكن أن تحسن بشكل كبير إدارة الطوارئ من خلال الانتقال من استراتيجيات رد الفعل إلى استراتيجيات استباقية، مما يعزز في النهاية مرونة المجتمع وينقذ الأرواح. تهدف بنية النظام المقترحة إلى معالجة الفجوات الموجودة في أطر السلامة العامة التقليدية، لا سيما من حيث التوافق، واتخاذ القرار في الوقت الحقيقي، ودمج المواطنين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-13465-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40781521
Publication Date: 2025-08-08
Author(s): Han Zhang et al.
Primary Topic: IoT Networks and Protocols
Overview
This research paper details the design and evaluation of a real-time Internet of Things (IoT)-based emergency response and public safety alert system. The system is engineered for rapid detection, classification, and dissemination of alerts during critical incidents, utilizing a distributed network of heterogeneous sensors (including gas, flame, vibration, and biometric sensors), edge computing nodes (such as Raspberry Pi and ESP32), and cloud platforms (AWS IoT and Firebase). Communication is secured via MQTT over TLS, with a fallback to LoRa for low-connectivity environments. The prototype was tested in a smart city simulation across four emergency scenarios—fire, traffic accident, gas leak, and medical distress—achieving alert latencies under 450 ms, detection accuracy over 95%, and scalability for more than 12,000 concurrent devices. Comparative analysis against seven state-of-the-art systems demonstrated superior performance in terms of latency, reliability (99.1% alert success), and uptime (99.8%).
The study highlights the pressing need for advanced public safety systems in the context of increasing global emergencies, driven by factors such as climate change and urbanization. Current emergency response frameworks often rely on outdated protocols and manual processes, leading to critical delays during the “golden hour” following incidents. The proposed system addresses these limitations by integrating real-time data and dynamic situational awareness, enhancing the decision-making capabilities of first responders. Future work will focus on optimizing energy efficiency, sensor calibration, and connectivity to further improve the system’s robustness and applicability in diverse environments, making it a promising candidate for deployment in urban, industrial, and rural settings.
Methods
The proposed Internet of Things (IoT)-based public safety system employs a multilayered methodology that includes critical components such as sensor selection and integration, network communication protocols, real-time detection algorithms, prototype development, and emergency escalation mechanisms. This architecture is designed to facilitate seamless coordination between hardware and software layers, prioritizing low latency, reliability, and scalability to enhance public safety.
In the experimental setup, the system’s performance was evaluated through various tests that assessed its effectiveness in real-time detection and response capabilities. The results demonstrated the system’s ability to operate efficiently under different conditions, highlighting its potential for practical applications in public safety scenarios.
Results
The quantitative evaluation of the proposed IoT-based emergency response system reveals its significant advantages over seven contemporary frameworks, including Legacy IoT, DeepSenseNet, EdgeGuard, SafeCity, QuickResponse IoT, RealAlert, and EM-Sense. The system consistently exhibited lower latency, higher accuracy, enhanced scalability, and superior reliability across various simulated emergency scenarios, such as fire, accidents, gas leaks, and medical events. Specifically, it achieved a detection accuracy of 96.5% for fire, 94.8% for accidents, and 95.2% for medical events, as detailed in Table 2, outperforming all competing systems.
Furthermore, the proposed system demonstrated remarkable scalability, capable of supporting over 12,000 devices simultaneously, which is critical for large-scale deployments, as shown in Table 3. Its reliability was validated through the highest alert delivery success rate and system uptime, indicating robust operational consistency, as outlined in Table 4. Overall, the results underscore the system’s effectiveness in enhancing emergency response capabilities through improved latency, accuracy, and scalability.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the transformative role of the Internet of Things (IoT) in enhancing public safety through real-time monitoring and automated emergency response systems. IoT integrates a network of diverse sensors and devices embedded in urban infrastructure, enabling continuous data collection on environmental and human parameters. This capability allows for rapid identification of critical incidents, such as fires or floods, and facilitates timely alerts to emergency services and the public. The system’s architecture leverages cloud and edge computing to process data efficiently, ensuring low-latency communication and coordinated responses among various agencies.
Moreover, the paper emphasizes the importance of citizen engagement in public safety initiatives. By utilizing mobile devices and wearables, the system not only disseminates real-time alerts tailored to individual risk profiles but also encourages public participation in reporting incidents. This two-way communication fosters a more resilient safety network. The findings suggest that IoT technologies can significantly improve emergency management by transitioning from reactive to proactive strategies, ultimately enhancing community resilience and saving lives. The proposed system architecture aims to address existing gaps in traditional public safety frameworks, particularly in terms of interoperability, real-time decision-making, and citizen integration.