劉曉倩張桂青田晨璐李詠潘磊磊

(1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南250101)

0 引言

辦公建筑是最常見也是占比最大的一類建筑[1]。 隨著現(xiàn)代高新技術的發(fā)展和生活質量的提升，人們對辦公建筑的舒適度、智能化和節(jié)能性等方面的要求越來越高。 物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展使建筑中物聯(lián)網(wǎng)電氣設備的種類和數(shù)量逐漸增多[2]，能夠實現(xiàn)建筑中設備的全面感知，在一定程度上增加了建筑的智能化，但在使用過程中，由于管理不當造成了嚴重的資源浪費[3]。 國外一些發(fā)達國家，在物業(yè)管理中對設備的管理已經(jīng)具有標準化的制度和規(guī)范，設備管理系統(tǒng)的開發(fā)技術相對比較成熟[4]。 國內傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設備管理沒有統(tǒng)一的標準和制度，雖然實現(xiàn)了智能建筑中物聯(lián)網(wǎng)設備的信息化，但是在設備智能運行和信息管理等方面還存在一些問題。 如建筑在使用過程中，經(jīng)常會發(fā)生空間格局的變化、房間功能的改變、監(jiān)控點位的增減等，這些變化會引起傳感器和執(zhí)行器位置的改變或者數(shù)量的增減，需要在上位機監(jiān)控軟件中相應地修改系統(tǒng)配置，否則這些改動將無法實現(xiàn)，相應設備也就無法正常運作[5]。 系統(tǒng)配置修改的工作對操作人員的技術水平要求較高。 一般來說，智能化系統(tǒng)的日常運維管理人員不具有這樣的技術水平，無法完成這類工作，通常會導致系統(tǒng)癱瘓，以致無法使用[6]。 此外，物聯(lián)網(wǎng)設備涉及到用戶的權限和隱私，隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的增加，物聯(lián)網(wǎng)安全問題逐漸受到關注，如何實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備權限的管理是一個亟待解決的問題[7]。高效地管理建筑中的物聯(lián)網(wǎng)設備，提高管理水平、降低管理成本、便捷人類生活已成為物聯(lián)網(wǎng)設備管理的目標。

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設備管理已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代建筑的發(fā)展要求，浪費了人力物力，難以滿足用戶的舒適度需求，物業(yè)人員管理設備的難度較大。 高效的物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)不僅是各物業(yè)公司發(fā)展的迫切需要[8]，也是實現(xiàn)智慧運維的重要支撐。 文章利用物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一種面向辦公建筑的室內電氣物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)，以設備為中心，從用戶的角度出發(fā)，通過簡單易操作的人機交互界面，實現(xiàn)房間虛擬化的設備管理和遠程監(jiān)控，滿足用戶的個性化需求，設備信息的分析和統(tǒng)計還可以為管理人員提供管理決策支持，保證室內電氣設備處于高效、安全、可靠的運行。

1 物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)總體架構設計

結合物聯(lián)網(wǎng)技術架構和設備管理相關技術，系統(tǒng)總體架構分為感知層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層等4 層[9]，總體架構如圖1 所示。

(1) 感知層 包括物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點與各種智能模塊，采集物聯(lián)網(wǎng)設備信息，實現(xiàn)全面感知。 其中，智能模塊包括環(huán)境檢測模塊、智能開關、智能插座、中央空調控制面板、電氣參數(shù)檢測模塊等，實現(xiàn)了設備的控制和數(shù)據(jù)的采集；而物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點是溝通智能模塊與服務器之間的橋梁，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點完成數(shù)據(jù)的傳輸和協(xié)議的轉換[10]。

(2) 數(shù)據(jù)層 主要由實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫構成。 實時數(shù)據(jù)庫承擔存儲實時數(shù)據(jù)與部分歷史數(shù)據(jù)的功能；NoSQL 用于存儲歷史數(shù)據(jù)與部分非格式化的數(shù)據(jù)，關系數(shù)據(jù)庫中存儲有用戶、設備、虛擬房間及其關聯(lián)關系數(shù)據(jù)，同時用于存儲設備運行過程中的歷史數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)庫均部署于服務器。

