基于物聯網的智能樓宇綜合管理系統架構設計

黃宏聰，齊鵬飛，鄭青松

（1.鼎信信息科技有限責任公司；2.深圳市康拓普信息技術有限公司）

1 概述

1.1 智能樓宇

2012年，住房和城鄉建設部發布了《關于開展國家智慧城市試點工作的通知》（建辦科〔2012〕42號），截至2017年底，我國已有超過500個城市提出建設智慧城市。建筑作為城市的基本組成單元和人們的日常活動空間，在智慧城市的建設浪潮中也得以創新和發展。同時隨著物聯網、云計算和大數據等新興產業技術的興起，在傳統樓宇自動化的基礎上，智慧建筑和數字建筑等新的建設概念和理念逐漸涌現。

智能樓宇，又叫智能建筑，主要是指以建筑物為平臺，基于對各類智能化信息的綜合應用，集架構、系統、應用、管理及優化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環境互為協調的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續發展功能環境的建筑[1]。

從具體實施內容來講，智能樓宇通常包括安防監控、出入口控制（門禁、停車場）、入侵防范、電梯控制、供配電、空調新風、照明控制、停車場管理、廣播、信息發布和能耗統計等數十個信息化子系統，業內將上述子系統歸納為五類，分別是建筑設備自動化（BA）、通訊自動化（CA）、辦公自動化（OA）、火災報警與消防自動化（FA）以及安全防范自動化（SA），即智能樓宇5A系統[2]。

1.2 智能樓宇綜合管理系統

智能樓宇綜合管理系統，即IBMS（Intelligent Building Management System），主要指通過統一的人機交互管理界面對樓宇內部眾多的信息化設施進行統一管理，實現所有智能子系統的集中監視和控制以及全局事件的處理，并通過跨系統的聯動，實現樓宇信息化設施的自動化運行，提高樓宇運維管理的效率。

1.3 物聯網

物聯網是通過多個具備感知能力的傳感設備，按約定的協議形成自組織、智能化的傳感器網絡，再通過智能化的計算和互聯技術的支撐，實現信息的匯聚、整合、共享與智能處理[3]。

物聯網技術架構主要分為三個層次：感知層、網絡層（又稱傳輸層）和應用層。感知層是實現物聯網的基礎，主要利用各種傳感器設備完成信息的采集、轉換和收集。網絡層通過各種長距離或短距離、有線及無線通信技術完成感知數據的傳輸。應用層通過各種數據處理呈現人機交互技術，滿足不同行業用戶的信息化業務應用需求，如監控類（車輛監控、溫濕度監測）、查詢統計類（遠程抄表、資產管理）以及控制類（智慧路燈、智能家居、智能樓宇）等不同類型的應用。

2 現狀分析

隨著計算機、數字通信及網絡技術的發展，構成智能樓宇的各個信息化子系統在技術體制、性能和功能等方面都得到了大幅度的改進和提升，例如，融合了人臉識別和行為分析等功能的數字高清智能視頻監控系統逐步代替了傳統的模擬閉路電視監控，以往的基于總線的ID卡門禁系統逐漸演變為基于TCP/IP數字網絡的IC卡門禁或基于指紋、人臉等生物識別的智能門禁系統。但在智能樓宇綜合管理系統（IBMS）方面仍存在以下問題：

1）互聯不通不足，孤島現象依然存在

目前，在智能樓宇綜合管理上，由于子系統和通信協議的多樣性，各子系統通常作為一個獨立的系統進行實施和部署。各系統之間和各建筑之間無法做到數據的統一存儲、處理和分析，體現出煙囪式的獨立部署、獨立運行和獨立維護[4]。

2）缺乏統一的數據管理，跨系統聯動需要進一步加強

在智能樓宇個別應用上，目前已具備初步的聯動控制，如安防管理方面，火災系統與廣播、視頻監控、門禁系統的聯動，空調暖通設備與環境傳感器的聯動實現了樓宇室內空氣、溫濕度等環境的智能調節。但上述的聯動策略是在專業的接口開發基礎上完成的，是固化的。用戶無法根據實際的系統管理需求和運行場景進行靈活調整，實現聯動策略的自定義。

3）缺乏樓宇大數據分析，系統價值有待挖掘

當前智能樓宇綜合管理系統大多從建筑物業后勤管理的角度進行投資建設，如何對建筑運行的海量數據進行統計分析并發掘數據潛在的價值，值得進一步研究。隨著大數據技術的應用發展，可以借助數據分析和挖掘等技術，進一步分析建筑運行的規律，降低建筑運行成本，實現建筑運維的精益化管理和增值化服務[5]。

綜合分析，目前智能樓宇的感知、傳輸和記憶能力已經相對完善，但若達到建筑運行的自我推理、判斷和決策的智能化目標，需要對當前智能樓宇系統的集成模式進行改進。針對上述行業現狀，本文提出一種基于物聯網的智能樓宇綜合管理系統架構，為樓宇智能化系統的融合管理與互聯互通提供解決方案。

