智能樓宇控制平臺的研究與分析

蔡柳萍，諶 頏，鐘 健，何韋穎

（1廣州理工學院計算機科學與工程學院 廣東 廣州 510540）

（2廣州科技貿易職業學院 廣東 廣州 511442）

1 引言

樓宇是辦公、教學、生活的重要場所，是學校最重要的資產。因此，為了在未來實現智能校園和教育大數據，智能樓宇管理必須是重要基礎之一。目前，學校建筑的照明系統、實驗設備、空調等電力設施的問題都是靠人工管理。具體來說，樓宇、樓層、房間的用電控制管理和用電相互獨立[1]，沒有統一管理，導致工作量大、數據統計不準確、浪費電量等諸多問題。

2 平臺研究

2.1 問題陳述

主要問題：本研究的總體目標是設計一個基于物聯網和云應用技術的樓宇管理智能控制平臺。具體而言，需解決以下問題。

（1）利用RFID、ZigBee等物聯網技術實現電器設備的互聯網。

（2）利用無線通信、移動互聯網、微信小程序、APP等技術實現移動應用管理。

（3）在云中收集和交互數據，實現信息關聯。

（4）解決時間、地點、時長、功耗等數據管理和可視化問題。

（5）在PC控制終端或移動終端上實現實時智能交互控制、統計和人像。

（6）解決平臺運行過程中網絡數據傳輸的監控問題，實現流量異常預警，從而避免網絡流量異常導致設備控制失敗的風險。

2.2 假設研究

具體假設如下。

（1）目前的網絡中心云計算服務器可以滿足平臺的前期運營。

（2）在現有研究的基礎上，項目團隊有能力對關鍵算法進行優化設計。

（3）智能電源設計和網關設計可以兄弟院校支持。

（4）主流的設計工具和開發方法可以滿足服務器、Web和移動軟件開發的需求。

（5）項目團隊良好的研究基礎和團隊合作能力可以保證項目的成功實施。

（6）項目資金基本能夠滿足本項目的資金需求。

（7）網絡中心擁有一批高性能計算機，良好的網絡計算和存儲環境，滿足項目的軟硬件要求。

2.3 研究意義

隨著物聯網和云計算技術的飛速發展，通信方式從人發展到了人和物。本項目將研究基于物聯網和云平臺技術的智能樓宇管理平臺，以求實現以下功能：（1）實現節能控制的分散及集中管理，為學校員工、學生、商戶提供良好的用電管理環境；（2）為學校各用戶提供更方便、快捷的用電控制管理方法，可以實時監控用電情況，降低能耗，為學校降低管理成本；（3）智能控制平臺增加設備更容易，改造成本低。

2.4 研究內容

本研究主要目的為實現我校樓宇電氣設施的智能化管理和運行控制。這項研究于2018年10月啟動，持續兩年多，預計將于2021年6月完成。項目組成員5人，團隊具有良好的研究基礎和團隊合作能力。下文將從內容和覆蓋面兩個方面介紹本研究的總體內容。研究內容包括以下幾方面。

（1）電源適配器控制模塊的設計和優化，以最小的工作量改造現有的電源接口。

（2）設計物聯網網關，優化通信標準協議，進行通信測試。

（3）開發數據交換接口標準和應用接口開發。

（4）設計開發云服務器軟件和用戶終端軟件，包括云計算數據中心和管理后臺、Web應用、APP等。

（5）設備調試、數據采樣、驗證、智能控制測試、優化等。

（6）樓宇管理智能控制平臺集成及驗收測試。

2.5 最終產品

本研究的最終產品分為軟件和硬件兩部分。軟件包括Web管理端、微信Mini Program或APP、運行在云服務器上的應用接口。硬件包括智能電源、智能網關和智能門鎖。本研究將基于IPv6網絡通信，將遠程物聯網設備數據上傳到數據中心的方法采用TCP連接，數據包采用JSON格式[2]。下行數據通過HTTP連接，為遠程客戶提供數據查詢、統計、分析等應用，數據包也是以JSON格式傳輸。另外，在目前網絡規模比較小的情況下，研究數據中心前端采用網絡虛擬化技術，后期在網絡規模比較大的情況下，采用TRILL技術進行改造，即目前的網絡中心云計算服務器可以滿足前期運營[3]。軟件開發采用面向服務的SOA開發模式。最后，智能供電設備的樣本必須滿足工業應用的要求，必須利用JSON和XML的混合技術建立數據交換標準。集成測試時，應選擇2～3個房間作為試點，測試平臺的硬件和軟件，優化集成方案。

3 用戶需求分析

為了開發出真正滿足用戶需求的軟件產品，需要明確了解用戶的需求。當前大部分的用戶對計算機的操作仍然不是很熟悉，對于計算機能做什么不能做什么沒有明確的概念，而開發人員對用戶所在的領域也不是很熟悉，因此用戶與開發人員之間對問題就會存在理解的差異。因此，如何進行充分有效的溝通至關重要。為了實現學校樓宇設施的智能化管理，在需求分析階段，必須明確系統相關人員的需求，因此我們的調查對象包括電教室管理員、實驗室管理員、各辦公室主要負責人、圖書管理員、學生、宿舍管理員、學校管理領導等，基本覆蓋全校各類人員。由于涉及的人員規模較大，我們根據不同的工作從每個崗位隨機抽取一名受訪者，共有12名受訪者接受了我們的一對一訪問。

