現代物聯網中智能樓宇的發展趨勢及概況

張津瑞

0 引言

如今是一個信息化的時代，隨著物聯網技術的發展，越來越多的智能設備為人民的生活帶來了便利，提高了人民的生活質量。物聯網，其功能是把所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換，即物物相息，以實現智能化識別和管理[1]。

其中，智能樓宇就是其中一個典型代表。智能樓宇的發展，對現代經濟的發展和人們居住環境有非常重要的影響，它是一個國家科學技術和經濟水平的體現，也可以反映出一個國家城市化、現代化的程度。智能樓宇的核心系統主要由下面五部分組成：建筑設備、通訊、辦公、火災報警與消防、安全保衛等自動化系統。智能樓宇則是通過通信網絡將上述的五個自動化系統進行高效有機的組合，使建筑物具有了高效、安全、便利、節能的特點。

由于智能樓宇的特點，該領域在20世紀就在很多國家得到了研究與應用。1984年美國聯合科技的UTBS公司在康涅狄格建成了世界上第一座也是當時唯一的一座智能化樓宇。從此以后，全球范圍內智能化樓宇的建設進入了快速發展時期，日本、法國、瑞典、英國等國家也在不斷興建智能樓宇。20世紀80年代后，智能樓宇風靡全球，自上個世紀90年代以來，國內許多建筑設計者將智能化建筑概念引入國內，迅速得到了人們的喜愛和認可，發展非常迅猛，我國的智能樓宇也伴隨著我國城市化進程的不斷加深取得了重大的發展[2]。

本文的行文結構如下：本文第一章介紹智能樓宇概念與定義；第二章介紹智能樓宇的起源和在國內外的發展趨勢；第三章介紹智能樓宇的組成與核心技術；第四章總結全文，提出對智能樓宇的分析與展望。

1 智能樓宇的概念

關于智能樓宇的定義，最早于20世紀后期出現在美國。“智能樓宇以建筑物作為基礎平臺，同時搭載信息設施、信息化應用、公共安全等系統，可以將建筑物或建筑群內的車庫管理、保安、照明、給排水、運輸、消防、電力、空調設備或系統進行統一有機管理，是將服務、系統、結構、管理優化組合為一體的智能建筑”[1]。

2 智能樓宇的發展趨勢

1984年，在美國Connecticut的首府哈特福德竣工的“都市廣場”大廈的宣傳材料中首次出現“智能樓宇”，這也標志著“智能樓宇”概念的形成。“都市廣場”大樓相比較傳統大樓主要是增加了計算機、程控交換機、數據通信等，使住戶可以得到信息查詢、通信、電子函件、文字處理等服務。同時，“都市廣場”內所有的供配電設備、防火、空調、給排水、保安設備均由計算機進行控制，實現建筑物的信息化、自動化，使居住者獲得安全、高效、經濟、舒適的居住環境。建筑物的功能發生了極大的補充和擴展，“都市廣場”也成為了世界上第一座智能化樓宇[1]。自此，在全球范圍內智能化樓宇的建設進入了快速發展時期。

從1984年以來，日本就在各大城市建設“智能街區”和“智能群樓”，在這些建筑中百分之八十以上都是智能樓宇。新加坡的政府不惜耗巨資研究智能建筑的專項技術，計劃將新加坡建設為“智能城市花園”。印度也在1995年開始建設智能建筑，計劃將加爾各答的鹽湖建設成“智能城”。法國、瑞典、英國、泰國的其他國家也在不斷興建智能建筑。

1986年，我國國家計委和科技委共同立項，由中國科學院計算技術研究所負責的課題《智能化辦公大樓可行性研究》正式開始投入研究工作。1991年我國第一座智能建筑北京發展大廈建成，它標志著我國智能化建筑的開始。北京發展大廈吸收和借鑒了日本先進的樓宇管理經驗，是北京市最早實現智能化的寫字樓。在通訊、安保、消防監控、建筑設備等方面采用了國際先進技術；空調、照明、電梯、防災、變配電等系統均實現了計算機自動控制；在供水、供電、供氣、供熱等方面，也廣泛采用了國外先進設備和控制技術，以精良的選材確保了樓宇安全穩定的運行[14]。九十年代初，我國房地產業不斷發展，樓宇智能化市場也隨之迅速發展。由于智能樓宇給人們帶來了生活上的便利和舒適，加之當時樓宇智能化的普及率并不高，進一步激發了人們對它的重視。

