物聯網在居住建筑中的運用策略、途徑與方法

李景明，于少僑

(廣州大學建筑與城市規劃學院)

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物聯網在居住建筑中的運用策略、途徑與方法

李景明，于少僑

(廣州大學建筑與城市規劃學院)

【摘要】物聯網是今后信息技術發展的一個重要方向，論文探討的正是使用仿生學、樹狀神經結構以及建筑信息模型的物聯網技術，在居住建筑中的運用策略、途徑與方法。通過組建這種模式的物聯網系統，利用大數據的綜合管理，不但能對居住建筑中各種電子儀器設備乃至建筑構造部件實現監測以及控制，還能讓居住建筑實現節能最大化，有助于提升人們的居住生活品質，對節能降耗以及低碳減排具有重要意義。

【關鍵詞】物聯網；信息技術；建筑設計；居住建筑；建筑節能；儀器設備

1 引言

物聯網是信息技術迅猛發展的產物，它極大地提高了人與物質世界交互的能力，促進了經濟社會的可持續發展。如今，物聯網也逐漸開始應用于居住建筑中，并且繼續發展壯大。在建筑節能領域，應用物聯網技術實現信息的采集、傳輸和數據融合處理，對于提高居住建筑的智能化水平，實現建筑能耗的細粒度的監測，推進建筑節能和減排，具有重要意義[1]。

如今，物聯網系統在居住建筑中的運用尚處于初級階段，大部分居住建筑的智能化系統運作模式依然較為混亂，特別是樓宇自動化設備互相之間的協議、編碼和規范不一致，沒有形成高效統一的體系，即沒有形成統一協調的協議和規范。因此，為了滿足居住建筑的舒適性和高效性，就需要合理地探索出一種適于居住建筑的智能一體化物聯網。

2 使用樹狀神經結構的策略

2.1 居住建筑的物聯網結構

這種智能一體化的物聯網，是基于樹狀神經結構策略的，這種物聯網結構讓居住建筑，變成了一個擁有生命的可以呼吸的建筑物。那么，究竟如何做才能夠實現這種模式呢？

圖1　居住建筑物聯網的基本結構

如圖1所示，首先，可以把物聯網中的控制管理中心，看作是神經系統當中的大腦，而有線或無線的網絡通路，可以看作是神經系統中的神經線路，而居住建筑中各種電子儀器設備乃至建筑構造部件，則可以分成感受器大系統以及效應器大系統。例如，防火系統是居住建筑中的一個大系統，里面包含了防火感受器大系統以及防火效應器大系統。防火感受器大系統包括煙霧報警系統、溫度監測系統、圖像監測系統等這些小系統；防火效應器大系統則包括噴水系統、滅火劑系統、電力系統、報警系統等小系統，實現邏輯自動化。

換句話就是說，所有的儀器設備乃至建筑細部構件的數據信息，統統可以匯聚到這個物聯網控制管理中心去，而形成一種類似樹狀的神經結構，這屬于仿生學原理的一種。

2.2 居住建筑的數據庫系統

而在這個物聯網控制管理中心，也存在著一個數據庫，該數據庫能夠把居住建筑內部各種感受器及效應器的數據信息統統收集起來，這就好比是人的大腦也可以分為記憶功能區域及分析計算區域一樣，而這個數據庫就是記憶功能區域，它在物聯網中是不可或缺的。利用數據庫，就可以方便地對居住建筑中的各種數據進行各種類型的處理分析。

這樣，物聯網就可實現對數據信息的過濾、整合、儲存、運算和分析等一系列工作。

3 使用仿生學的策略

3.1 內外互動的策略

根據仿生學原理，大腦中樞神經系統不僅可以自行調節生命體的內部，還可以與外界的環境進行互動。因此，這個位于居住建筑中的物聯網，也應當自行調節建筑物內部各種電子儀器設備乃至建筑構造部件，并且與外界環境進行互動；而這種與外界的互動，又可分為各種電子儀器設備乃至建筑構造部件與外界的互動，以及物聯網控制管理中心與外界的互動。

