基于物聯網技術的智能樓宇管理系統

張新

摘 要：智能樓宇已成為現代智能化建筑的發展方向。物聯網技術的興起，給智能樓宇增添了新的活力。文中就物聯網中的RFID射頻識別、無線傳感網等技術在智能樓宇中的應用進行了探討，并介紹了智能樓宇的五大子系統的設計方法。

關鍵詞：物聯網；智能樓宇；RFID技術；無線傳感網

中圖分類號：TP216 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0020-04

0 引 言

“物聯網”被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。物聯網技術的應用已在各個領域推動著產業的升級。物聯網技術是集多專業交叉復合的技術，核心技術主要包括傳感器、無線傳感網、射頻識別、智能處理等技術。目前在現代物流、智能交通、智慧農業等領域得到了廣泛應用，并產生了巨大的效益。

智能樓宇是指利用系統集成方法，將計算機技術、通信技術、信息技術與建筑技術有機結合，通過對設備的自動監控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務及其與建筑的優化組合，所獲得的投資合理、適合信息社會需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建筑物。隨著物聯網概念的出現，物聯網技術滲透到了各行各業，推動著對傳統產業的技術升級和改造。借助物聯網技術提升智能樓宇建設也是發展的必然。

經過物聯網技術的升級改造，智能樓宇將有4大特性：智能化，由原來的被動靜止結構轉變為具有能動智能的工具；信息化，提供全方位的信息交換功能，幫助樓宇內單位與外部保持信息交流暢通；可視化，將室內CO2濃度、煤氣濃度、光照、溫度等不可見狀態通過數據可視化的形式清晰明了地呈現給用戶，讓用戶對樓宇內狀態有更加直觀的感受；人性化，強調人的主觀能動性，重視人與環境的協調，使用戶能隨時、隨地、隨心的控制樓宇內的生活和工作環境。

1 系統主要功能和架構

1.1 主要功能

基于物聯網的智能樓宇管理系統主要由樓宇人員管理追蹤和人員室內定位系統、樓宇設備智能控制系統、樓宇環境智能控制系統、智能無線視頻實時控制系統、智能樓宇停車定位及引導系統等五大部分組成。其具體功能有：

（1）室內環境監測

監測室內的有毒氣體濃度、CO2濃度、濕度、溫度、光照強度等環境指標，并能實時地將這些數據以可視化的方式展示給用戶。

（2）數據收集及保存

將室內布置的各種傳感器收集到的數據和各個智能設備自身的數據上傳到后臺數據中心存儲備份。

（3） 智能用戶控制

通過智能手機等移動終端在室外通過網絡遠程控制的方式來操縱室中的各種智能設備，比如控制空調的溫度、窗簾的開合、燈光的亮滅等。

（4）智能感知控制

根據室內感知到的數據，同時根據用戶的當前位置和狀態，智能地控制室內各種設備，調節室內環境達到用戶最舒適、便捷、安全的要求。

（5）智能安防系統

智能樓宇提供自動分級安防模塊，根據用戶的當前位置和活動狀態，提供不同安全等級的安防服務，達到節能、安全兩不誤。

（6）智能停車系統

廉價、小巧、低功耗的無線傳感節點（如無線弱磁傳感節點、無線超聲波測距節點、無線紅外節點等）作為基本感知節點，通過大規模布設，達到全方位、全天候精準檢測車位使用情況；信息可通過網絡發布至電子路牌、電腦、智能手機等聯網終端，擴大應用領域，可為不同層次用戶提供優質車位信息服務。

1.2 系統總體架構

基于物聯網的智能樓宇在技術層面分為5個層次：感知層、接入層、網絡層、支持層和應用層。

感知層：為智能樓宇提供最基礎最底層的數據感知功能，讓智能樓宇能夠“感覺到”室內的點點滴滴；

接入層：通過不同傳輸協議，實現終端機頂盒與各用戶終端（手機、平板等）、智能樓宇感知設備和智能設備的數據傳輸。接入層終端通過樓宇網關（Web方式）與網絡層實現互聯；

