基于物聯網技術的未來智能樓宇系統分析

摘要：在未來真正實現萬物互聯的時代，開發智能樓宇系統應率先理順信息傳遞和集成應用問題。基于物聯網技術，對未來智能樓宇系統展開分析，明確系統連接架構的同時，做好網絡節點布局，滿足各種樓宇自動化系統通信需求的同時，完成多元應用開發，保證系統功能可以達到樓宇智能化管理要求，實現各種樓宇信息資源有效管理，并為使用者提供最優的信息服務。

關鍵詞：物聯網；未來發展；智能樓宇系統

隨著計算機、網絡通信等各種技術的快速發展，物聯網得以誕生，助力人們進入智能化時代。智能樓宇作為物聯網應用領域的重要分支，是傳統建筑業與現代信息業的結合產物，相關技術仍需較長時間的演進過程。未來隨著移動通信、無線傳感等技術的推廣應用，各種建筑信息管理系統必將融入統一的物聯網體系中，構成智能樓宇系統。因此，應從物聯網應用角度探究未來智能樓宇系統，通過提升樓宇管理技術水平，為人們創造適宜的建筑環境條件。

一、智能樓宇系統

所謂的智能樓宇系統，實際就是采用系統集成方式將計算機、通信網絡、自控技術等結合在一起，綜合運用樓宇自動化系統、通信自動化系統等實現樓宇自動監控，集中進行建筑內部設備或系統的電力、給排水、防災等信息化管理[1]。在科學技術不斷創新的背景下，樓宇各種信息化子系統在性能、功能方面得到不斷完善，使傳統閉路電視監控系統被可識別人臉的智能監控系統取代，也使過去的ID卡門禁系統向可識別生物特征的智能門禁系統轉變。然而，在擁有多個子系統的情況下，需要考慮到不同系統擁有各自的通信要求，缺乏統一標準使系統集成連接變得困難，從而導致智能樓宇系統的通信可靠性下降。目前，樓宇中使用的通信協議多樣，每個系統相對獨立，難以實現數據的統一存儲、分析和處理，也無法實現有效地聯動，使得智能樓宇系統的感知和自控能力相對薄弱。因此，在實現樓宇智能化管理方面還存在一定差距。

二、物聯網技術分析

物聯網實質上是連接萬物的互聯網，可以通過各種傳感設備和特定網絡協議連接形成網絡，確保物與物、人與物之間能夠隨時隨地相互聯通。從架構上來看，物聯網包含感知層、網絡層和應用層。其中，感知層作為最底層，由多種信息采集和傳感模塊構成，能夠通過設備識別和獲取各種參數信息，并通過自組網、中間件等技術實現設備的智能化控制。網絡層屬于物聯網的中間層，由移動通信網、無線網、專用網絡等構成，能夠傳遞數據并控制路由，負責感知層和應用層之間的信息傳輸[2]。應用層可以對接各種信息平臺，根據用戶需求提供相應的信息服務，實現各種物聯網應用，精準操控各類管理系統。總體上說，物聯網仍然把互聯網作為核心，并在此基礎上擴展和延伸各種網絡功能，為用戶共享和利用數據資源提供支持和平臺。在日常生活中，物聯網應用日漸廣泛，能夠在人和物品間建立通信連接，高效傳遞信息。智能樓宇系統配備了大量的電氣設備，并且所處的環境復雜，通過物聯網進行實時監控，能夠及時發現異常的氣味、聲音等，并促使管理人員及時處理，有效提高系統運行的穩定性。

三、基于物聯網技術的未來智能樓宇系統

（一）系統架構分析

引入物聯網開發未來的智能樓宇系統，通過建立統一物聯網體系，實現與各種子系統的通信連接，然后根據IP網絡實現各子系統的統一管控。各子系統采用相同網絡通信協議，可通過有線或無線網絡接入樓層網絡交換機。然后通過光纖干線將各種信息匯聚到系統服務器和數據庫中，以滿足數據訪問、分析等各種需求。從系統架構設計上來看，可以劃分為感知層、接入層、網絡層、平臺層和應用層。

感知層需要布置各種終端節點和主控制器，包含傳感器、控制設備和LoRa模塊，能夠采集樓宇內部溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數，并通過通信模塊上傳至主控制器。主控制器采用GSM模塊和LoRa模塊，完成節點上傳信息分析和處理，根據結果向各控制設備發送控制指令。主控器采用CGI技術，能通過Web Server以報文形式輸出節點上傳信息，并根據客戶端的控制請求調用程序編寫網頁代碼，通過LoRa發送至終端節點[3]。

