摘要：在未來真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)的時代，開發(fā)智能樓宇系統(tǒng)應率先理順信息傳遞和集成應用問題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術，對未來智能樓宇系統(tǒng)展開分析，明確系統(tǒng)連接架構的同時，做好網(wǎng)絡節(jié)點布局，滿足各種樓宇自動化系統(tǒng)通信需求的同時，完成多元應用開發(fā)，保證系統(tǒng)功能可以達到樓宇智能化管理要求，實現(xiàn)各種樓宇信息資源有效管理，并為使用者提供最優(yōu)的信息服務。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；未來發(fā)展；智能樓宇系統(tǒng)

隨著計算機、網(wǎng)絡通信等各種技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)得以誕生，助力人們進入智能化時代。智能樓宇作為物聯(lián)網(wǎng)應用領域的重要分支，是傳統(tǒng)建筑業(yè)與現(xiàn)代信息業(yè)的結合產(chǎn)物，相關技術仍需較長時間的演進過程。未來隨著移動通信、無線傳感等技術的推廣應用，各種建筑信息管理系統(tǒng)必將融入統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)體系中，構成智能樓宇系統(tǒng)。因此，應從物聯(lián)網(wǎng)應用角度探究未來智能樓宇系統(tǒng)，通過提升樓宇管理技術水平，為人們創(chuàng)造適宜的建筑環(huán)境條件。

一、智能樓宇系統(tǒng)

所謂的智能樓宇系統(tǒng)，實際就是采用系統(tǒng)集成方式將計算機、通信網(wǎng)絡、自控技術等結合在一起，綜合運用樓宇自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng)等實現(xiàn)樓宇自動監(jiān)控，集中進行建筑內(nèi)部設備或系統(tǒng)的電力、給排水、防災等信息化管理[1]。在科學技術不斷創(chuàng)新的背景下，樓宇各種信息化子系統(tǒng)在性能、功能方面得到不斷完善，使傳統(tǒng)閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)被可識別人臉的智能監(jiān)控系統(tǒng)取代，也使過去的ID卡門禁系統(tǒng)向可識別生物特征的智能門禁系統(tǒng)轉變。然而，在擁有多個子系統(tǒng)的情況下，需要考慮到不同系統(tǒng)擁有各自的通信要求，缺乏統(tǒng)一標準使系統(tǒng)集成連接變得困難，從而導致智能樓宇系統(tǒng)的通信可靠性下降。目前，樓宇中使用的通信協(xié)議多樣，每個系統(tǒng)相對獨立，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、分析和處理，也無法實現(xiàn)有效地聯(lián)動，使得智能樓宇系統(tǒng)的感知和自控能力相對薄弱。因此，在實現(xiàn)樓宇智能化管理方面還存在一定差距。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術分析

物聯(lián)網(wǎng)實質上是連接萬物的互聯(lián)網(wǎng)，可以通過各種傳感設備和特定網(wǎng)絡協(xié)議連接形成網(wǎng)絡，確保物與物、人與物之間能夠隨時隨地相互聯(lián)通。從架構上來看，物聯(lián)網(wǎng)包含感知層、網(wǎng)絡層和應用層。其中，感知層作為最底層，由多種信息采集和傳感模塊構成，能夠通過設備識別和獲取各種參數(shù)信息，并通過自組網(wǎng)、中間件等技術實現(xiàn)設備的智能化控制。網(wǎng)絡層屬于物聯(lián)網(wǎng)的中間層，由移動通信網(wǎng)、無線網(wǎng)、專用網(wǎng)絡等構成，能夠傳遞數(shù)據(jù)并控制路由，負責感知層和應用層之間的信息傳輸[2]。應用層可以對接各種信息平臺，根據(jù)用戶需求提供相應的信息服務，實現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應用，精準操控各類管理系統(tǒng)?？傮w上說，物聯(lián)網(wǎng)仍然把互聯(lián)網(wǎng)作為核心，并在此基礎上擴展和延伸各種網(wǎng)絡功能，為用戶共享和利用數(shù)據(jù)資源提供支持和平臺。在日常生活中，物聯(lián)網(wǎng)應用日漸廣泛，能夠在人和物品間建立通信連接，高效傳遞信息。智能樓宇系統(tǒng)配備了大量的電氣設備，并且所處的環(huán)境復雜，通過物聯(lián)網(wǎng)進行實時監(jiān)控，能夠及時發(fā)現(xiàn)異常的氣味、聲音等，并促使管理人員及時處理，有效提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術的未來智能樓宇系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)架構分析

