物聯網技術在樓宇智能化系統中的應用 作者： 日期：2 物聯網技術在樓宇智能化系統中的應用【摘要】物聯網因其能實現實時采集任何需要監控、連接、互動的樓宇智能化實體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在鏈接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理，在樓宇智能化技術中具備廣闊的前景。本文介紹了物聯網技術的概況，在樓宇智能化系統中的發展和未來，分析了目前存在且需要解決的一些問題。【關鍵詞】物聯網、樓宇智能化、互聯網、感知、傳感。1. 物聯網應用的必然趨勢 物聯網能將無處不在的末端設備和設施, 通過各種無線、有線的或長或短距離的通訊網絡實現互聯互通, 在內網(Intranet)、專網(Ex tranet)或互聯網(Internet)環境下, 采用適當的信息安全保障機制, 提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持等管理和服務功能, 實現對萬物的高效、節能、安全、環保 的管、控、營一體化。融現代建筑技術與通信網絡技術等高科技于一體的智能建筑悄然興起, 智能大廈、智能小區已經遍布世界各地, 其發展勢頭十分迅猛。而目前方興未艾的物聯網技術因其各種特性, 引入到樓宇智能化技術中, 必將是一個重要的發展方向。2. 物聯網技術原理2.1 物聯網的定義物聯網的英文名稱叫The Internet of things。顧名思義, 物聯網就是物物相連的互聯網 。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網, 是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡； 第二,其用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間, 進行信息交換和通信。因此，物聯網的定義是: 通過射頻識別( RF ID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備, 按約定的協議, 把任何物體與互聯網相連接, 進行信息交換和通信, 以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。2.2 物聯網的原理物聯網中非常重要的技術是射頻識別（RFID）技術。RFID是射頻識別（Radio Frequency Identification）技術英文縮寫，是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，是目前比較先進的一種非接觸識別技術。以簡單RFID系統為基礎，結合已有的網絡技術、數據庫技術、中間件技術等，構筑一個由大量聯網的閱讀器和無數移動的標簽組成的，比Internet更為龐大的物聯網成為RFID技術發展的趨勢。 而RFID，正是能夠讓物品“開口說話”的一種技術。在“物聯網”的構想中，RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，通過無線數據通信網絡把它們自動采集到中央信息系統，實現物品(商品)的識別，進而通過開放性的計算機網絡實現信息交換和共享，實現對物品的“透明”管理。互聯網, 即廣域網、局域網及單機按照一定的通訊協議組成的國際計算機網絡。興起于上世紀90年代, 目前仍以計算機設備的互聯為主, 但已經有許多手機等終端設備實現了這一網絡。互聯網使用的TCP/IP協議目前已經面臨地址資源枯竭的難題, 目前使用的IPv4版本采用32位二進制數定義地址, 雖然總數能達到約43億, 但是仍然不能滿足現今全球網絡飛速發展的需求, 因此IPv6版本應運而生,IPv6采用128位定義地址，可以提供的地址數量大幅度增加。