基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的未來智能樓宇系統(tǒng)分析

摘要：在未來真正實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的時(shí)代，開發(fā)智能樓宇系統(tǒng)應(yīng)率先理順信息傳遞和集成應(yīng)用問題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，對未來智能樓宇系統(tǒng)展開分析，明確系統(tǒng)連接架構(gòu)的同時(shí)，做好網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局，滿足各種樓宇自動化系統(tǒng)通信需求的同時(shí)，完成多元應(yīng)用開發(fā)，保證系統(tǒng)功能可以達(dá)到樓宇智能化管理要求，實(shí)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(wù)。

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

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等各種技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)得以誕生，助力人們進(jìn)入智能化時(shí)代。智能樓宇作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，是傳統(tǒng)建筑業(yè)與現(xiàn)代信息業(yè)的結(jié)合產(chǎn)物，相關(guān)技術(shù)仍需較長時(shí)間的演進(jìn)過程。未來隨著移動通信、無線傳感等技術(shù)的推廣應(yīng)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(gòu)成智能樓宇系統(tǒng)。因此，應(yīng)從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用角度探究未來智能樓宇系統(tǒng)，通過提升樓宇管理技術(shù)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(shí)際就是采用系統(tǒng)集成方式將計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、自控技術(shù)等結(jié)合在一起，綜合運(yùn)用樓宇自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)樓宇自動監(jiān)控，集中進(jìn)行建筑內(nèi)部設(shè)備或系統(tǒng)的電力、給排水、防災(zāi)等信息化管理[1]。在科學(xué)技術(shù)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)使系統(tǒng)集成連接變得困難，從而導(dǎo)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(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、分析和處理，也無法實(shí)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(shí)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(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是連接萬物的互聯(lián)網(wǎng)，可以通過各種傳感設(shè)備和特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接形成網(wǎng)絡(luò)，確保物與物、人與物之間能夠隨時(shí)隨地相互聯(lián)通。從架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(gòu)成，能夠通過設(shè)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(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化控制。網(wǎng)絡(luò)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(luò)等構(gòu)成，能夠傳遞數(shù)據(jù)并控制路由，負(fù)責(zé)感知層和應(yīng)用層之間的信息傳輸[2]。應(yīng)用層可以對接各種信息平臺，根據(jù)用戶需求提供相應(yīng)的信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，精準(zhǔn)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(chǔ)上擴(kuò)展和延伸各種網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(shè)備，并且所處的環(huán)境復(fù)雜，通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常的氣味、聲音等，并促使管理人員及時(shí)處理，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的未來智能樓宇系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)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(shí)現(xiàn)與各種子系統(tǒng)的通信連接，然后根據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(luò)通信協(xié)議，可通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)接入樓層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。然后通過光纖干線將各種信息匯聚到系統(tǒng)服務(wù)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(gòu)設(shè)計(jì)上來看，可以劃分為感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。

感知層需要布置各種終端節(jié)點(diǎn)和主控制器，包含傳感器、控制設(shè)備和LoRa模塊，能夠采集樓宇內(nèi)部溫濕度、光照強(qiáng)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(diǎn)上傳信息分析和處理，根據(jù)結(jié)果向各控制設(shè)備發(fā)送控制指令。主控器采用CGI技術(shù)，能通過Web Server以報(bào)文形式輸出節(jié)點(diǎn)上傳信息，并根據(jù)客戶端的控制請求調(diào)用程序編寫網(wǎng)頁代碼，通過LoRa發(fā)送至終端節(jié)點(diǎn)[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(guān)，提供多種設(shè)備接入?yún)f(xié)議的支持，以為設(shè)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(shè)備或系統(tǒng)，并利用網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的各種協(xié)議模塊將各種設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)軟件組件，可以通過開放API和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議處理終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造通用信息傳輸環(huán)境，為實(shí)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(shù)支撐。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)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(luò)相互聯(lián)通，獲取SMS短消息服務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到的信息經(jīng)過主控制器分析后達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層可以直接通過移動通信網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送相應(yīng)的報(bào)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(jì)算服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，以確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

平臺層可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)調(diào)用訪問或調(diào)用接口。在平臺層上，需要布置各種規(guī)則引擎，并設(shè)置用戶權(quán)限，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)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(wù)組件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中管理，并為接入第三方應(yīng)用服務(wù)和共享數(shù)據(jù)資源提供支撐。

應(yīng)用層包含GSM手機(jī)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(wù)也可以通過移動設(shè)備的APP獲取樓宇內(nèi)部的信息。用戶進(jìn)入系統(tǒng)的人機(jī)交互界面后，根據(jù)各自的權(quán)限可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控樓宇設(shè)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(shí)現(xiàn)。通過實(shí)時(shí)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(bào)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(diǎn)。

（二）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)未來的智能樓宇系統(tǒng)，應(yīng)做好主控器節(jié)點(diǎn)、各種終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)的布局規(guī)劃，確保各節(jié)點(diǎn)可以相互配合，完成環(huán)境、用戶身份、電氣設(shè)備運(yùn)行等各種信息采集和監(jiān)測，為實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警、入侵檢測和故障監(jiān)測等各種功能奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