引入物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)未來的智能樓宇系統(tǒng)，通過建立統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)體系，實現(xiàn)與各種子系統(tǒng)的通信連接，然后根據(jù)IP網(wǎng)絡實現(xiàn)各子系統(tǒng)的統(tǒng)一管控。各子系統(tǒng)采用相同網(wǎng)絡通信協(xié)議，可通過有線或無線網(wǎng)絡接入樓層網(wǎng)絡交換機。然后通過光纖干線將各種信息匯聚到系統(tǒng)服務器和數(shù)據(jù)庫中，以滿足數(shù)據(jù)訪問、分析等各種需求。從系統(tǒng)架構設計上來看，可以劃分為感知層、接入層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。

感知層需要布置各種終端節(jié)點和主控制器，包含傳感器、控制設備和LoRa模塊，能夠采集樓宇內(nèi)部溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數(shù)，并通過通信模塊上傳至主控制器。主控制器采用GSM模塊和LoRa模塊，完成節(jié)點上傳信息分析和處理，根據(jù)結果向各控制設備發(fā)送控制指令。主控器采用CGI技術，能通過Web Server以報文形式輸出節(jié)點上傳信息，并根據(jù)客戶端的控制請求調用程序編寫網(wǎng)頁代碼，通過LoRa發(fā)送至終端節(jié)點[3]。

接入層作為系統(tǒng)的核心層別，需要布置物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關，提供多種設備接入?yún)f(xié)議的支持，以為設備或系統(tǒng)創(chuàng)造統(tǒng)一入網(wǎng)的條件。通過接入層連接各種樓宇設備或系統(tǒng)，并利用網(wǎng)關內(nèi)置的各種協(xié)議模塊將各種設備數(shù)據(jù)轉換為標準軟件組件，可以通過開放API和TCP/IP標準協(xié)議處理終端節(jié)點數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造通用信息傳輸環(huán)境，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合處理和系統(tǒng)互聯(lián)互通提供有力的技術支撐。

系統(tǒng)網(wǎng)絡層負責信息交互，利用無線路由器、光纖/網(wǎng)線將主控器接入以太網(wǎng)，按照HTTP協(xié)議在控制器和客戶端間傳輸信息。此外，在主控制器和客戶端之間也可以通過GSM移動通信網(wǎng)絡相互聯(lián)通，獲取SMS短消息服務。當系統(tǒng)監(jiān)測到的信息經(jīng)過主控制器分析后達到報警閾值時，網(wǎng)絡層可以直接通過移動通信網(wǎng)絡向用戶發(fā)送相應的報警信號。未來的智能樓宇系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量較大，需要通過云計算服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，以確保系統(tǒng)能夠正常運行。

平臺層可以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，為上層應用提供數(shù)據(jù)調用訪問或調用接口。在平臺層上，需要布置各種規(guī)則引擎，并設置用戶權限，負責實現(xiàn)設備接入和管理等操作。通過平臺層完成大數(shù)據(jù)挖掘分析、視頻分析、語音識別等操作，提供各種人工智能服務組件，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中管理，并為接入第三方應用服務和共享數(shù)據(jù)資源提供支撐。

應用層包含GSM手機端和Web客戶端，用戶可以登錄Web網(wǎng)頁獲取系統(tǒng)的各種信息服務也可以通過移動設備的APP獲取樓宇內(nèi)部的信息。用戶進入系統(tǒng)的人機交互界面后，根據(jù)各自的權限可以進行遠程操控樓宇設備或系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的智能安防、智能消防等功能得以順利實現(xiàn)。通過實時查看樓宇的各種數(shù)據(jù)資源，感知環(huán)境異常信息，智能樓宇系統(tǒng)可以自動發(fā)出報警，輔助人員做好樓宇管理工作，充分體現(xiàn)未來智能樓宇系統(tǒng)的智能化特點。