圖1 基于物聯網的智能樓宇綜合管理系統技術架構

3 基于物聯網的智能樓宇綜合管理系統設計

3.1 系統技術架構

基于物聯網的智能樓宇綜合管理系統技術架構如圖1所示。系統總共分為感知層、接入層、傳輸層、平臺層和應用層五個部分。感知層主要指接受智能樓宇系統統一管理的各種終端設施，包括動力設備（空調、新風、排風、排水、電梯等）、信息感知及采集設備（環境傳感器、音視頻設備）和控制設備等。傳輸層主要指由樓宇駐地網、互聯網（或專線）及移動通信網組成的智能樓宇數據傳輸和通信管理網絡。

基于物聯網的智能樓宇綜合管理系統架構，其核心是接入層和平臺層兩部分的設計，正是這兩個層次的引入，使應用層可以屏蔽感知層終端物理設備的差異性，實現不同設備和系統互聯互通、融合管理的目標。以下重點對接入層、平臺層和應用層三部分予以說明。

3.1.1 接入層

接入層核心設備是樓宇物聯網接入網關，針對智能樓宇前端接入設備的協議多樣性，物聯網接入網關創造了一個通用的環境，可以連接多數主流的樓宇前端設備或系統，用戶無需考慮設備的制造廠家和其使用的通訊協議。物聯網接入網關設計參考架構如圖2所示。

物聯網接入網關內置多種協議設備模板，可以將不同協議的設備數據轉換為標準的軟件組件，通過標準TCP/IP協議、支持XML的數據處理和開放的API為智能樓宇應用服務提供無縫的、統一的設備數據視圖，從而實現數據融合處理和跨系統的互聯互通。

3.1.2 平臺層

平臺層主要提供智能樓宇數據的統一處理和分析，為上層應用程序以及其他業務系統提供數據調用訪問的接口。平臺除具備設備接入、設備管理、規則引擎、權限及安全管理等基礎功能外，還可提供大數據分析和人工智能等服務組件，為智能樓宇上層應用提供大數據分析挖掘、GIS、語音識別、視頻分析和3D等高性能海量數據處理服務。智能樓宇平臺功能結構如圖3所示。

智能樓宇平臺主要實現以下功能和目標：①通過子系統之間的互聯互通實現系統和設備聯動；②通過數據的集中存儲和管理，實現智能樓宇的數據共享；③通過大數據的分析與處理，實現各種運行場景的即時有效控制；④為樓宇第三方應用服務的接入提供平臺支撐。

3.1.3 應用層

應用層調用平臺層提供的數據和邏輯等元素，通過圖像、表格和視頻等方式為樓宇管理人員提供方便直觀的可視化管理，實現對樓宇運行狀態和前端設備的集中呈現、全局管理和統一控制。

智能樓宇應用根據系統功能的不同可以分為安全防護、綠色節能和高效便捷三大類[6]：①安全防護包括視頻監控、入侵監測、火災探測及報警、（車輛及人員）出入口控制以及應急響應等；②綠色節能包括制冷制熱、電器照明控制、環境監測和能耗統計分析等；③高效便捷包括公共廣播、智能會議、訪客管理、信息引導及發布、資產管理等。

圖2 物聯網接入網關參考架構

圖3 智能樓宇平臺功能結構

圖4 系統本地部署網絡架構

3.2 系統應用部署模式

根據平臺數據服務器的部署位置不同，基于物聯網的智能樓宇管理系統既可以基于云的遠程部署，也可以進行本地部署。系統本地部署網絡架構如圖4所示。

1）遠程部署

平臺層服務器部署在第三方云服務平臺，本地樓宇管理中心或遠程移動管理客戶端可通過Internet訪問服務器數據，在管理客戶端或監控中心大屏上進行呈現，這種模式主要適應于分布在異地的多個建筑或建筑群的管理。

2）本地部署

管理中心和平臺層數據服務器均部署在本地，并對外提供遠程訪問的互聯網接口，主要適應于單個建筑的管理。

4 結語

本文參考物聯網體系架構，在感知層、傳輸層和應用層三層架構的基礎上，針對智能樓宇的行業應用需求及特點，引入接入層和平臺層的概念，形成了智能樓宇綜合管理系統的五層架構參考模型。通過接入層設備的統一接入解析和平臺層數據的統一存儲處理，為智能樓宇各信息化系統的互聯互通和融合管理提供了一種創新性的解決方案思路。

當然，智能樓宇系統所涉及的應用眾多，除了本文提到的一些常見的智能化子系統外，還包括物業管理、資產管理、機房、供配電控制以及BIM等信息化應用。此外，基于LoRa和NB-IoT等低功耗廣域網通信技術及方案產品也逐步應用于建筑中，因此，在實際工程中，如何進行物聯網接入網關和數據平臺的選型或開發，使其滿足復雜多樣的樓宇前端設備接入和上層應用，是系統實施需要考慮的首要問題。