這種內外互動，還包括居住建筑中物聯網控制管理中心的數據庫對內部和外部各種數據信息的收集。圖2所示是一種使用仿生學策略的居住建筑物聯網結構，下面進行分析。

3.2 分析除雜的策略

根據仿生學原理，生物會對外界信息進行分析除雜。在居住建筑中，由于大數據的信息多樣性的特點，需要對各種各樣的外部信息進行分析除雜，還要保障傳輸速度和準確性。

4 使用建筑信息模型BIM的策略

4.1 使用虛擬現實模型的居住建筑

由于這種物聯網系統，可以自行調節建筑物內部各種電子儀器設備乃至建筑構造部件，因此需要有一套三維空間的編碼與坐標，來讓物聯網系統去自動地識別各種電子儀器設備乃至建筑構造部件，并且自動地根據編碼和坐標來觸發各種不同的事件。換句話說，一個虛擬現實的VR模型，需要在這個物聯網的控制管理中心里面建立起來。

而這個虛擬現實的VR模型，就是BIM，它在建筑的整個生命周期中被充分利用。

4.2 獨特編碼坐標的建筑構造部件

在這種環境下，居住建筑各種電子儀器設備乃至建筑構造部件，在物聯網控制管理中心的建筑信息模型中，就擁有了屬于自己的獨特編碼與坐標。因此，最關鍵的是要讓這些建筑設備的制造商，采用統一的通訊協議，而且需要讓不同的編碼，在統一通訊協議下運作。

只有這樣，物聯網控制管理中心才能夠直接讀取和控制各種不同的建筑設備，從而在居住建筑當中形成統一集中的自動化管理，自動地去管理各種不同的建筑構造以及建筑設備[2]。

4.3 建筑信息模型與建筑數據分析

像這樣，物聯網控制管理中心利用數據庫及建筑信息模型，就可以進行居住建筑的相關建筑分析，例如日照分析、照度分析、溫度分析等，進而觸發控制建筑中的各種電子儀器設備乃至建筑構造部件，或是觸發對外界物聯網系統的連接與信息發送。而具體的計算以及分析的方法，都需要由軟件工程師來完成，來實現居住建筑中物聯網軟硬兼施的結合。

5 使用控制與反饋的內部運作途徑

5.1 物聯網的控制管理中心

至于運作途徑，要從居住建筑的物聯網控制管理中心開始說起，它讓建筑中各種電子儀器設備乃至建筑構造部件聯系在一起，就像人的大腦一樣，可以通過數據庫以及建筑信息模型，實行數據綜合處理、統計分析以及統一的高效控制，并且通過物聯網的有線或無線網絡，來協調居住建筑中各種大系統和小系統間的關系。

5.2 感受器件以及效應器件

而感受器，則是控制的關鍵終端，可以采用太陽能電池供電，它是接收外界信息的傳感器，可以周期性地采集各種外界信息數據，例如環境的溫濕度、太陽光線的強度等，并把各種信息轉化為電信號，傳輸到物聯網控制管理中心中。然后，物聯網控制管理中心在虛擬現實的建筑信息模型中結合數據庫，對數據進行分析處理與整合，得出應該觸發控制哪些效應器大系統和小系統的結論；接著被控制的系統也需要時刻作出反饋，以讓物聯網控制管理中心監視，看看各大系統是否運行正常。這就是使用控制與反饋的物聯網運作途徑。

5.3 對小偷入侵的應對舉例

打個比方，小偷入侵時，相關傳感器就會把各種各樣的數據傳輸給物聯網控制管理中心，觸發安防設備報警及視頻錄制系統。不但如此，各種防盜傳感器及安防系統，會把數據信息傳輸給物聯網控制中心，控制中心會根據編碼和坐標，迅速觸發居住建筑中那個位置附近的報警裝置，并觸發鄰居通知裝置及小區保安系統，從而達到捕捉小偷的目的。

6 使用發送與接收的外部運作途徑

6.1 發送接收的外部運作途徑分析

居住建筑的物聯網系統控制管理中心，不但需要對內部各種電子儀器設備乃至建筑構造部件進行控制，接收來自它們的反饋，還需要儲存和處理海量的數據。最關鍵的是能夠與居住建筑小區的控制管理中心實施聯網，時刻發送與接收各種信息，并實現云計算功能，從而形成外部運作的途徑。例如，物聯網控制管理中心還可以對外發送居住建筑中電能表以及水表的數值，實現智能遠程抄表，從而實現居住建筑與外部各種要素之間的網絡通信關系。