理論上講, 可以為地球上每粒沙子分配一個IP 地址,客觀上為物聯網的廣泛應用提供了可能。在互聯網的基礎上，任何的物，可以通過嵌入不同復雜程度的智能芯片,實現互相之間的信息交換。物，可能是運動或需要方便改變方位的對象, 如運行中汽車、跟隨父母的兒童、信件、包裹等; 也有許多處于固定狀態的對象, 如需要監控的門窗, 檢測火險的煙霧傳感器等, 因為工程條件、外觀、成本等各方面的因素, 不宜采用有線連接的方式接入互聯網。所以,物接入互聯網的主要途徑是無線方式。植入到物中間的智能芯片需要實現的功能包括: 物的標識、傳感器信號的處理、底層物理通道的建立、信息交換、數據計算、數據處理、控制輸出等。在這些功能中, 為實現物物互聯, 最基礎性的是傳感技術(智能感知), 所以物聯網又稱為傳感網。 物聯網可分為三層: 感知層、網絡層和應用層。 感知層是物聯網的皮膚和五官, 識別物體, 采集信息。感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網絡等, 主要是識別物體, 采集信息, 與人體結構中皮膚和五官的作用相似。網絡層是物聯網的神經中樞和大腦, 傳遞和處理信息。網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心、信息中心和智能處理中心等。網絡層將感知層獲取的信息進行傳遞和處理, 類似于人體結構中的神經中樞和大腦。應用層是物聯網的社會分工與行業需求結合, 實現廣泛智能化。應用層是物聯網與行業專業技術的深度融合, 與行業需求結合, 實現行業智能化, 這類似于人的社會分工, 最終構成人類社會。2.3 物聯網應用物聯網是互聯網的應用拓展,應用創新是物聯網發展的核心,以用戶體驗為核心是物聯網發展的靈魂,被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。置身信息化革命的浪潮,物聯網是信息技術移動化的一個具體應用。物聯網把新一代IT技術充分運用在各行各業之中,具體地說,就是把物聯網感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統、油氣管道、辦公和家用器具等各種物體中,然后將物聯網與現有的互聯網整合起來, 實現人類社會與物理系統的整合,在這個整合的網絡當中,存在能力超級強大的中心計算機群, 能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施的管理和控制, 在此基礎上,人類可以實現無所不在的計算和網絡,以更加精細和動態的方式管理生產和生活,管理未來的城市,達到智慧狀態,提高資源利用率和生產力水平, 改善人與自然間的關系。毫無疑問,如果物聯網時代來臨,人們的日常生活將發生翻天覆地的變化。然而,不談什么隱私權和輻射問題,單把所有物品都植入識別芯片這一點現在看來還不太現實。人們正走向物聯網時代，但這個過程可能需要很長一段時間。盡管如此,不管是國內還是國外,目前已經產生了一些成熟和先進的應用案例,如在門、窗、墻體上安裝物聯網傳感器,計算機系統對這些傳感器獲取的圖像、聲音、溫度、壓力、振動、紅外線等信息進行綜合處理分析,分辨出爬上墻的究竟是人還是貓狗等動物, 多種傳感手段組成一個協同系統后,可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。這一傳感網防入侵系統 ,目前已經應用在上海浦東國際機場和上海世博會,并計劃推廣到全國民用機場，由此可知, 基于物聯網的特點, 它將會在樓宇智能化方面最先得到普及應用。3. 物聯網特色的智能建筑系統下圖是智能建筑系統的方框圖:圖1 系統方框圖3.1. 系統組成3.1.1. 樓宇設備自動化系統( BAS) 樓宇設備自動化系統通常包括暖通空調、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統。