(3) 服務層 主要包括一些面向設備管理業(yè)務流程的服務，通過分析應用層的功能需求，提取各類共性業(yè)務流程，封裝基礎的學習算法與數(shù)據(jù)分析方法[11]，提供用戶管理、設備權限管理、設備監(jiān)測與控制、歷史數(shù)據(jù)提取、人員用能行為分析等智能化服務。

(4) 應用層 包括互聯(lián)網(wǎng)Web 端和手機端應用軟件APP(Application)的人機交互界面，用戶通過形象的人機交互界面實現(xiàn)設備的管理，主要包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查看、虛擬空間的配置、設備操作日志查詢、設備分享、設備運行狀態(tài)統(tǒng)計等功能。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)架構圖

1.2 物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)功能模塊

用戶在使用物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)之前，需要完成用戶注冊，進而通過掃碼注冊設備獲取設備的管理權限，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的遠程管理。 物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)的流程如圖2 所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)設備管理流程圖

其中，物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)的業(yè)務服務功能模塊主要分為:用戶管理、設備監(jiān)控管理、設備信息管理和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計等。

(1) 用戶管理

物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)中的用戶采用分類管理的方式，用戶的身份分為普通用戶、物業(yè)管理人員和超級管理人員。 超級管理人員是系統(tǒng)的操作人員，擁有所有人員和設備的管理權限，可以任意撤銷和賦予用戶管理設備的權限。 用戶進行注冊時，提交注冊信息后需要超級管理員確認才可進行設備管理，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。 普通用戶擁有自己房間中所有設備的管理權限；物業(yè)管理人員不僅擁有公共區(qū)域房間中設備的所有權限，還具有查看普通用戶辦公室中設備運行狀態(tài)的權限。 利用3 種用戶身份之間的關系建立相應的數(shù)據(jù)庫模型，從而實現(xiàn)用戶權限的管理。

(2) 設備監(jiān)控管理

用戶管理設備之前，首先需要進行設備注冊，可以通過APP 掃碼注冊或Web 端填寫設備驗證碼的方式進行注冊。 注冊的設備與該用戶建立確認關系，獲得對設備的所有管理權限，包括設備開關控制、定時控制、歷史數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、設備刪除等。 服務器將用戶與設備的確認關系存到數(shù)據(jù)庫，以確保其他用戶無法再注冊該設備。 其他用戶若想要獲取該設備的管理權限，只能通過設備所屬用戶分享設備的某些權限獲取該設備的管理權限。設備權限分享示意圖如圖3 所示。 該系統(tǒng)設計了一種新穎的管理模式監(jiān)控設備，以“房間”為單位，通過系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬房間，在每個虛擬房間中可以任意添加或刪除設備，添加后的設備調用設備模型信息在人機界面中顯示，可以查看設備基本信息并下發(fā)設備對應的操作權限命令，方便用戶操作。

圖3 設備分享示意圖

(3) 設備信息管理

設備信息管理 主要包括設備基本信息管理、設備報警信息管理和設備操作日志管理。

設備基本信息管理 主要包括設備名稱、設備類型、設備ID、設備上行和下行數(shù)據(jù)、設備權限，設備位置、設備生產(chǎn)廠商等基本信息。 通過設備基本信息對設備進行分類管理，搭建各類設備的模型庫，以各設備ID 作為設備模型的標識碼。 系統(tǒng)中其他模塊需要使用到設備基本信息時，可以任意調用設備在系統(tǒng)中的標識碼獲取相應信息[12]，具有較高的適用性和拓展性。 設備基本信息是在整個設備管理中最根本的底層數(shù)據(jù)，設備信息的構建對其它模塊功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)完整性起著非常關鍵的作用[13]。

設備報警信息管理 系統(tǒng)運行期間一旦發(fā)生報警，報警信號會通過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將報警信息上傳到數(shù)據(jù)庫進行存儲管理。 用戶通過人機交互界面查看設備報警信息，主要包括設備名稱、報警類型、報警時間、設備位置、報警處理狀態(tài)等信息。

設備操作日志管理 操作日志通過報表的形式展示，包括設備的操作時間、操作事件、運行狀態(tài)、操作用戶等信息。 管理設備的操作日志有助于物業(yè)管理人員統(tǒng)計分析系統(tǒng)的運行情況和運行數(shù)據(jù)，找出設備運行過程中出現(xiàn)的問題，對設備進行追溯管理。