物聯網控制管理中心還可利用云系統，實時監測和接收位于居住建筑外的停車場數據，確定哪里還有停車位，并通過物聯網中的墻幕或顯示器顯示出來，方便業主出門后尋找車位。

6.2 居住建筑與城市管理部門交互

此外，城市居住建筑管理部門還可以接收來自居住建筑物聯網的非隱私部分的系統運作信息。例如，儲存在物聯網控制管理中心的數據庫中的空氣環境信息、地理環境信息、房屋結構信息、地基基礎信息、溫度照度信息、地價房價信息、鄰近建筑信息等的非隱私可公開的信息；還有市民對于城市各大管理部門的一些訴求，管理部門通過數據信息挖掘和處理計算，分析各居住建筑的運行狀態以及各市民所想表達的訴求，并對市民以及居住建筑發送各種維護信息或者政策信息，及時發現并處理居住建筑中發生的各種問題。

通過這種大數據綜合分析處理，還可在城市規劃上形成建筑與城市環境的協調發展機制。

6.3 在老年人居住建筑中的作用

面對老齡化越來越加劇的社會，人們還可以坐在家中，通過這種居住建筑中的物聯網，來召喚社區當中的便捷服務及養老健康服務，這不但方便了群眾，也促進了相關產業發展。

而在具體的建筑設計中，則應該強調產品與系統的開放性，使得智能建筑自動化系統得以完善，從而滿足系統物聯網信息共享的要求，讓居住建筑實現全面智能的自動化[3]。

6.4 數碼產品與物聯網的相互通信

今后，甚至可以讓手機或平板電腦與家中的物聯網實現系統兼容與信息共享。這樣，人們就可以使用手機或平板電腦，來監測和控制家中的物聯網系統，監控各種運行數據狀態以及記錄信息，實時地用三維圖像的方式了解到各種建筑設備的狀態，甚至可以遠程操控家中窗簾的打開與關閉，設置人工手動或者自動。例如，在旅行的時候，可以通過物聯網看到住宅內的一切情況，配合物聯網對家中的設備進行控制，這樣就建設了一套智能化的內外協調的集成物聯網系統，實現了居住建筑的全局一體化綜合管理。更重要的是，這種物聯網應該是可持續動態的發展過程，也就是說該系統可以滿足不斷擴大的建筑設備要求。

7 三大運作方法

7.1 使用條件判斷的運作方法

從下例來看看這種使用條件判斷的運作方法是如何實現的。在安裝有這種使用仿生學以及樹狀神經結構的物聯網技術的居住建筑中，如果火災發生時，防火系統中那些帶著編碼坐標的煙霧報警系統、溫度監測系統、圖像監測系統等感受器，探測到火災發生的時候，能夠通過網絡線路，自動地結合物聯網控制管理中心的三維建筑信息模型，快速調動位于居住建筑中的另外一些需要用到的效應器。這些系統也是同樣帶有空間坐標的，例如噴水系統、滅火劑系統、電力系統、報警系統、風機系統等，實現實時控制與反饋，迅速地根據三維空間坐標，關閉風機系統下屬的風機閥門，打開距離火災發生地點最近的噴水系統裝置；同時，物聯網控制中心也通過信息的發送與接收，連接到位于居住建筑外部的大系統，告知那些業主通知系統、鄰居通知系統、消防局通知系統等。

但是，要知道的是，連接并不等于必須觸發，因為每一個系統的觸發，都需要在物聯網控制管理中心的軟件系統中，分析觸發這些系統的條件，這就被稱之為條件的判斷。

那么，應該如何進行條件的判斷？當火情發生后，物聯網的控制管理中心，將會時刻通過煙霧報警系統、溫度監測系統、圖像監測系統等感受器，監測火勢是否已得到控制，以決定是否還需要觸發消防局通知系統。如果火勢變小的話，則繼續使用噴水系統和滅火劑系統就可以了，而不再需要通知消防局了，這就是條件判斷典型例子。

7.2 使用邏輯先后次序判斷的運作方法

僅僅使用條件判斷是不夠的，還需要進行邏輯先后次序的判斷分析。這些大系統，還可以繼續被分成一些小系統。比如，業主通知系統可以進一步分為數據圖像傳輸系統、聲音傳輸系統等，把數據圖像聲音等信息通過IPAD或手機等設備發送給業主；電力系統也可以進一步分為后備UPS電源系統、應急斷電系統等，當火災發生時，這個物聯網控制管理中心，可以先啟動后備的UPS電源系統，以給物聯網控制管理中心提供足夠的電力，然后啟動斷電系統的操作，以斷掉連接外部的220V市電。這就保證了物聯網的正常運行，同時也防止火勢所造成的嚴重破壞，進一步實現了智能自動化。要實現這種建筑智能自動化，就需要在軟件程序算法上設計一系列的條件以及邏輯先后次序分析體系。

