基于WF-IoT的智能建筑物聯(lián)網工程解決方案

文 海，孫長征

（西安優(yōu)勢物聯(lián)網科技有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

智能建筑是通過對建筑物的結構、系統(tǒng)、服務和管理進行最優(yōu)組合，為人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環(huán)境[1]。而物聯(lián)網工程則是物聯(lián)網系統(tǒng)在智能建筑上合理部署所涵蓋的工程實體，是智能建筑向人們展現(xiàn)其智能的基礎?，F(xiàn)行智能建筑物聯(lián)網工程通常采用平臺化解決方案[2-3]，底層設備之間不能直接互聯(lián)互通，末端設備的采集處理和控制執(zhí)行依賴綜合布線和平臺功能，比如智能照明、樓宇控制、暖通空調管控、水電氣管控、火災報警、入侵報警、視頻監(jiān)控、門禁等大多是相互獨立的系統(tǒng)，只能在平臺層集成。由于復雜的系統(tǒng)架構不能橫向互聯(lián)，資源和信息難共享，智能建筑物聯(lián)網系統(tǒng)普遍存在工程造價高、技術整合難、使用成本大、系統(tǒng)擴展難等缺點。特別是隨著信息技術的快速發(fā)展，以無線通信為主要特征，具有自組織、自決策、自執(zhí)行的末端智能已成為當今潮流[4]。智能建筑物聯(lián)網工程迫切需要一種全新的解決方案。

1 智能建筑對物聯(lián)網的需求分析

智能建筑因其安全、舒適和便利等特點而深受人們青睞。基于物聯(lián)網技術構建智能建筑，理想目標是使建筑內眾多設備具有語境感知能力，使其真正成為智慧城市的細胞。因此，智能建筑對物聯(lián)網的需求主要有：

（1）終端設備智能化，使終端設備由被動靜止轉變?yōu)槟軇又悄埽?/p>

（2）海量終端連通性，隨著建筑等級的提高，終端數量顯著增加且遍布整個建筑，實現(xiàn)各類終端互聯(lián)互通，既要解決不同接口類型終端的底層連接問題，還要解決終端的跨界或跨網信息交互問題；

（3）簡易化和節(jié)能化，需要系統(tǒng)架構更加柔性、扁平，使物聯(lián)網工程的建設和維護簡便易行，將設備能耗變成可控數據，為建筑節(jié)能奠定基礎。

目前，以無線通信為特征的物聯(lián)網技術[5]，常見的有3類：

（1）蜂窩物聯(lián)網以運營商為主，如GPRS、NB-IoT、3G/4G/5G等。由于每個節(jié)點需借助付費的運營商網絡通信，對擁有大量終端的智能建筑而言連接方式極不經濟。

（2）短距物聯(lián)網如WiFi、藍牙、ZigBee等，均屬私有網絡，其應用以家庭、辦公場所等小型區(qū)域為主，難以滿足商業(yè)建筑、公共建筑等海量節(jié)點、大空間的廣域環(huán)境需求。

（3）廣域物聯(lián)網其私有網絡大多采取LoRa、SigFox等低功耗網絡搭建，雖支持海量節(jié)點連接，但數據傳輸速率低，只能滿足頻度低、數據量小的應用。然而，智能建筑需要物聯(lián)網連接的終端設備數量眾多、種類復雜，既有頻度低、數據量小的應用，也有頻度高、數據量大的應用，甚至還有實時響應的應用。現(xiàn)有物聯(lián)網技術均難同時滿足上述需求。

2 WF-IoT概述

中高速廣域融合物聯(lián)網技術（Wide Area Fusion Internet of Things, WF-IoT）能較好滿足智能建筑物聯(lián)網的上述需求。WF-IoT是在單個物聯(lián)網芯片上融合了商用照明、識別定位和無線傳感等功能的新型物聯(lián)網技術[6]。其主要技術特性包括如下幾個方面：