3.1 需求獲取方法

獲取需求的方法有很多種，本次我們采用的是一對一的面談法。面談法是讓開發人員與用戶進行一對一的面談，從而相對準確地了解到用戶的想法。由于本系統涉及的用戶多種多樣，所以我們必須根據用戶的身份特點來進行提問，從而獲取我們想要的信息。面談法具有一定的私密性，讓開發人員與受訪者可以直率交流，非常適用于在初步理解整體概念的情況下討論和交流一些細節問題，而且研究者能夠限制受訪者在本研究范圍內進行回答，可以挖掘到更深層次的用戶需求。

3.2 數據收集

（1）我們走訪了實驗室老師和宿舍管理人員，了解了目前的管理情況，收集了相關人員對設備和電源管理的要求。

（2）我們參觀了華南農業大學電子工程學院，了解了供電、用電設備和環境監測數字化管理的現狀和需求，決定與華南農業大學共同設計該研究系統的電源適配器和智能電箱。

3.3 數據分析

經過與受訪者的訪談，我們獲取了相關需求，并對需求進行了分析。由此可知，本研究中的智能樓宇系統主要包括用電監控、自動開關控制、窗簾智能管理、環境監測、智能安防、人體感應、視頻監控、門鎖控制等功能。

3.3.1 用電監控系統

具有電氣參數實時監控、異常事故報警、事件記錄打印、統計報表整理打印、電能成本管理、負荷監控等綜合功能。配電智能監控管理系統使供電系統運行更加安全、合理、經濟，提高了供配電系統的可靠性。

3.3.2 自動開關控制系統

自動開關控制系統使用照明控制面板、無線網絡等設備，實現樓宇照明的自動開關等智能控制。（1）使用遠程照明管理方法，實現臨時照明、自動開關、定時切換等功能。（2）手動照明控制模式，人工對照明控制面板進行操作，可以實現室內手動的控制各照明開關。

3.3.3 窗簾智能管理系統

窗簾智能管理系統使用無線網絡、窗簾電機、導軌等設備，實現樓宇內窗簾的智能控制。窗簾控制具有遠程控制功能，可以遠程切換窗簾。還可以通過人工對窗簾控制面板進行操作，手動的控制窗簾的開和關。

3.3.4 空調智能管理系統

空調智能管理系統使用智能遙控器，對樓宇內空調、投影儀等紅外遙控設備進行智能化控制。智能遙控器與室內溫度、濕度傳感器等設備實現聯動，實現自動打開或關閉各紅外遙控設備（空調、投影儀等）。

3.3.5 環境監測

主要實現對溫濕度、PM2.5、照度等的監測。在空間中，特別是對于實驗室的溫度和濕度監測，可以通過設定閾值來實現報警功能。

3.3.6 智能安防系統

智能安防系統包含聲光報警器、攝像頭、溫度濕度傳感器、人體檢測傳感器、煙霧傳感器、應急按鈕等設備。各設備協同工作，一旦檢測到異常現象，自動啟動安防系統，對樓宇內機房、辦公室等房間實施安全監控。

3.3.7 門禁管理系統

門禁管理系統實現樓宇內機房、教室、辦公室門的遠程開啟與遠程關閉。基于TCP/IP網絡的遠程啟閉模式，可實現教室門禁定時自動啟閉、授權人員遠程啟閉、自動報警開啟等[4]。RFID高頻卡授權模式的使用，使授權管理人員可以使用RFID高頻卡對出入境日志進行統計管理。

4 研究方法分析

4.1 研究方法

計算機項目的研究不同于社會科學項目的研究，研究方法主要采用結構化方法，遵循軟件工程原理。本項目的研究方法主要包括理論和技術研究、調查、討論、建模、樣本開發、設備調試、算法設計、程序設計、實驗分析等。

4.2 系統設計

本研究旨在研究一套可應用于照明、實驗設備、電源等電氣設施智能管理以及關鍵環境參數監測的技術方法和解決方案。研究人員遵循軟件工程的開發步驟來收集數據和研究具體問題。第1步是進行可行性研究，確定是否開發該項目。第2步是分析需求，確定系統的功能性和非功能性需求。第3步是系統設計。在概要設計階段，確定模塊的劃分和模塊之間的關系。在詳細設計階段，確定各個模塊的具體算法，設計數據庫。第4步通過編碼實現軟件。第5步測試軟件，同時發現并糾正錯誤。第6步是項目軟件的操作和維護。

該系統主要由設備電源監控、物聯網網關、控制云平臺3個部分組成，見圖1。教學設備監控部分主要包括RFID電子標簽、設備適配器（包括RFID讀卡器、單片機系統、ZigBee節點、電量采集和繼電器單元）；物聯網網關主要包括ZigBee、Wi-Fi、以太網口等模塊；控制云平臺主要包括云服務器、PC終端和移動終端。

圖1 系統組成圖

其中，本項目關鍵技術方案設計包括：（1）功率檢測和控制設計。（2）物聯網主控模塊設計方案。（3）樓宇管理智能控制平臺（教室、實驗室）建設方案。（4）樓宇管理智能控制平臺的基本方案。（5）樓宇管理智能控制平臺樣本方案建設及調試報告。

5 結語

本研究完成了樓宇管理智能控制平臺基本方案的制訂，確定了網絡通信方案，制訂了通信協議，完成了產品的試制，在6-203（多媒體教室）和11-610（非線性編輯實驗室）兩個房間進行安裝、調試和試運行。2020年11月至2021年5月，一直在進行軟件的優化調試和程序的優化。