根據我國的行業標準,BAS又可分為設備運行管理與監控子系統和消防與安全防范子系統。一般,這兩個子系統應統一組織,以便在發生災情時,能夠按照約定實現操作轉移,進行一體化的協調控制。BAS的功能有:1) 自動監視并控制各種機電設備的啟停,顯示或打印當前的運行狀態。如冷水機組正在運行時,冷卻泵出現故障,備用泵自動投入等。2) 自動檢測、顯示、打印各種設備的運行參數及其變化趨勢或歷史數據。如溫度、濕度、壓差、流量、電壓、電流、用電量等, 當參數超過正常范圍時,自動實現越限報警。3) 根據外界條件、環境因素、負載變化情況自動調節各種設備,使之始終運行在最佳狀態。如空調設備根據氣候變化,室內人員的多少自動調節,自動優化到既節約能源有感覺舒適的最佳狀態。4) 檢測并及時處理各種意外、突發事件。如檢測到停電、煤氣泄露等偶然事故時, 可按預先編制好的程序迅速進行處理, 避免事態擴大。5) 實現對大樓內各種機電設備的統一管理、協調控制。如火災發生時, 不僅僅是消防系統立即啟動投入運行, 而且整個大樓內所有有關系統都將自動轉換工作方式、系統工作: 供配電系統立即切斷普通電源, 確保消防電源; 空調系統自動停止通風, 啟動排煙風機; 電梯系統自動停止使用普通電梯并將其降至底層, 自動啟動消防電梯; 照明系統自動接通事故照明、避難引導燈; 廣播系統自動轉入緊急廣播、指揮安全疏散等。整個建筑設備自動化系統將自動實現一體化協調運轉, 以使火災的損失降到最小。6) 能源管理。自動對水、電、燃氣等的計量與收費, 實現能源管理自動化。7) 設備管理。包括設備檔案管理、設備運行報表和設備維修管理等。3.1.2. 通信網絡自動化系統( CNS) 通信網絡自動化系統是保證建筑物內語音、數據、圖像傳輸的基礎, 同時與外部通信網(如電話公網、數據網、計算機網、衛星以及廣電網)相連, 與世界各地互通信息。通信網絡系統的設計應滿足樓宇設備自動化系統和辦公自動化系統的要求, 并能適應現代通信網向數字化、智能化、寬帶化及個人化發展的趨勢, 向使用者提供快捷、有效、安全及可靠的信息通信服務。3.1.3. 辦公自動化系統( OAS) 辦公自動化系統利用計算機網絡技術使信息以數字化的形式在系統中存儲和流動, 并通過軟件系統管理各種設備自動地按照協議配合工作, 使辦公人員盡可能充分地利用信息資源, 改善工作效率和質量, 提高管理和決策的科學化水平。OA包括電子數據處理(EDP)、信息系統管理(MIS)、決策支持(DSS)等子系統。3.1.4. 住宅小區智能化系統住宅小區智能化系統具有以下的一些功能特征:1) 住宅內部具備完善的、綜合了安保防災措施與生活服務的智能控制器。2) 住宅小區與社會之間具有高度的信息交互能力。3) 小區內部具有完善的安保措施、全面的公用設施監控管理和信息化的社區服務管理。4) 為小區內住戶提供多媒體的多種信息服務。 總之, 智能住宅小區綜合運用了計算機技術、通信技術、控制技術等, 是由家庭智能控制系統、通信接入網、小區安全防范系統、小區物業管理服務系統和小區綜合信息服務系統來支持實現的。3.2. 目前存在的問題 目前, 國內通用的樓宇智能系統大多是通過多個獨立的子系統來滿足智能化的要求。每個子系統各自為政,有獨立的傳感器、獨立的控制器, 甚至后臺的管理系統都是獨立的, 缺乏總體集成的概念和系統發展的考慮。 如此自然帶來了以下若干問題:1) 初期建設成本高, 因為每個系統的部件都不能共享, 不能融合, 必然導致整體建設成本居高不下。在各個子系統的建設過程中, 廠商們習慣從各自利益出發, 在接口上互相扯皮, 容易耽誤工期。施工工期長,工程造價高, 各個子系統采用不同的布線和施工方案, 布線一般采用有線形式, 重復布線與重復施工, 使得施工量加大, 施工工期延長; 各系統協同工作及其相互聯動變得更加困難, 并且都需通過后期定制軟件來完成, 使得調試周期延長。