（二）網(wǎng)絡節(jié)點布局

采用物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)未來的智能樓宇系統(tǒng)，應做好主控器節(jié)點、各種終端節(jié)點和網(wǎng)絡傳輸節(jié)點的布局規(guī)劃，確保各節(jié)點可以相互配合，完成環(huán)境、用戶身份、電氣設備運行等各種信息采集和監(jiān)測，為實現(xiàn)火災報警、入侵檢測和故障監(jiān)測等各種功能奠定扎實基礎。

在主控器節(jié)點布局上，可選用STM32F103ZET6芯片，外圍連接通信模塊LoRa、驅動模塊SIM900A，前者用于采集和控制終端節(jié)點信息請求，完成環(huán)境、人臉識別等信息采集，并將其上傳至Web客戶端進行處理。后者能夠在系統(tǒng)檢測到異常信息時生成報警信號，并向用戶發(fā)送短信或預警信息。主控器通過串口連接通信模塊、驅動模塊和各種終端節(jié)點，部分IO口實現(xiàn)RTC時鐘的復用控制，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和傳輸時間段。Web Server采用DM9000以太網(wǎng)芯片，具有4K雙字節(jié)SRAM和10/100M的PHY，可提供16位數(shù)據(jù)接口訪問儲存器，支持100Mbps以下非屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)。主控制器在傳輸節(jié)點數(shù)據(jù)之前，通過串口發(fā)送AT指令，如表1所示，不同指令擁有特定功能描述，可確保擁有相同地址和通信信道的設備之間互聯(lián)互通。

在系統(tǒng)終端節(jié)點布置上，可劃分為信息采集與控制、樓宇安防等。終端節(jié)點可采用STM32F芯片，外圍連接溫濕度傳感器、一氧化碳濃度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯雀鞣N模塊，并配備相應繼電器模塊，實現(xiàn)各種設備的驅動控制。終端節(jié)點主要布置在建筑入口、通道等位置，分散在建筑內(nèi)各處。使用傳感器采集各種信息后，利用通信模塊將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至客戶端。參照IEEE802.11協(xié)議，在主控器通電后將向周圍連接的節(jié)點發(fā)送通信請求，在周圍接入點接收查詢指令后，終端將自動選擇信號強的接入點，并保存MAC地址作為上位節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。在安防節(jié)點布局上，外圍應連接通信模塊、射頻模塊、紅外探頭、LCD屏幕、蜂鳴器等，用于采集用戶指紋等生物特征信息，通過RFID射頻模塊識別ID信息，驅動舵機等執(zhí)行器按照系統(tǒng)預設程序執(zhí)行動作。根據(jù)主控器發(fā)送的控制指令，終端節(jié)點可完成信息采集、存儲、顯示和報警等操作，實現(xiàn)樓宇內(nèi)部設備節(jié)能化管理，降低樓宇整體能源消耗。

在網(wǎng)絡傳輸節(jié)點布置上，應基于云端做好系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器部署。具體來說，就是將平臺服務器部署在云服務平臺上，通過網(wǎng)絡訪問服務器，使數(shù)據(jù)在客戶端或樓宇監(jiān)控中心呈現(xiàn)。

（三）系統(tǒng)功能設計

在系統(tǒng)功能開發(fā)上，需結合用戶需求，做好各種應用部署。根據(jù)未來智能樓宇管控需求，可以完成智慧安防、智慧消防、智慧能耗管理等各種功能設計，以保證樓宇內(nèi)外環(huán)境的安全，并實現(xiàn)樓宇的節(jié)能運行，從而全面提升建筑管理水平。

