基于物联网的智能建筑集成系统技术方案与实现

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论文摘要

  随着当今社会科技与经济的快速发展,现代人对居住环境提出了更高的要求,关注点也由物理空间的大小转向居住环境的安全、舒适与健康,因此对建筑设施实施智能化管理,提高居住环境的安全性、便利性以及舒适性的智能建筑应运而生。智能建筑主要包括 3 大系统,建筑设备自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS),3 大系统又包含多个功能不同的子系统。

  长期以来,在建筑过程中的各个子系统常常是单独安装,各个系统之间不能互联互融,存在着重复建设、费用高、效果差等问题。系统集成能对智能建筑中的各个不同子系统进行有机协调,实现系统的综合与高效。本文基于子系统平等的模式,采用物联网技术,感知智能家居及公共设备节点数据,通过以太网接入系统管理平台,将各个子系统进行集成,实施统一的管理和监控,使其协调工作,完成信息采集处理、通信管理、存储查询、监视控制、用户 Web 交互和智能家居远程控制等功能。

  1 物联网技术与智能建筑

  物联网是将各种信息传感设备与互联网相衔接,实现智能化的识别和管理的一项新技术。物联网系统构架主要有应用层、网络层和物理层 3 个层次。应用层体现物联网系统的功能及服务要求;网络层是物联网系统实现信息传递的网络基础;物理层则是物联网与服务对象连接与交互的底层环境。

  智能建筑是集建筑技术、检测技术、计算机技术、通信技术、控制技术之大成的产物,它以建筑为平台,通过对建筑物的结构、系统、服务和管理 4 个基本要素以及它们之间的内在联系,为使用者提供一个安全舒适、高效便捷、健康环保、人性化的建筑环境。我国当前建筑智能化控制体系的理论基础较为薄弱,实践操作也不够完善,致使智能建筑的控制体系未能得到充分发挥。

  基于物联网技术的智能建筑正处在发展的初级阶段,尚缺少国家的统一标准。基于物联网技术的智能工业、智能环保与智能交通等大型示范工程,为智能建筑发展提供了明确的导向。根据物联网自身的特征和建筑智能化的需求,物联网可以为智能建筑提供信息、操作、安全、管理等服务。

  基于物联网技术的智能建筑集成,使各子系统间达到充分的信息共享与控制协同,实现建筑上的真正“智能”。

  2 智能建筑集成系统技术方案

  2.1 智能建筑集成系统总体设计

  智 能 建 筑 集 成 系 统 基 于 国 际 电 信 联 盟(international telecommunication union,ITU)的 5层架构设计,自下而上依次为感知层、接入层、互联网层、管理层和应用层,如图 1 所示。系统采用WiFi 和 ZigBee 无线网络通信方式汇聚智能家居与公共设备的感知节点数据,汇聚节点接入以太网将数据接入系统管理平台,并通过 Web 发布及交互实现信息共享与智能家居远程控制。感知层基于信号检测技术,采用 WiFi、Zigbee无线通信方式,实现对用户智能家居信息、公用设备信息、公用安全信息的实时采集与汇总,通过接入层通信链路的路由器接入智能小区以太网,并统一汇聚数据信息至管理层,管理层中具有智能信息管理、小区安全管理、智能家居信息管理 3 类管理平台,承担智能小区公共设备、信息、安全、用户智能家居的协同管理。管理层中智能小区信息管理自动化平台采用网络数据库共享方式,实现智能家居信息管理系统与智能小区安全管理平台的感知数据信息共享,智能建筑的数据管理服务器通过对用户智能家居各用电设备状态及遥控开关指令进行汇总与分发,实现智能用电器状态监测与远程遥控。用户可以基于 Internet 和系统的 Web 发布功能,访问信息管理系统,在用户进行登录和身份验证后,可获取访问权限,通过 Web 页面访问该用户的智能家居各用电设备状态及安防状态,并以交互式指令通过 Web 页面进行智能家居的网络远程控制。
  