接入層作為系統的核心層別，需要布置物聯網接入網關，提供多種設備接入協議的支持，以為設備或系統創造統一入網的條件。通過接入層連接各種樓宇設備或系統，并利用網關內置的各種協議模塊將各種設備數據轉換為標準軟件組件，可以通過開放API和TCP/IP標準協議處理終端節點數據，從而創造通用信息傳輸環境，為實現數據融合處理和系統互聯互通提供有力的技術支撐。

系統網絡層負責信息交互，利用無線路由器、光纖/網線將主控器接入以太網，按照HTTP協議在控制器和客戶端間傳輸信息。此外，在主控制器和客戶端之間也可以通過GSM移動通信網絡相互聯通，獲取SMS短消息服務。當系統監測到的信息經過主控制器分析后達到報警閾值時，網絡層可以直接通過移動通信網絡向用戶發送相應的報警信號。未來的智能樓宇系統采集的數據量較大，需要通過云計算服務器實現數據存儲，以確保系統能夠正常運行。

平臺層可以實現系統數據的統一處理，為上層應用提供數據調用訪問或調用接口。在平臺層上，需要布置各種規則引擎，并設置用戶權限，負責實現設備接入和管理等操作。通過平臺層完成大數據挖掘分析、視頻分析、語音識別等操作，提供各種人工智能服務組件，實現系統數據集中管理，并為接入第三方應用服務和共享數據資源提供支撐。

應用層包含GSM手機端和Web客戶端，用戶可以登錄Web網頁獲取系統的各種信息服務也可以通過移動設備的APP獲取樓宇內部的信息。用戶進入系統的人機交互界面后，根據各自的權限可以進行遠程操控樓宇設備或系統，確保系統的智能安防、智能消防等功能得以順利實現。通過實時查看樓宇的各種數據資源，感知環境異常信息，智能樓宇系統可以自動發出報警，輔助人員做好樓宇管理工作，充分體現未來智能樓宇系統的智能化特點。

（二）網絡節點布局

采用物聯網技術開發未來的智能樓宇系統，應做好主控器節點、各種終端節點和網絡傳輸節點的布局規劃，確保各節點可以相互配合，完成環境、用戶身份、電氣設備運行等各種信息采集和監測，為實現火災報警、入侵檢測和故障監測等各種功能奠定扎實基礎。

在主控器節點布局上，可選用STM32F103ZET6芯片，外圍連接通信模塊LoRa、驅動模塊SIM900A，前者用于采集和控制終端節點信息請求，完成環境、人臉識別等信息采集，并將其上傳至Web客戶端進行處理。后者能夠在系統檢測到異常信息時生成報警信號，并向用戶發送短信或預警信息。主控器通過串口連接通信模塊、驅動模塊和各種終端節點，部分IO口實現RTC時鐘的復用控制，實現系統數據的統一采集和傳輸時間段。Web Server采用DM9000以太網芯片，具有4K雙字節SRAM和10/100M的PHY，可提供16位數據接口訪問儲存器，支持100Mbps以下非屏蔽雙絞線聯網。主控制器在傳輸節點數據之前，通過串口發送AT指令，如表1所示，不同指令擁有特定功能描述，可確保擁有相同地址和通信信道的設備之間互聯互通。

在系統終端節點布置上，可劃分為信息采集與控制、樓宇安防等。終端節點可采用STM32F芯片，外圍連接溫濕度傳感器、一氧化碳濃度傳感器、火焰傳感器等各種模塊，并配備相應繼電器模塊，實現各種設備的驅動控制。終端節點主要布置在建筑入口、通道等位置，分散在建筑內各處。使用傳感器采集各種信息后，利用通信模塊將數據統一上傳至客戶端。參照IEEE802.11協議，在主控器通電后將向周圍連接的節點發送通信請求，在周圍接入點接收查詢指令后，終端將自動選擇信號強的接入點，并保存MAC地址作為上位節點發送數據。在安防節點布局上，外圍應連接通信模塊、射頻模塊、紅外探頭、LCD屏幕、蜂鳴器等，用于采集用戶指紋等生物特征信息，通過RFID射頻模塊識別ID信息，驅動舵機等執行器按照系統預設程序執行動作。根據主控器發送的控制指令，終端節點可完成信息采集、存儲、顯示和報警等操作，實現樓宇內部設備節能化管理，降低樓宇整體能源消耗。