（1）自組網通信，節(jié)點之間無線通信距離可達80 m，添加增益設備后可達300 m；

（2）每個子網是去中心的網格化拓撲結構，支持不少于256個分組（分區(qū)）控制，最多可接入65 535個節(jié)點；

（3）工作頻率為國家標準規(guī)定的780 MHz或2.45 GHz等免費頻點；

（4）節(jié)點的數據傳輸速率可達2 Mb/s；

（5）節(jié)點搭載輕量級、低功耗系統(tǒng)，傳輸數據功耗僅為毫瓦級，正常待機功耗為微瓦級；

（6）節(jié)點支持屬性和邏輯的軟定義，每個節(jié)點支持不少于64個場景控制功能。

WF-IoT系統(tǒng)主要包括節(jié)點設備、邊緣服務器和平臺軟件。其中：節(jié)點設備包括WF驅動器（如模擬量驅動、開關量驅動等）、WF感知器（如照度感知、溫濕度感知、人體動作感知、視頻感知等）、WF人機交互終端（如動能開關、遙控器、場景面板、觸屏控制器等）、WF控制器（如時間控制器、場景控制器等）、WF通信器（如物聯(lián)網關、網絡透傳器、耦合器、協(xié)議集成器等）等智能節(jié)點，主要解決各類終端設備的接入和通信傳輸問題；邊緣服務器用于大量終端設備的協(xié)同控制以及終端與云端通信；平臺軟件用于終端的統(tǒng)一管理，提供與其他業(yè)務系統(tǒng)進行無縫集成的API接口[7]。

3 WF-IoT方案

3.1 系統(tǒng)架構

基于WF-IoT構建的物聯(lián)網系統(tǒng)是一種云邊端協(xié)同架構，包括末梢層、傳輸層、平臺層和安全構件等四部分，具體如圖1所示。

圖1 基于WF-IoT的物聯(lián)網系統(tǒng)架構

（1）末梢層面向終端設備提供網絡接入，實現(xiàn)現(xiàn)場感知、計算處理、就地控制、驅動執(zhí)行等功能，主要包括人機交互終端、物聯(lián)網關、感知器、驅動器、控制器、協(xié)議集成器、網絡透傳器、智能設備等，它們通過無線自組網組成一個或多個物聯(lián)網絡；

（2）傳輸層搭載在現(xiàn)有IP網絡上，為末梢層與平臺層間的信息交互提供傳輸和協(xié)調功能，主要包括邊緣服務器；

（3）平臺層搭載在現(xiàn)有信息基礎設施上，提供節(jié)點設備的配置管理、運行監(jiān)測、信息處理與交互等功能，主要包括WF-IoT平臺軟件；

（4）安全構件針對物聯(lián)網系統(tǒng)的末梢層、傳輸層和平臺層分別提供技術及管理安全措施。

上述架構可根據實際應用需求進行裁剪。必要時，可以不含傳輸層和平臺層，由終端設備組成的末梢網絡形成獨立運行的物聯(lián)網系統(tǒng)，可就地實現(xiàn)傳感、處理、控制等功能。

3.2 主要思路

基于WF-IoT的上述物聯(lián)網系統(tǒng)架構，實現(xiàn)智能建筑物聯(lián)網工程的主要思路：

（1）智能建筑各類末端設備的接入。對于照明設備，既可以采用全新的一體化智能燈具，也可以為普通燈具配置WF驅動器；對于支持模擬量或開關量等信號驅動的末端設備，配置WF驅動器；對于具備CAN、RS 232、RS 485、ZhaGa或DMX512等通信接口的末端設備，配置耦合器、協(xié)議集成器等WF通信器。