圖3　物聯網控制管理中心在建筑節能中的控制

7.3 使用緊急保險措施的運作方法

可見，這種策略的物聯網在居住建筑當中的運作方法，是使用一種類似仿生學以及樹狀神經結構模式的，同時也是與BIM這個虛擬現實的建筑模型互相結合起來的。

不過，如果這個物聯網系統當中的某個部位發生故障的話，那就要啟動緊急的保險措施。首先是在數據庫中生成檢測記錄以及維修記錄，發出警報，并啟動物聯網中發生故障的那個部位本身自帶的一套備用程序，然后采取自帶的緊急措施，以防止造成嚴重后果。

8 在居住建筑節能方面的運用舉例

如前所述，物聯網控制管理中心的三維建筑信息模型，早已包含居住建筑所有關于建筑節能的各種設備空間坐標，每種設備也用獨特編碼來代表，對應數據庫還包含設備相關信息。

比如，在物聯網系統中，這個居住建筑的光強度感受系統是一個大系統，其中，分布了許多位于不同空間坐標位置的小系統，而小系統的坐標位置，也已經在虛擬現實的建筑信息模型中提前設定好了?，F在，當某個空間坐標位置的光傳感器的這個小系統，感受到室外太陽光強度發生變化時，將會把光強度信息轉化為電信號，然后通過光感受大系統以及物聯網絡送達物聯網控制管理中心。

首先，物聯網控制管理中心按照建筑信息模型中的空間坐標去處理數據，然后開始觸發位于建筑信息模型中其他坐標位置的大系統：好比如是玻璃幕墻這個大系統，內里包含了不同區域玻璃幕墻的小系統，被物聯網控制中心根據空間坐標時刻監控著，且可以讓某一塊或某個區域的中空玻璃幕墻里面的液體濃度發生變化，或是改變某一塊或某個區域智能玻璃幕墻的顏色，或玻璃幕墻的透明度。可見，物聯網控制中心能夠時刻控制這些玻璃幕墻，從而改變被太陽光透射的程度，對進入室內的照度進行自行的智能化調節。如圖3所示。

除了玻璃幕墻這個大系統外，物聯網控制管理中心還可以同時觸發控制屋面太陽能電池板的大系統，并進一步控制太陽能電池板的轉向小系統，時刻根據太陽的角度，控制電池板的轉向，以實現對太陽光能量的最大捕捉，最大程度地智能化提高光伏發電的效率。

物聯網控制中心還可以根據三維建筑信息模型BIM中那些帶編碼及坐標的光照度和強度傳感器傳來的信息，進一步觸發控制室內照明設備的大系統，控制室內不同區域燈具的啟閉與照度，來達到建筑節能的目的。例如，在太陽光線較為強烈的地方，燈光可以暗一些，并且調節到一種對人眼睛最好的平衡狀態。

物聯網控制中心還可根據三維建筑信息模型中那些帶坐標的光照度和強度傳感器等傳來的信息，通過分析和計算，同時觸發控制外立面遮陽擋板的大系統，從而自動控制居住建筑不同部位遮陽擋板的啟閉與旋轉角度，并自動地與其他系統協調，合理地找出一個最舒適而且最節能的最佳平衡點。這種最佳平衡點對居住建筑來說意義重大，可充分實現節能。

可見，物聯網控制管理中心不但可控制各種建筑構造部件及建筑設施，還可以時刻監視居住建筑中的各種參數狀態，并根據條件和邏輯先后次序觸發各種事件，控制其他的大系統或者小系統，實現對建筑中的各種大系統以及小系統的自我調節，從而實現建筑節能[4]。

9 在太陽能技術方面的應用舉例

要讓太陽能技術應用在居住建筑的物聯網系統中，首先需要在居住建筑的周圍布置各種各樣的傳感器，這些傳感器不但存在于真實的世界中，同時也被虛擬設定在建筑信息模型BIM中，并且是使用編碼表示的，這是一種虛擬現實VR的技術，然后這些同時存在于真實和虛擬世界的傳感器，就可以連接到物聯網控制中心里面，從而實現全方位的智能化控制。