  2.2 智能建筑集成系统的分层设计

  (1)感知层。感知层的主要设备是负责感知智能建筑的公共设备和用户智能家居系统的检测与控制终端,如智能照明监测控制器,智能空调检测器、三表检测终端等,具有参数检测、无线通信及指令控制功能。感知层设备通过无线传感器网络发送所采集到的设备终端信息,各类终端就近安装于各建筑运行设备及用电器等被监测设备位置,其主要任务是采集设备参数及运行状态,各个设备通过WiFi 和 ZigBee 无线网络传送给物联网节点,并经由汇聚节点及网络层传送至管理计算机;并可根据管理层发来的控制指令进行用电器的控制操作。

  针对监测终端数量大和分布分散的特点,根据终端所监测设备的类型及位置配置不同组网通信方式,如公共设备监测终端设计为配置于配电箱及具有RJ-45网络接口的位置,通过局域网汇聚数据,有些监测终端位置如智能家居终端不便于布线,则采用具备自动组网与自主路由功能的无线传感器网络将终端接入到物联网节点,无线传感器网络采用 IEEE 802.15.4 无线通信标准,具有成本低、配置灵活等特点,满足智能设备的监测参数与指令参数的传输,因此,系统采用基于 IEEE 802.15.4 标准的无线网络作为监测终端与物联网节点之间的无线通信网络,结合有线局域网构成感知监测与通信的物理链路。

  (2)接入层。接入层主要负责将感知层的各个监测终端数据通过局域网最终连接至互联网,从而完成物联网节点数据到互联网层的数据信息交互。

  物联网感知节点已通过 WiFi、ZigBee 组网方式接入到汇聚节点,在接入层中采用以太网作为物联网汇聚节点与互联网层数据传输连接的中间网络,物联网汇聚节点直接接入以太网。由于以太网具有传输速率高、距离远,接入灵活等优势,且布设及运行成本较低,目前建筑中多采用以太网接入互联网的方式,因此在接入层直接利用智能建筑中广泛分布于各个房间的以太网接口,经路由和交换完成与管理层服务器的数据通信。

  (3)互联网层。互联网层设备主要包括智能建筑的光纤、光交换机及各层网络的路由器和交换机等通用网络设备和节点,实现智能建筑局域网最终接入到互联网。从而支持系统信息数据传输至Internet 进行数据共享与交互提供平台。

  (4)管理层。管理层设备包括运行智能小区安全自动化平台、信息管理自动化平台、智能家居管理系统的服务器及其软件平台。包括数据库服务器、应用服务器和 Web 服务器。应用服务器通过网络通信对物联网设备信息、视频监控信息、公用设备信息及智能家居设备信息等进行监测与管理,实现小区安全自动化管理、信息自动化管理、智能家居信息管理功能,并将信息数据存储于数据库服务器。Web 服务器作为与用户交互的接口,负责将各类信息数据发布至互联网,便于用户通过 Web 浏览器实现相关信息查询交互、实现信息共享与智能家居远程控制。

  (5)应用层。应用层主要面向公共信息管理和用户智能家居、用户安全、安防等各类应用服务。

  该层主要包括各种计算机终端、笔记本电脑以及智能手机。主要功能是通过 Web 浏览器实现用户与系统的远程数据交互,实现用户的智能建筑数据查询、安防状态显示与智能家居远程控制等功能。用户在登录授权后可访问用户智能家居设备及安防信息、公共安全及公共信息等数据的查询及图形化显示,授权用户可通过 Web 页面及智能手机客户端的应用程序进行智能家居的远程操作。

  3 智能建筑集成系统设计

  根据小区智能建筑的功能需求,基于物联网技术,对各个子系统进行有效集成,建立小区两大平台和用户智能家居系统,实现了小区的安全防范、信息管理及智能家居的统一与交互。

  3.1 智能小区安全自动化平台

  该平台对小区内的各种安全信息进行实时采集及监控,按照其完成的功能分为视频监控、门禁、防盗、紧急救助、保安巡视和公共信息报警等 6 大系统。

  (1)视频监控系统。在小区的各个出入口、住宅单元入口、主要路段、围墙以及停车场等地,装设监控摄像头,工作主机采用双机热备、自动切换,摄像机 24 h 工作,录像画面循环存储 72 h,以便随时调用。