網絡層：通過因特網，網絡層為智能樓宇、支持層數據中心以及第三方（如醫療機構、安保機構等）進行互聯，允許各方進行數據交互；

支持層：為智能樓宇提供數據統一的數據保存功能，為后續的數據共享和應用提供實時和歷史數據；

應用層：為用戶提供簡潔易用、美觀可視、隨時隨地的用戶應用，結合用戶控制和智能控制，為用戶提供舒適、健康、人性、安全的生活。

2 樓宇人員管理追蹤和人員室內定位系統

本系統包括以下主要幾個功能模塊：人員出入管理系統、辦公人員定位系統、訪客管理系統等。

2.1 人員出入管理系統

在樓宇入口處設置開放式通道，每一個進入樓宇的人員必須佩帶無線胸卡才能通過，每個卡上可以設置各持卡人的身份信息，當持卡人通過通道時就會在相應的顯示器中列出進入樓宇區域人員的歡迎信息，無需停留，自動識別人員，快速而且智能化。如果有非法人員進入樓宇區域，此通道會自動報警，有效阻止非授權人員進入，提高樓宇區域的安全性。在樓宇區域的電梯口及樓梯口設置隱藏式通道，如果有非法人員或外來人員未經登記進入該通道后，此通道會自動報警，有效阻止非授權人員進入。

該系統主要由天線、讀寫器、聲光指示模塊、紅外模塊和用戶身份識別卡（電子標簽）等部分組成。可快速識別用戶佩戴的身份識別卡，同時判斷該用戶的進出情況，當無卡用戶通過時可發出聲光報警；身份識別卡由專用發卡器寫入個人信息。發卡器是一款桌面式RFID讀寫器，可讀寫符合ISO/IEC15693國際標準的射頻卡及ISO/IEC14443 type A類卡，通過網絡與樓宇管理中心聯接，主要用于發卡操作。

2.2 訪客管理系統

該系統能夠代替傳統的手寫來訪登記，實現訪客登記、管理一體化，達到“數字化登記、網絡化辦公、安全化管理”的效果，和開放式門禁、通道控制等系統集成后，形成人員進出管理、員工考勤及一卡通的全面解決方案。通過發卡器臨時發放ID卡后，訪客就可以通過出入通道到相關樓層訪問樓宇內人員，如果該訪客達到非指定樓層時系統即進行報警，讓保安人員能夠實時了解該人員的動態，保證樓宇財產的安全。

2.3 人員定位系統

定位技術是比較復雜的技術。RFID射頻識別技術本身具有一定的目標定位能力，但是這種方式很難做到實用。主動式 RFID 定位技術定位準確，通信距離長，因此采用主動RFID 標簽，結合“信號指紋”的方法來實現對人員的定位功能。系統由主動式RFID標簽、天線、RFID閱讀器和相應的軟件組成。

基于“信號指紋”的定位方法具體包括3個方面：部署場地規劃、信號指紋庫采集、信號指紋匹配。

在基于“信號指紋”的定位方法中，首先要做的便是對部署場地進行規劃。即確定每臺接收機（天線、RFID閱讀器）所處的位置并進行記錄。系統在樓宇區域的四周部署信號接收機。部署密度需達到在區域內的任何點發送的信號可以被3個或者3個以上的接收機所接收到的要求。由于每臺接收機所覆蓋的面積有限，因此可以通過單個接收機所處的位置得到信號源（主動RFID tag）所處的位置，這個大致的區域被稱為母區，例如所在樓層、所屬房間等。