(4) 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計

將采集的設備運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)的人工智能業(yè)務服務模塊進行統(tǒng)計和分析，主要包括設備運行狀態(tài)的統(tǒng)計、設備能耗對比分析以及人員用能行為分析等，該模塊為物業(yè)管理人員提供設備管理智能化的數(shù)據(jù)支持，從而推動智慧運維的發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)庫的設計與搭建

2.1 設備模型庫的設計

建筑中物聯(lián)網(wǎng)設備復雜多樣、種類繁多，將設備進行分類管理，歸納每一類設備的工作特性，建立各類設備的模型庫，是物聯(lián)網(wǎng)建筑中設備管理的核心。建立設備模型庫存儲設備信息，通過數(shù)據(jù)庫與上位機通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)交互，克服傳統(tǒng)設備管理中設備變動后需要在上位機監(jiān)控軟件中修改系統(tǒng)配置的缺點，可擴展性強，節(jié)省開發(fā)成本。 文章將每一類設備模型庫歸納統(tǒng)一，主要包括設備ID、設備類型、設備圖標、設備運行數(shù)據(jù)、設備權限等信息，數(shù)據(jù)庫中的設備模型表見表1。

表1 設備模型表

2.2 設備管理E-R 模型設計

針對物聯(lián)網(wǎng)設備管理的應用需求，需要對數(shù)據(jù)庫中的設備信息表、用戶信息表和虛擬空間信息表之間的關系進行結構化拓展設計，設備管理結構實體-聯(lián)系E-R(Entity-Relationship)模型如圖4 所示。

物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構模型也是建立在以設備為中心的基礎上，用戶、設備、虛擬空間表之間的互相調用提供應用層的業(yè)務服務數(shù)據(jù)。 由圖4 可知，設備管理模型以設備信息表為中心，由核心表中的設備ID 作為主鍵PK(Primary Key)向外擴展，有關設備工作狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)表均以設備ID 作為外鍵FK(Foreign Key)存儲查詢，數(shù)據(jù)分類清晰，易于使用管理。 同時，設備信息模型與空間虛擬化模型、用戶模型之間也是通過關聯(lián)信息表進行連接的，由各個模型之間的結構關系可知，用戶、設備、虛擬空間之間的關系貫穿整個物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)模型。

2.3 數(shù)據(jù)庫的搭建

物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)通過搭建MySQL 關系數(shù)據(jù)庫來管理用戶、設備和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)。 利用圖形化管理工具SQLyog 對數(shù)據(jù)庫進行連接管理操作。 SQLyog 軟件是數(shù)據(jù)庫管理軟件，其可視化的操作界面簡化了數(shù)據(jù)庫的管理，能夠用簡單的方式創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和組織數(shù)據(jù)庫以及訪問數(shù)據(jù)庫，支持觸發(fā)器、存儲過程、函數(shù)、事件、視圖、管理用戶同時可以導入、導出、備份、還原、報表創(chuàng)建工具，設計符合開發(fā)人員的需要[14]。

使用PHP 腳本語言編寫創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，其關鍵代碼如下:

＜? php

＄sql-host＝‘3306’； / / mysql 數(shù)據(jù)庫服務器主機地址

＄sql-user ＝‘root’； / / mysql 數(shù)據(jù)庫服務器名稱

＄sql-pass ＝‘123456’； / / mysql 數(shù)據(jù)庫服務器密碼

＄conn ＝sql_con ( ＄sql-host， ＄sql-user， ＄sql-pass)； / / 連接數(shù)據(jù)庫服務器服務器

＄sql＝‘CREATE DATABASE RUNOOB’； / /

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

＄sql _query(connection， query， resultmode)； / / 創(chuàng)建數(shù)據(jù)表

＄sql＝"SELECT* FROM ‘xxx’"； / /數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)查詢