  (2)门禁系统。在小区门、住宅单元门以及停车场出入口等位置安装门磁,当有人非法打开时,启动视频监控系统的跟踪功能,同时将相关信息传送到控制中心。

  (3)防盗系统。在小区围墙、无人值守的出入口及护栏、住户的门窗等位置装设红外线对射装置,当有人非法进入时,自动触发报警装置,启动视频监控系统的跟踪功能,并将相关信息传送到控制中心。

  (4)紧急救助系统。小区指定地点及业主家中装设紧急救助按钮,若有紧急情况,可按动紧急按钮发出求救信号,值班人员接到求救后赶赴现场进行救助。

  (5)保安巡视系统。在小区的适当位置安装巡更签到器,保安人员须配带签到器,沿巡视路线和巡视时间进行小区和周边的巡视,在控制中心的电子地图上显示保安人员的位置,监督保安人员的工作,并随时保持对讲机联络。

  (6)公共信息报警系统。小区内的所有安全信息均汇集到该系统,系统对安全信息进行记录并处理。例如在电子地图上显示出何位置发生何种类型的报警,自动启动相应的联动设备,指导工作人员如何采取相应措施等。

  3.2 信息管理自动化平台

  信息管理自动化平台对小区公共设备管理、智能家居、三表计量以及网络信息等功能进行统一管理,为用户提供全方位的信息服务。

  (1)小区设备信息管理。采集小区内设备运行的相关信息并进行统一管理,使控制中心及业主可以随时查询利用。主要包括有线电视系统、网络通讯系统、闭路监控系统、IC 卡管理系统、电梯系统、停车场管理、给排水系统、供电系统、公共广播等。

  (2)智能家居信息管理。该系统负责存储管理由智能家居系统上传的用户信息,以便于物业更好地为业主服务。

  (3)三表智能计量系统。将水、电和煤气的计量表数据自动远传到控制中心,进行统一管理,与银行系统联网,定期自动缴费,实现远程抄表与自动缴费相结合,用户可通过网络查询详情,也可直接到控制中心查询并打印清单。

  (4)网络信息交互系统。该系统为小区物业及业主提供交互平台,各种小区公告、安全警示、会议通知、业主的意见等均可通过该系统发布。

  3.3 智能家居系统

  用户对家居设施进行智能管理,实现安全、便利、舒适的家居环境。

  (1)智能照明控制系统。用户可以根据各自生活习惯,人性化地控制室内照明,如亮度自动调节、软启动、预置定时、场景设置等。

  (2)家居安防系统。室内发现异常后,发出警报声,并启动相关设备,自动向主人手机及小区控制中心发出报警信号。主要设备包括感温感烟探测器、红外探测器、摄像装置、有毒气体和可燃气体探测器、门磁系统、对讲系统、紧急呼叫按钮及一键报警电话等。

  (3)电器控制系统。完成对冰箱、电视、电饭煲、热水器、摄像机、电话、电脑及网络交换机等设备的起停控制。

  (4)环境控制系统。实现对室内的窗帘、通风、采暖、空调等设备的起停与调节控制。

  (5)远程监控系统。利用互联网和可视电话远程查看室内视频、室内及小区公共信息,利用室内无线、互联网和电话 3 种方式实现对室内设备的控制与调节。

  (6)信息交互系统。可查询小区发布的公告、安全警示、会议通知、小区公用设施运行状况等信息,也可发布信息。

  (7)智能化协同工作。负责管理各种设备之间相互协调。例如,红外探测器检测到有人闯入时,自动启动摄像、发出报警声、向主人和控制中心报警等;当打开采暖设备时,自动关闭空调;当检测到可燃性气体时,自动闭锁电饭煲、热水器等电器控制,防止产生电火花,同时打开通风设备并报警。

  4 结 论
  
  基于物联网技术,设计了一种基于 B/S 架构的智能建筑系统,系统根据智能建筑的实际功能需求,对智能建筑的各个管理子系统进行集成,将设备管理、信息采集与传输、信息共享、系统协调控制、远程监控和用户智能家居等融为一体,实现统一集成管理,实现智能建筑真正意义的集成管理,为用户提供安全便利、高效节能的家居环境。

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