在部署接收機之后，需要進行信號指紋的采集（訓練階段）。具體方法是首先對需要定位的區域進行網格化，通常采用1 m×1 m的區域作為網格的最小單元。之后測量人員佩戴一個RFID標簽，以網格為單位，在每一個網格中停留一段時間（通常選取1 min）。同時，另外一個工作人員記錄下接收到該標簽的信號機的編號，以及這幾個信號機接收到該主動式RFID標簽發出的信號對應的信號強度。處在不同網格中的主動式RFID標簽發出的信號會被不同的接收機所接收。并且即使相鄰位置處可以被相同的接收機接收到，由于距離這幾個接收機的距離發生了變化，因此接收信號會產生衰減。造成在這兩個相鄰位置處不同接收機測量的信號強度不同。我們將不同接收機測量到的主動標簽發出信號的信號強度作為該主動標簽在該位置處的“指紋”，并存入數據庫中。在訓練階段，為了避免接收機異質（不同生產廠家的產品或者相同生產廠家相同產品但是由于生產工藝造成的性質不同）帶來的信號不一致，收集指紋時必須過濾噪聲并采用連接測量的方式記錄所有接收機的信號指紋。在整個信號指紋庫采集工作完成之后，系統便可以得到區域任意位置的信號指紋。

在信號指紋匹配階段（查詢階段），位置服務器首先確定該人員所處的母區，即大致位置。然后根據接收到該標簽的接收機編號，以及接收機接收到信號的強度在位置服務數據庫中進行匹配。最終返回相應的地理位置信息作為該標簽所在的實時位置。在查詢階段，指紋匹配采用帶權重的k近鄰算法。該方法可以有效避免異常信號測量值造成的巨大定位誤差，提高定位系統的精度和魯棒性。

3 樓宇設備智能控制系統

通過物聯網在線控制技術，對樓宇內部的各種設備進行智能控制。通過手機或其他移動智能設備就可以控制各種設備的開啟、調整和開閉操作。圖1所示是其系統示意圖，該系統只需利用智能手機，就能管理控制樓宇內部的各種設備。例如照明、空調、窗簾等。管理簡單、方便、省時又靈活。

圖1 系統示意圖

整個系統包括智能窗簾、燈光亮度控制單元、智能開關、空調等的控制單元。這些控制單元對樓宇中常用的電器設備進行監測和控制，并通過無線傳感器網絡節點與室內主控單元互聯互通（主控單元可以是固定的PC機也可以是用戶手持的PDA或手機），形成一個綠色智能的網絡，使得用戶可以自由操縱室內的各種電器，真正成為生活的主人。

基于物聯網的智能樓宇組網采用分層體系架構，同樣可以劃分為感知層、網絡傳輸層、融合服務層3個層面：

智能樓宇感知層：包括了各種與電器相關的傳感器、控制器、執行器及識別裝置等，以及有線網絡結合無線泛在網絡的物理連接。這一層還包括不同接入方式的MAC子層和鏈路控制子層，對上層網絡層提供統一的接口，屏蔽異構網絡之間的差異；進行不同形式樓宇通信網絡間的MAC協議數據單元（PDU）映射，以支持不同網絡間進行方便互通；支持動態智能的有線及多種無線網絡的接入及選擇；

智能樓宇網絡層：主要包括樓宇內部網絡和骨干網絡接入兩個部分。樓宇內部組網支持的有線方式包括：以太網、串行總線USB1.1、USB2.0和IEEE1394等；無線方式包括：無線局域網、藍牙、紅外、ZigBee等。網絡接入層通過家庭網關與業務網關，實現不同應用協議規范的互聯互通互操作，并與骨干網絡實現無縫連接；

智能樓宇服務層：以用戶為中心的融合業務層，提供用戶接口和不同制式的智能樓宇服務。通過智能樓宇組網多層協作的自適應QoS，自適應匹配異構網絡及終端設備，充分保證端到端的媒體、語音等多種業務的服務。