（2）在終端設備層構建末梢網絡。在智能建筑中，照明設備是數量最多、分布最廣、能耗較大的設備，以其為基礎，可構建一個覆蓋整個智能建筑范圍且獨立于IP網絡的基礎網絡，接入末端設備；根據無感控制需求配置WF感知器；根據就地控制便利性配置WF人機交互終端和WF控制器；根據本地節(jié)點設備的協(xié)同控制或接入其他網絡（如IP網絡或紅外通信）的需要，配置物聯(lián)網關；根據增加通信距離或接入其他末梢網絡的需要，配置網絡透傳器。上述節(jié)點設備均以無線自組網方式通信，組成智能建筑末梢網絡，既可以實現(xiàn)靈活多樣的本地控制，也可以實現(xiàn)無感智能的自動控制。

（3）實現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網系統(tǒng)。針對智能建筑的海量終端，在現(xiàn)有IP通信網絡上部署適量邊緣服務器，不僅就近解決了終端設備的協(xié)同控制問題，還可協(xié)調末梢層與平臺層間的通信問題；在私有云或公有云上部署WF-IoT平臺軟件，可統(tǒng)一管理海量的終端設備，且智能建筑的系統(tǒng)集成中心SIC也可通過開放接口對WF-IoT系統(tǒng)實現(xiàn)跨業(yè)務系統(tǒng)集成[8]。

3.3 技術亮點

基于WF-IoT構建的智能建筑物聯(lián)網系統(tǒng)，主要有以下4個技術亮點：

（1）完全自主可控：系統(tǒng)所有物聯(lián)網節(jié)點設備均基于自主可控的國產物聯(lián)網芯片—【唐芯】構建，從節(jié)點設備到相關軟件和協(xié)議，我國擁有完全知識產權。

（2）大規(guī)模自組網：系統(tǒng)可以極為方便地構建一個節(jié)點達數萬的大規(guī)模物聯(lián)子網，可以滿足大空間智能建筑的組網控制需要，可以為業(yè)主搭建一個覆蓋整個建筑物的中高速私有無線網絡，支持數據采集、設施控制、安防報警等功能和規(guī)模的快速擴展。

（3）節(jié)點級霧智能：系統(tǒng)支持多達64個場景的節(jié)點級無感智能，無需復雜費力的跨系統(tǒng)集成，即可實現(xiàn)全功能融合，達到現(xiàn)場級的全自動自適應控制，可滿足智能建筑日益增長的智能化需要。

（4）云邊端協(xié)同架構：系統(tǒng)所有產品采用模塊化組合設計，可根據應用需求將各項功能任意組合成符合需求的解決方案，復制、推廣、應用極為便捷。

4 實際應用情況

目前，基于WF-IoT的智能建筑物聯(lián)網工程解決方案已在中電彩虹光電·智慧工廠、中國建材·植物工廠、多地中小學健康光環(huán)境改造、東莞協(xié)同創(chuàng)新中心、陜西省體育訓練中心、濟北·智造小鎮(zhèn)、成都國金中心、西安國稅大夏等多個項目中得到應用，其全無線極簡架構、全自動無感智能、一鍵式極簡智能等特點深受業(yè)主或用戶好評。特別是隨著智能建筑物聯(lián)網系統(tǒng)的持續(xù)運行，WF-IoT的全無線、無感智能和自適應控制可以在滿足用戶舒適體驗需求的同時，使整個建筑的使用能耗、管理運營成本得到極大下降[9]。

5 結 語

WF-IoT為傳統(tǒng)的終端設備賦予了智能屬性，在終端設備層上直接打通了信息壁壘，形成了互聯(lián)互通的末梢網絡，實現(xiàn)了以往依靠多套系統(tǒng)才能實現(xiàn)的功能，極大降低了新建建筑智能化和存量建筑智能升級的成本。由于末梢網絡采用去中心化網格化拓撲、系統(tǒng)采用云邊端協(xié)同架構，系統(tǒng)設備故障均不會導致系統(tǒng)失效。同時，系統(tǒng)還可以通過末梢網絡獲得現(xiàn)場設備的所有信息，向能源中心的優(yōu)化運行提供實時控制數據。WF-IoT系統(tǒng)的設計建設、操作使用、管理運維簡單，在智能建筑物聯(lián)網工程中具有廣闊的應用前景[10]。