由此可見，整個系統是一個動態的計算模擬與信息反饋系統，分布在建筑周圍的太陽能熱壓、風力及風向傳感器，采集到風力強度和角度的變化后，就會通過物聯網的網絡系統傳輸進帶有建筑信息模型的物聯網控制中心里?？刂浦行母鶕幼〗ㄖ畔⒛Ｐ透鱾€方位傳感器所接收到的太陽能熱壓、風力強度和角度等信息進行計算分析，然后進一步實時地控制室外導風板、導風筒及智能光伏捕風器，實施角度上的全方位調節，從而確保通風效率的最大化，增加系統運行的可靠度和性能，讓建筑可根據變化多端的氣候環境進行自動化調節。

10 居住建筑的物聯網安全問題

安全問題非常關鍵，要防止黑客的攻擊，控制數據信息的訪問權限是非常重要的；同時，為自己的居住建筑物聯網系統設置足夠的加密措施也是非常必要的，這樣可保證居住建筑網絡的私密性。

此外物聯網的安全，也與居住建筑本身的高效安全的物聯網防火墻有關，我們必須注意修復物聯網中各種各樣的漏洞，以保證居住建筑中物聯網的私密性。

11 展望未來

11.1 高效配合建筑信息模型

展望未來，物聯網控制管理中心還要懂得配合三維建筑信息模型來收集與分析數據，統計與監測建筑的能耗、結構健康、日照環境、地震監測、空氣環境等數據，對各種數據進行預測性分析，并努力尋找出各種大系統或小系統間的節能平衡點，不斷地自我學習及完善[5]。

11.2 連接到城市信息模型中

隨著信息技術的迅速發展，提升建筑管理智能化水平，建設以數字化、網絡化、智能化為主要特征的智慧城市，已成為我國重要的城市發展戰略之一[6]。展望未來，居住建筑的物聯網還需要連接到智慧城市的大數據云計算物聯網以及城市信息模型CIM中，讓智能城市中的物聯網大系統能夠時刻分析處理不同區域的建筑環境信息，進而對個別單獨的居住建筑作出反饋，為居住建筑提供維護服務，對推動城市的信息化和智慧化，具有非常重要的意義。

11.3 應用于人類開發太空居住建筑中

日后，這種物聯網技術還可以應用于太空的居住建筑當中去，從而建立一座可持續發展的全面實現自給自足的智能化太空建筑，此外，還能夠通過物聯網的智能自動化操控，從而實現自轉產生人工重力，因為所有的建筑設備以及建筑細部構造都整合到物聯網中去了[7]。

12 結束語

本文通過這種使用仿生學、樹狀神經結構以及建筑信息模型的物聯網技術，配合上數據庫系統以及建筑信息模型，采用基于控制與反饋的內部運作途徑及發送與接收的外部運作途徑，使用條件判斷、邏輯先后次序判斷和緊急保險措施的運作方法，讓居住建筑當中各個位置的各類傳感器都可以發揮出各自最大的威力，大大提高了居住建筑的舒適性、安全性、有效性以及建筑節能的效果，讓先進的物聯網充分發揮了其前所未有的威力。

當前，我國居住建筑智能化水平依然相當落后，采用這種物聯網技術，將把居住建筑整合成一個帶有呼吸的內外協調的人機交互的智能生命體，為人們提供快捷通信，安全舒適，信息靈通及生活方便的服務。望日后能夠制定相關規劃，拓展物聯網在居住建筑中的應用。

參考文獻

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[3]高建華.胡振宇.物聯網技術在智能建筑中的應用[J].建筑技術,2013,44(2):136-137.

[4]蘇會衛.何原榮.聶菁.張念.基于物聯網的綠色建筑在城市碳減排的應用研究[J].自然災害學報,2014,23(6):88-94.

[5]咼丹.楊曉華.蘇本良.物聯網技術在現代建筑行業中的應用[J].山西建筑,2011,37(26):255-256.

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[7]李景明.關志業.太空建筑的人居環境探索[J].山西建筑,2016,42(3):21-22.

The Application Strategy, Approach and Method of the Internet of Things in Residential Buildings

LI Jing-ming, YU Shao-qiao

(College of Architecture and Urban Planning, Guangzhou University)

【Abstract】Networking is the important development direction of the information technology. This paper is based on Bionics, tree neural structure and building information modeling technology of the Internet of things, through the formation of this mode of networking system that use the comprehensive management of large data, not only can monitor or control the various electronic instruments and equipment in the residential buildings, but also can achieve maximum energy efficiency of the residential buildings. It is helpful to improve people’s living quality, it has important significance to energy saving and emission reduction and low carbon consumption.

【Keywords】networking; information technology; architectural design; residential building; building energy efficiency; equipment