4 樓宇環境智能控制系統

室內環境監測系統主要用于室內環境等相關監控。可以監控的參數有溫濕度、光照、粉塵、輻射、CO2等。

環境感知系統包括四大部分：信息采集（節點），用于感知數據獲取，傳輸；網關（節點），用于區域數據收集，互聯網接入，區域內系統配置；數據中心，用于據處理、存儲；移動智能設備用戶接口，用于用戶查看信息，用戶與系統交互。系統框架如圖2所示。

圖2 系統框架圖

系統的核心模塊是智能感知節點（網關）。無線傳感器網絡節點采用低功耗ZigBee無線射頻芯片及16位RISC 指令集MCU和多種類型的傳感器組成。MCU采用TI MSP430F1611 ，具有48 KB ROM、10 KB RAM、1 MB FLASH。射頻芯片采用TI CC2420，利用2.4 GHz ～ 2.483 5 GHz 頻段，實現250 Kb/s通信速率，室內40 m左右室外100 m左右的通信距離。

通過智能感知節點獲取的各類信息，經無線傳感網絡匯聚進入網關，通過網絡進入樓宇信息管理中心，并得到基于Web的數據服務（感知服務）。

5 智能無線視頻實時控制

利用無線智能攝像頭、智能視頻數據分析處理技術和智能終端信息系統實現無間斷的視頻監控和事件監測、報警，同時讓各類移動終端能實時獲取到視頻數據和事件通知。其功能服務模塊可以分為全天視頻監控和智能視頻數據中心兩部分。

無線視頻監控設備可以方便地提供不間斷視頻監控。所有感知和監控數據通過AP匯聚到樓宇管理信息中心，在信息中心對監控信息進行實時顯示、智能分析、事件記錄、報警，并為各種終端（PC、移動智能終端、手持設備等）提供實時數據服務；所有視頻數據經過處理后都將在信息中心進行存檔，并提供快捷歷史數據查詢。智能移動設備和無線手持終端可以接入訪問任何智能攝像頭數據，查看傳感器感知數據。

6 智能樓宇停車定位及引導

隨著汽車保有量的迅速增加，而車位規劃滯后與機動車數量急劇增加的矛盾日益嚴重，停車位的有效管理及使用與人們的日常生活息息相關。傳統的人工管理不僅成本高，而且管理效果及質量卻并不突出。采用無線傳感網絡技術來實現智能化的停車位監控系統，將極大提高車位的利用率和管理質量。

停車位監控系統由HMC5883L三軸磁阻傳感器、低功耗ZigBee無線射頻芯片及16位RISC 指令集MCU組成。MCU采用TI MSP430F5137 ，有32 KB ROM、4 KB RAM、1 MB FLASH，射頻芯片采用TI CC1100，利用433MHz～915MHz 頻段，實現500～600 m（戶外）通信距離。通過檢測車輛引起地磁的微弱變化實現停車位的實時監控。監控設備不僅檢測當前狀態下該停車位是否有車輛停泊，還會與周圍停車位的監控設備共享數據，利用無線傳感網的定位技術實現高準確度的監控和車輛在停車場行駛過程中的路徑跟蹤，從而達到最優化的車位選擇及車輛引導。通過監控設備還可以獲取車輛進出時間和車輛停泊時間，為收費提供依據。

7 結 語

物聯網技術在國家的大力推動下發展迅速，而且在各行各業得到了應用。智能樓宇在近些年來得以較快發展。物聯網技術與智能樓宇的結合，必定將加快智能樓宇的發展，同時也推動物聯網技術本身的進步。

參 考 文 獻

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Intelligent building management system based on IOT technology

ZHANG Xin

（Shaoxing Vocational & Technical College， Shaoxing 312000， China）

Abstract： Intelligent building has become the development direction of modern intelligent architecture. The rise of IOT technology added new vigor to the intelligent building. The application of RFID and wireless sensor network technology in intelligent building are discussed， and the design method of five subsystems of intelligent building is introduced at a certain degree.

Keyword： IOT； intelligent building； RFID technology； wireless sensor network