在網絡傳輸節點布置上，應基于云端做好系統數據服務器部署。具體來說，就是將平臺服務器部署在云服務平臺上，通過網絡訪問服務器，使數據在客戶端或樓宇監控中心呈現。

（三）系統功能設計

在系統功能開發上，需結合用戶需求，做好各種應用部署。根據未來智能樓宇管控需求，可以完成智慧安防、智慧消防、智慧能耗管理等各種功能設計，以保證樓宇內外環境的安全，并實現樓宇的節能運行，從而全面提升建筑管理水平。

在智慧安防功能設計上，應用物聯網打造全覆蓋安全監控網絡，全面收集樓宇內外安全情報。在功能開發實踐中，應將視頻監控作為核心，做好樓宇各區域監控設備部署。采用數字網絡攝像機作為前端設備來采集視頻信息，通過物聯網協議將視頻傳輸至網絡交換機，上傳和存儲至專門的安防網絡，經過監控中心的解碼和還原，最終可以獲得模擬信號，并在顯示屏上顯示出來。在門禁系統設計上，主要通過系統平臺層來完成視頻數據解析，采用人臉識別等方式來識別人員信息，讀取人員權限，并判斷人員是否能夠進入特定區域。一旦發現有不合法的人員進出樓宇，系統將發出報警，提示值班人員立即查看并處理。在車輛管理方面，同樣也配備安防系統，通過RFID讀卡器來讀取車牌等信息，然后自動開啟對應車庫閘機，以確保合法車輛能夠正常通行，同時禁止外來車輛進入車庫。未來建筑樓宇中將配備大量的設備設施，一旦出現故障，可能會導致建筑整體無法正常運行。因此，需加強電氣設備安防監控部署，將各種設備接入物聯網中，通過遠程監測水泵、中央空調等設備狀態及時發現問題，上報設備運維部門處理，確保設備始終處于良好運行狀態。

在智慧消防上層應用設計上，系統基于紅外探測器等前端設備采集的環境信息，能夠自動判斷建筑是否存在火災隱患，并及時發出火災預警，提醒樓宇內部人員及時逃生。系統通過向值班人員發出火災報警，能夠確保人員及時發現火災，并在系統專家知識庫的輔助下完成火災逃生路徑規劃和顯示，指導樓宇內部人員迅速撤離。系統平臺可以接入消防部門，確保建筑發生火災后，可以第一時間通過現場服務器將火災信息傳遞至消防部門，幫助救援人員掌握火情并做好消防準備。救援人員可以利用系統建立的三維模型，根據各火災監測傳感器的位置查找火源，并根據現場情況制定正確的滅火和救援方案，有效控制火災的同時，盡可能降低火災引發的損失。

未來的建筑樓宇內部水、電、燃氣等儀表將統一接入物聯網，實時向能源供應公司傳遞相關數據，以實現遠程自動收費管理。為降低樓宇能耗，需開發能源管理系統實現節能管理。在設備用電和用戶用水方面，需要配備智能電表和水表，實時采集用電和用水信息，并上傳到系統進行數據分析，比較和確認每月的用電量和用水量的變化情況。通過人工智能算法給出節能方案，提示人員節約用電和用水。用戶可以通過登錄系統的應用程序等平臺，及時查看用水和用電情況，及時發現和糾正浪費能源的行為，避免不必要的成本支出。在公共區域能耗管理方面，系統可以通過各區傳感器檢測到人員數量和位置等信息，實現照明設備和空調設備的自動啟停控制，以確保創造適宜樓宇環境的同時，維持建筑運行時的低能耗狀態。

四、結束語

在把握物聯網架構的基礎上，應該結合未來智能樓宇行業應用的需求引入接入層和平臺層來設計系統架構。通過統一接入和存儲各種樓宇子系統的數據，保證系統能夠實現互聯互通，從而為實現樓宇智能化管理奠定堅實的基礎。在實際的系統建設過程中，應該合理布局終端節點、主控器節點等各種網絡節點，以滿足各種設備的接入需求。并且，通過開發智慧安防、智慧消防等上層應用，體現系統功能的豐富性，為未來開發智能樓宇系統提供廣闊的思路。

作者單位：孫方林 北京建筑大學

參考文獻

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