3 智能樓宇的組成與核心技術

3.1 智能樓宇的組成

智能樓宇包含五大核心要素，即樓宇自動化系統、通信自動化系統、辦公自動化系統、火災警報與消防和安全保衛自動化系統。樓宇自動化系統實現樓內各個設施自動調控，使樓內的各個系統達到節約資源，減輕管理人員勞動強度等效果[3]。

通信自動化系統是建筑物內數據、語音、圖像傳輸的基礎，同時通信自動化系統與外部網絡相連，比如計算機網、衛星、電話公網、數據網以及廣電網，與大樓外的世界各地互聯互通[4]。能夠保證建筑物內語音、數據、圖像傳輸的同時，與外界通信網相連，與外部互通信息。

辦公系統則實現對各環節的掌控、調配和協作，是將企業的應用、內容、人員及流程個性化統一交互的協作環境。在建筑物內，辦公人員與這些自動化辦公系統形成了高效運轉的辦公系統，相對于傳統建筑物內的完全依賴于人力辦公方式的效率得到了大大的提高。

火災警報與消防聯動系統中，火災自動報警控制系統是整個智能樓宇自動化系統的感測部分，主要任務是火災的發現與警報，消防系統則是自動化系統的執行部分，在接到火災報警系統發出的火警信號后立即啟動執行滅火[15]。不同于其他系統，火災警報于消防聯動系統與其他系統相對獨立，在火災發生的情況下才會被觸發。

安全保衛系統由門禁、監控、公共應急廣播等系統組成，通過實時的監控來保證建筑物內部和外部的安全性。安全保衛系統則是通過CCTV即閉路電視監控系統對建筑物內的重要通道及場所進行監控，來配合以防盜報警系統、IC卡門禁系統以及巡更管理系統，實現建筑物的安保工作[16]，安全保衛自動化系統的主要工作原理如圖1所示。

圖1 安保系統示意圖

3.2 智能樓宇的核心技術

3.2.1 傳感器技術

傳感器技術是智能樓宇中必不可少的核心技術。傳感器是指“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”[12]。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術和計算機技術共同構成了信息技術的三大支柱。

人們對無線傳感器的研究始于20世紀90年代，當時傳感器的發展速度較慢，硬件處理能力較低。制約傳感器技術提升的原因主要有三點：（1）功率的損耗，無線傳感節點絕大部分被安置在野外，無法通過常規的電線進行供電，因此其硬件的設計必須將節能作為重要目標之一；（2）價格，無線傳感器需要大量組網進行配合，以完成特定的功能。大量組網帶來的是較高的成本，因此其硬件設計要考慮到價格這一重要的因素；（3）體積，無線傳感器需要方便攜帶，易于部署。因此硬件要以微型化為設計目標[5]。

雖然傳感器的性能有限，但仍得到了各個領域的廣泛應用。在智能樓宇的應用中傳感器是最重要的組成因素之一。樓宇自動化系統是建立在無線傳感器的基礎上實現的，實現了對各設備集中監視、控制和管理，如溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、紅外線傳感器等[6]。沒有傳感器所得到的數據就無法對整個系統進行監控，通過無線傳感器對相關數億的數據進行采集和監控，運用現代計算機技術、通訊技術對這些數據進行處理、運算和判斷，實現樓宇各種功能的自動控制[7]。集成的樓宇管理系統使用智能化、多功能化、網絡化的傳感節點和執行器，傳感節點和執行器通過數據網及控制網連接，與通信系統相互配合形成整體網絡，并通過寬帶網與外界網絡互聯互通[6]。