? ＞創(chuàng)建完成的數(shù)據(jù)庫主界面如圖5 所示。

3 室內電氣物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)應用實例

以山東建筑大學被動實驗樓作為室內電氣物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)的實驗平臺，通過接入智能開關、智能插座、電氣參數(shù)檢測模塊等智能設備識別辦公室中電氣設備的運行狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)上傳到本地服務器中的數(shù)據(jù)庫中進行存儲。 應用層開發(fā)Web 和APP 實現(xiàn)簡單操作的人機交互界面，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的實時性，采用C＃編寫WebService 接口，通過部署WebService 接口提供前端對業(yè)務服務功能的訪問，與后臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時通信[15]。

Web 端人機交互界面如圖6 所示。 用戶根據(jù)自己的身份權限登錄室內電氣設備物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)管理設備，需要通過APP 掃碼注冊設備或者在Web端填寫設備驗證碼完成注冊，添加設備后進行設備管理。 用戶通過設備列表查看所有注冊設備的基本信息，如圖6(a)所示。 系統(tǒng)為用戶提供修改信息的功能，根據(jù)用戶的需求可以自定義修改設備信息，保存后的修改信息通過數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)庫通信，實現(xiàn)設備信息的同步更新。

該系統(tǒng)主要包括設備遠程監(jiān)控、事件與報警管理、數(shù)據(jù)分析3 個模塊，如圖6(b)所示。 系統(tǒng)首頁采用生動形象的圖表展示用戶名下所有設備的運行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)，可以很容易看到設備的總體運行情況，以便于用戶進行管理操作。

為了方便用戶實現(xiàn)設備監(jiān)控，采用空間虛擬化的方式對設備進行分組管理，根據(jù)用戶的需求自由創(chuàng)建“房間”并定義名稱，每個“虛擬房間”添加哪些設備、虛擬房間的增加和刪除、背景圖片的修改、設備位置的移動等都可以根據(jù)用戶的個性化需求進行配置。 虛擬化配置完成后能夠完成設備實時數(shù)據(jù)的查看和設備的控制，Web 端界面如圖6(c)所示。 用戶可以將自己的設備權限分享給系統(tǒng)中的其他用戶，并可以隨時收回設備權限，在設備分享模塊可以進行設備分享并查看設備的分享記錄，包括分享用戶名稱、分享設備、分享設備的權限等信息，如圖6(d)所示。

辦公建筑中擁有大量的物聯(lián)網(wǎng)設備，為了方便用戶查找設備的操作記錄，該系統(tǒng)設置了搜索功能，用戶輸入需要查看的設備編號，該設備的操作記錄以報表的形式展示，通過“一鍵導出”功能將設備的操作記錄導出，為物業(yè)管理人員對設備運行分析提供數(shù)據(jù)支撐。 設備的報警記錄以同樣的形式展示，如圖6(e)所示。

將設備歷史數(shù)據(jù)通過圖形化形式進行對比分析，讓用戶直觀的看到設備運行數(shù)據(jù)之間橫向和縱向對比，包括設備在線離線統(tǒng)計、設備能耗統(tǒng)計、設備歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，Web 端設備運行統(tǒng)計界面如圖6(f)所示。 通過分析統(tǒng)計設備運行數(shù)據(jù)和設備能耗數(shù)據(jù)，可以進行設備故障預測、人員用能行為的預測和能耗預測等方面的研究，為物業(yè)管理人員提供智能決策。

4 結語

為方便用戶管理，提高物聯(lián)網(wǎng)設備的管理效率，文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計并開發(fā)了一種面向辦公建筑的室內電氣物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)整體架構的設計、功能模塊的設計、數(shù)據(jù)庫的設計與開發(fā)、應用層人機交互界面的實現(xiàn)。 該方案將用戶和設備綁定關系實現(xiàn)設備信息的動態(tài)管理，搭建數(shù)據(jù)庫模型和設備模型，確保服務層與數(shù)據(jù)層的實時通信。 系統(tǒng)能夠實現(xiàn)設備掃碼注冊、設備分享、虛擬化空間配置、設備監(jiān)控、設備操作記錄和報警記錄查詢、歷史數(shù)據(jù)動態(tài)展示等功能，改正了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設備管理方式靈活性差、拓展性差、成本高等缺點，極大地方便了人們的生活，為建筑節(jié)能提供數(shù)據(jù)支撐，具有非常廣闊的發(fā)展前景。