在智慧安防功能設計上，應用物聯(lián)網(wǎng)打造全覆蓋安全監(jiān)控網(wǎng)絡，全面收集樓宇內(nèi)外安全情報。在功能開發(fā)實踐中，應將視頻監(jiān)控作為核心，做好樓宇各區(qū)域監(jiān)控設備部署。采用數(shù)字網(wǎng)絡攝像機作為前端設備來采集視頻信息，通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將視頻傳輸至網(wǎng)絡交換機，上傳和存儲至專門的安防網(wǎng)絡，經(jīng)過監(jiān)控中心的解碼和還原，最終可以獲得模擬信號，并在顯示屏上顯示出來。在門禁系統(tǒng)設計上，主要通過系統(tǒng)平臺層來完成視頻數(shù)據(jù)解析，采用人臉識別等方式來識別人員信息，讀取人員權限，并判斷人員是否能夠進入特定區(qū)域。一旦發(fā)現(xiàn)有不合法的人員進出樓宇，系統(tǒng)將發(fā)出報警，提示值班人員立即查看并處理。在車輛管理方面，同樣也配備安防系統(tǒng)，通過RFID讀卡器來讀取車牌等信息，然后自動開啟對應車庫閘機，以確保合法車輛能夠正常通行，同時禁止外來車輛進入車庫。未來建筑樓宇中將配備大量的設備設施，一旦出現(xiàn)故障，可能會導致建筑整體無法正常運行。因此，需加強電氣設備安防監(jiān)控部署，將各種設備接入物聯(lián)網(wǎng)中，通過遠程監(jiān)測水泵、中央空調等設備狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)問題，上報設備運維部門處理，確保設備始終處于良好運行狀態(tài)。

在智慧消防上層應用設計上，系統(tǒng)基于紅外探測器等前端設備采集的環(huán)境信息，能夠自動判斷建筑是否存在火災隱患，并及時發(fā)出火災預警，提醒樓宇內(nèi)部人員及時逃生。系統(tǒng)通過向值班人員發(fā)出火災報警，能夠確保人員及時發(fā)現(xiàn)火災，并在系統(tǒng)專家知識庫的輔助下完成火災逃生路徑規(guī)劃和顯示，指導樓宇內(nèi)部人員迅速撤離。系統(tǒng)平臺可以接入消防部門，確保建筑發(fā)生火災后，可以第一時間通過現(xiàn)場服務器將火災信息傳遞至消防部門，幫助救援人員掌握火情并做好消防準備。救援人員可以利用系統(tǒng)建立的三維模型，根據(jù)各火災監(jiān)測傳感器的位置查找火源，并根據(jù)現(xiàn)場情況制定正確的滅火和救援方案，有效控制火災的同時，盡可能降低火災引發(fā)的損失。

未來的建筑樓宇內(nèi)部水、電、燃氣等儀表將統(tǒng)一接入物聯(lián)網(wǎng)，實時向能源供應公司傳遞相關數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)遠程自動收費管理。為降低樓宇能耗，需開發(fā)能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能管理。在設備用電和用戶用水方面，需要配備智能電表和水表，實時采集用電和用水信息，并上傳到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，比較和確認每月的用電量和用水量的變化情況。通過人工智能算法給出節(jié)能方案，提示人員節(jié)約用電和用水。用戶可以通過登錄系統(tǒng)的應用程序等平臺，及時查看用水和用電情況，及時發(fā)現(xiàn)和糾正浪費能源的行為，避免不必要的成本支出。在公共區(qū)域能耗管理方面，系統(tǒng)可以通過各區(qū)傳感器檢測到人員數(shù)量和位置等信息，實現(xiàn)照明設備和空調設備的自動啟?？刂疲源_保創(chuàng)造適宜樓宇環(huán)境的同時，維持建筑運行時的低能耗狀態(tài)。

四、結束語

在把握物聯(lián)網(wǎng)架構的基礎上，應該結合未來智能樓宇行業(yè)應用的需求引入接入層和平臺層來設計系統(tǒng)架構。通過統(tǒng)一接入和存儲各種樓宇子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)能夠實現(xiàn)互聯(lián)互通，從而為實現(xiàn)樓宇智能化管理奠定堅實的基礎。在實際的系統(tǒng)建設過程中，應該合理布局終端節(jié)點、主控器節(jié)點等各種網(wǎng)絡節(jié)點，以滿足各種設備的接入需求。并且，通過開發(fā)智慧安防、智慧消防等上層應用，體現(xiàn)系統(tǒng)功能的豐富性，為未來開發(fā)智能樓宇系統(tǒng)提供廣闊的思路。

作者單位：孫方林 北京建筑大學

參考文獻

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