空調中就具有很多傳感器，例如：溫度傳感器、差壓傳感器、濕度傳感器等。空調通過這些傳感器對整個房間的環境變化進行監控。空調系統監控既要提供溫濕度適宜的環境，又要解決能源。其涉及到的監控范圍有：制冷機、熱力站、空氣處理設備、給排風系統、變風量末端等。通過對這些系統進行監控從而得到相應的數據，使得空調對風量、風速等進行合理的調節。

3.2.2 無線網絡技術

無線網絡技術在智能樓宇中舉足輕重，它因覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯網提供高速可靠廉價且不受接入設備位置限制的互聯手段而被廣泛應用。正如西門子樓宇技術組的首席技術專家Helmut Macht說道：“無線通信的創新使越累越多的有線通信將被取代”。

無線網絡的組成元素主要有：自組網、無線連接、基站和用戶。目前用戶端主要由手機、PDA、傳感器等組成，用戶可以無線通信，獲取有效信息；基站是將用戶端與公共基礎網絡進行的基礎設備，如Cell Tower即蜂窩塔、Access Point即WiFi接入點等，根據不同協議，基站的傳輸速率及覆蓋范圍不同。無線連接是用戶端與基站、用戶端與用戶端或基站與基站之間的數據傳通道，通常以光波、無線電波為載體，支持多種傳輸的距離和速率。自組網無須基站，是用戶端之間通過自我組織的方式形成網絡網，由用戶端自身完成地址指派、路由選擇等[5]。

無線網絡連接具有以下特點：（1）信號強度衰減，無線信號能量隨著傳輸距離增長而減弱。（2）非視線傳輸，當發送者與接收者之間存在被阻擋的情況，則被稱為非視線傳輸，當存在阻擋情況時，無線信號可能會被阻擋物吸收，或者因阻擋物的存在而迅速衰減。（3）信號干擾，相同頻段的無線信號存在相互干擾的現象，例如2.4GHz與外部環境的電磁噪聲，除此之外日常生活中的高壓電線、汽車、微波爐也會產生干擾。（4）多途徑傳播，由于阻擋物的存在，信號回因阻擋物的反射和折射，到達接收端的時間存在微小差異[5]。

由于無線局域網的固有特點，因此在樓宇自動控制系統中得到越來越廣泛的應用。采用無線技術替代傳統的有線網絡能夠帶來諸多好處，如降低傳感器部署難度、降低維護成本以及增加系統更新的靈活性，特別是對于那些需要進行大量布線或布線難度加大的地區[9]。如例如閉路電視監控系統，一般位于較為偏僻的位置且需受監控場所的制約，經常存在布線困難的問題，若采用無線局域網便可借由無線網絡將影像傳回主控站，極大的方便了閉路電視監控系統的安裝與應用。樓宇內變配電、照明、給排水、電梯、空調、供暖、安防和消防等眾多子系統也可設置WiFi智能節點，WiFi智能節點對各子系統進行實時監測，并對出現故障的系統進行自動調節與控制[10]。

智能樓宇系統的目標是為用戶營造一種舒適、便捷和安全的工作和生活環境。無線網絡技術能給智能樓宇的發展提供更廣闊的空間。無線網絡技術克服了智能系統集成過程中線纜限制引起的不便性，也使其可以實現很多新的應用。

4 總結與展望

本文主要介紹了物聯網技術中的智能樓宇技術，通過對智能樓宇的國內外發展趨勢的分析，對智能樓宇中相關核心技術的介紹，完成智能樓宇的目前發展狀況相對全面的闡述，為以后智能樓宇的發展提供了借鑒性的思路。

隨著時代的發展和科技的更新與進步，智能樓宇在日常生活中得到了越來越廣泛的應用。智能樓宇是我國建筑行業未來重要的發展方向，目前我國每年新增的建筑面積達到20億平方米，政府對相關建設也進行了科學化、規范化以及制度化的引導，一個勃勃生機的智能產業已形成[1]。我國智能樓宇將會有很大的發展空間,未來的智能樓宇將會為人們的生活提供更多的便利[2]，擁有廣闊的市場與前景，將會成為二十一世紀大放異彩的一道風景線。