在主控器節(jié)點(diǎn)布局上，可選用STM32F103ZET6芯片，外圍連接通信模塊LoRa、驅(qū)動模塊SIM900A，前者用于采集和控制終端節(jié)點(diǎn)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(jìn)行處理。后者能夠在系統(tǒng)檢測到異常信息時(shí)生成報(bào)警信號，并向用戶發(fā)送短信或預(yù)警信息。主控器通過串口連接通信模塊、驅(qū)動模塊和各種終端節(jié)點(diǎn)，部分IO口實(shí)現(xiàn)RTC時(shí)鐘的復(fù)用控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和傳輸時(shí)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(diǎn)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(shè)備之間互聯(lián)互通。

在系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)布置上，可劃分為信息采集與控制、樓宇安防等。終端節(jié)點(diǎn)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(yīng)繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的驅(qū)動控制。終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送通信請求，在周圍接入點(diǎn)接收查詢指令后，終端將自動選擇信號強(qiáng)的接入點(diǎn)，并保存MAC地址作為上位節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在安防節(jié)點(diǎn)布局上，外圍應(yīng)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(qū)動舵機(jī)等執(zhí)行器按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)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(diǎn)可完成信息采集、存儲、顯示和報(bào)警等操作，實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)部設(shè)備節(jié)能化管理，降低樓宇整體能源消耗。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)布置上，應(yīng)基于云端做好系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器部署。具體來說，就是將平臺服務(wù)器部署在云服務(wù)平臺上，通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)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(shè)計(jì)

在系統(tǒng)功能開發(fā)上，需結(jié)合用戶需求，做好各種應(yīng)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(shè)計(jì)，以保證樓宇內(nèi)外環(huán)境的安全，并實(shí)現(xiàn)樓宇的節(jié)能運(yùn)行，從而全面提升建筑管理水平。

在智慧安防功能設(shè)計(jì)上，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)打造全覆蓋安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，全面收集樓宇內(nèi)外安全情報(bào)。在功能開發(fā)實(shí)踐中，應(yīng)將視頻監(jiān)控作為核心，做好樓宇各區(qū)域監(jiān)控設(shè)備部署。采用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為前端設(shè)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(luò)交換機(jī)，上傳和存儲至專門的安防網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計(jì)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(quán)限，并判斷人員是否能夠進(jìn)入特定區(qū)域。一旦發(fā)現(xiàn)有不合法的人員進(jìn)出樓宇，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)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(yīng)車庫閘機(jī)，以確保合法車輛能夠正常通行，同時(shí)禁止外來車輛進(jìn)入車庫。未來建筑樓宇中將配備大量的設(shè)備設(shè)施，一旦出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致建筑整體無法正常運(yùn)行。因此，需加強(qiáng)電氣設(shè)備安防監(jiān)控部署，將各種設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)中，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測水泵、中央空調(diào)等設(shè)備狀態(tài)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，上報(bào)設(shè)備運(yùn)維部門處理，確保設(shè)備始終處于良好運(yùn)行狀態(tài)。

在智慧消防上層應(yīng)用設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)基于紅外探測器等前端設(shè)備采集的環(huán)境信息，能夠自動判斷建筑是否存在火災(zāi)隱患，并及時(shí)發(fā)出火災(zāi)預(yù)警，提醒樓宇內(nèi)部人員及時(shí)逃生。系統(tǒng)通過向值班人員發(fā)出火災(zāi)報(bào)警，能夠確保人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并在系統(tǒng)專家知識庫的輔助下完成火災(zāi)逃生路徑規(guī)劃和顯示，指導(dǎo)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(zāi)后，可以第一時(shí)間通過現(xiàn)場服務(wù)器將火災(zāi)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(zhǔn)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(zāi)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(zāi)的同時(shí)，盡可能降低火災(zāi)引發(fā)的損失。

未來的建筑樓宇內(nèi)部水、電、燃?xì)獾葍x表將統(tǒng)一接入物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)向能源供應(yīng)公司傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動收費(fèi)管理。為降低樓宇能耗，需開發(fā)能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理。在設(shè)備用電和用戶用水方面，需要配備智能電表和水表，實(shí)時(shí)采集用電和用水信息，并上傳到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，比較和確認(rèn)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(yīng)用程序等平臺，及時(shí)查看用水和用電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正浪費(fèi)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(shí)現(xiàn)照明設(shè)備和空調(diào)設(shè)備的自動啟停控制，以確保創(chuàng)造適宜樓宇環(huán)境的同時(shí)，維持建筑運(yùn)行時(shí)的低能耗狀態(tài)。

四、結(jié)束語

在把握物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該結(jié)合未來智能樓宇行業(yè)應(yīng)用的需求引入接入層和平臺層來設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)。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?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，從而為實(shí)現(xiàn)樓宇智能化管理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際的系統(tǒng)建設(shè)過程中，應(yīng)該合理布局終端節(jié)點(diǎn)、主控器節(jié)點(diǎn)等各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以滿足各種設(shè)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(yīng)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(xué)

參考文獻(xiàn)

[1]李揚(yáng).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（01）：262-263.

[2]黃建志.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑智能化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2021（12）：161-162.

[3]劉風(fēng)，孫中諾.低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)在智能樓宇能耗管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2021，17（10）：242-243+248.

[4]曾瑩瑩.對物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（18）：74-75.