整合困難, 難以實現真正的智能化。不同供應商的產品如門禁、報警、空調、智能照明、一卡通等系統進行系統集成時, 由于沒有開放的協議, 沒有統一的接口和數據庫, 使得技術協調變得困難, 甚至無法達到用戶的智能化要求。2) 管理及維護成本高, 因為每個系統都要不同的人員去管理, 需要不同的技能, 所以在管理方面, 會帶來許多額外的開銷; 每個子系統都得單獨維護系統, 不能統一遠程校調、維護。系統維護困難, 使用成本高。不同廠家的設備使用不同的通訊總線和通訊協議, 系統及設備相互兼容性差;各家使用不同的布線方案, 不但造成重復布線施工的材料浪費, 而且還使得系統之間的聯動、數據資源共享等用戶的人性化操作需求的實現變得困難或難以實現, 并增加了系統的使用和維護成本。3) 系統擴展性降低, 使用不方便。 用戶在后期要增加新的子系統及設備, 需重新進行布線施工和調試系統, 擴展性降低; 用戶需學習各個系統的不同的使用方法及進入運行多個不同的軟件, 系統的聯動及關聯操作需在每個系統重復設置, 使用極不方便。軟件定制集成, 不可靠難實時。弱電各子系統之間的聯動需要專門定制, 信息需經過交換機等商用級網絡路由, 再通過WINDWOS等軟件平臺交換信息, 環節多, 易受病毒、軟件可靠性等影響, 很難實時靠地進行多系統聯動。3.3. 物聯網特色的樓宇智能化系統 物聯網技術的引入, 將使樓宇智能化系統發生根本性的改變, 表現在如下幾個方面:1) 作為管控對象的物本身更加智能化。物內部被植入智能芯片, 使得其功能發生質的飛躍, 具備前所未有的感知功能。如普通的傳感器智能接收信息, 對信息進行簡單的變換, 而帶智能芯片的傳感器, 能對信息進行復雜的計算處理, 并自行作出一些動作。2) 任何作為物的對象都可以列為管控的目標。以RF ID作為基本技術支撐, 任何物品、動植物、人理論上都可以根據需要, 通過貼上電子標簽 、植入芯片等, 稱為物聯網的組成部分之一。3) 充分發揮物聯網開放性的基本特點。傳統的樓宇智能化系統是自成一體的獨立封閉的系統, 而物聯網是開放的, 具有無限擴展性和連通性。采用這一技術, 可以在世界上具備互聯網接入條件的任一地點, 與自己的物聯網相連, 實現信息交互功能。4) 工程建設更加簡易。物聯網采用互聯網技術, 而目前互聯網已經是最成熟、應用最為廣泛的網絡技術, 其底層連接方式靈活多樣, 各家公司的不同產品只要遵循共同的標準即可實現互聯互通。最高層的應用也豐富多彩, 各種軟硬件應用已經瀚如煙海, 開發人員具備成熟的技術積累, 終端用戶能享受到各種便利。5) 功能更加強大和細致, 讓生活更加舒適, 人與自然更加和諧。4. 面臨和有待解決的問題 物聯網技術目前還處于剛開始應用的初級階段, 但有些問題已經浮出水面, 主要有:1) 安全性問題。目前的網絡上的各種病毒、木馬攻擊已經非常普遍, 物聯網的安全問題將非常突出, 應建立一系列可靠的安全防范機制和技術措施。2) 技術標準問題。現在物聯網發展產業還處于初級階段, 還存在著各種問題, 比如行業標準和核心技術推廣, 缺乏協調統一, 技術標準繁雜嚴重阻礙它的發展。可喜的是中國物聯網標準聯合工作組已經于2010年6月8日在北京成立。物聯網標準聯合工作組由全國工業過程測量和控制標準化技術委員會等19家相關標準化組織發起成立, 還包括12家觀察員單位。聯合工作組的成立, 將改變各自為戰、互不兼容的局面, 強化頂層設計和統籌協調, 加快建設資源共享、互聯互通、統一規范的物聯網標準體系。5. 結束語物聯網技術已經受到廣泛的重視, 被提高到國家戰略的高度, 同時也被認為是繼計算機、互聯網之后, 世界信息產業的第三次浪潮和新經濟增長的引擎。盡管它的應用還處在剛開始的初級階段, 但在智能樓宇方面卻已經初見成效。物聯網技術有助于建立一個更加安全、舒適、和諧的人居環境, 具有良好的發展前景。參考文獻1 作者：沈瑞珠, 楊連武. 樓宇