基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能樓宇管理系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能樓宇管理系統(tǒng)

摘要：智能樓宇已成為現(xiàn)代智能化建筑的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，給智能樓宇增添了新的活力。文中就物聯(lián)網(wǎng)中的RFID射頻識別、無線傳感網(wǎng)等技術(shù)在智能樓宇中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并介紹了智能樓宇的五大子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能樓宇；RFID技術(shù)；無線傳感網(wǎng)

0引言

“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已在各個(gè)領(lǐng)域推動著產(chǎn)業(yè)的升級。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是集多專業(yè)交叉復(fù)合的技術(shù)，核心技術(shù)主要包括傳感器、無線傳感網(wǎng)、射頻識別、智能處理等技術(shù)。目前在現(xiàn)代物流、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的效益。

智能樓宇是指利用系統(tǒng)集成方法，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)與建筑技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過對設(shè)備的自動監(jiān)控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務(wù)及其與建筑的優(yōu)化組合，所獲得的投資合理、適合信息社會需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點(diǎn)的建筑物。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到了各行各業(yè)，推動著對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和改造。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升智能樓宇建設(shè)也是發(fā)展的必然。

經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的升級改造，智能樓宇將有4大特性：智能化，由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又悄艿墓ぞ?信息化，提供全方位的信息交換功能，幫助樓宇內(nèi)單位與外部保持信息交流暢通;可視化，將室內(nèi)CO2濃度、煤氣濃度、光照、溫度等不可見狀態(tài)通過數(shù)據(jù)可視化的形式清晰明了地呈現(xiàn)給用戶，讓用戶對樓宇內(nèi)狀態(tài)有更加直觀的感受；人性化，強(qiáng)調(diào)人的主觀能動性，重視人與環(huán)境的協(xié)調(diào)，使用戶能隨時(shí)、隨地、隨心的控制樓宇內(nèi)的生活和工作環(huán)境。

1系統(tǒng)主要功能和架構(gòu)

1.1主要功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇管理系統(tǒng)主要由樓宇人員管理追蹤和人員室內(nèi)定位系統(tǒng)、樓宇設(shè)備智能控制系統(tǒng)、樓宇環(huán)境智能控制系統(tǒng)、智能無線視頻實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、智能樓宇停車定位及引導(dǎo)系統(tǒng)等五大部分組成。其具體功能有：

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測室內(nèi)的有毒氣體濃度、CO2濃度、濕度、溫度、光照強(qiáng)度等環(huán)境指標(biāo)，并能實(shí)時(shí)地將這些數(shù)據(jù)以可視化的方式展示給用戶。

數(shù)據(jù)收集及保存

將室內(nèi)布置的各種傳感器收集到的數(shù)據(jù)和各個(gè)智能設(shè)備自身的數(shù)據(jù)上傳到后臺數(shù)據(jù)中心存儲備份。

(3)智能用戶控制

通過智能手機(jī)等移動終端在室外通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的方式來操縱室中的各種智能設(shè)備，比如控制空調(diào)的溫度、窗簾的開合、燈光的亮滅等。

智能感知控制

根據(jù)室內(nèi)感知到的數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)用戶的當(dāng)前位置和狀態(tài)，智能地控制室內(nèi)各種設(shè)備，調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境達(dá)到用戶最舒適、便捷、安全的要求。

智能安防系統(tǒng)

智能樓宇提供自動分級安防模塊，根據(jù)用戶的當(dāng)前位置和活動狀態(tài)，提供不同安全等級的安防服務(wù)，達(dá)到節(jié)能、安全兩不誤。

(6)智能停車系統(tǒng)

廉價(jià)、小巧、低功耗的無線傳感節(jié)點(diǎn)(如無線弱磁傳感節(jié)點(diǎn)、無線超聲波測距節(jié)點(diǎn)、無線紅外節(jié)點(diǎn)等)作為基本感知節(jié)點(diǎn)，通過大規(guī)模布設(shè)，達(dá)到全方位、全天候精準(zhǔn)檢測車位使用情況；信息可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布至電子路牌、電腦、智能手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)終端,擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，可為不同層次用戶提供優(yōu)質(zhì)車位信息服務(wù)。

1.2系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇在技術(shù)層面分為5個(gè)層次：感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支持層和應(yīng)用層。

感知層:為智能樓宇提供最基礎(chǔ)最底層的數(shù)據(jù)感知功能，讓智能樓宇能夠“感覺到”室內(nèi)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴；

接入層：通過不同傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)終端機(jī)頂盒與各用戶終端（手機(jī)、平板等）、智能樓宇感知設(shè)備和智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。接入層終端通過樓宇網(wǎng)關(guān)Web方式）與網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；

網(wǎng)絡(luò)層:通過因特網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層為智能樓宇、支持層數(shù)據(jù)中心以及第三方（如醫(yī)療機(jī)構(gòu)、安保機(jī)構(gòu)等）進(jìn)行互聯(lián)，允許各方進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

支持層:為智能樓宇提供數(shù)據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)保存功能，為后續(xù)的數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用提供實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)；

應(yīng)用層：為用戶提供簡潔易用、美觀可視、隨時(shí)隨地的用戶應(yīng)用，結(jié)合用戶控制和智能控制，為用戶提供舒適、健康、人性、安全的生活。

2樓宇人員管理追蹤和人員室內(nèi)定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括以下主要幾個(gè)功能模塊：人員出入管理系統(tǒng)、辦公人員定位系統(tǒng)、訪客管理系統(tǒng)等。

2.1人員出入管理系統(tǒng)

在樓宇入口處設(shè)置開放式通道，每一個(gè)進(jìn)入樓宇的人員必須佩帶無線胸卡才能通過，每個(gè)卡上可以設(shè)置各持卡人的身份信息，當(dāng)持卡人通過通道時(shí)就會在相應(yīng)的顯示器中列出進(jìn)入樓宇區(qū)域人員的歡迎信息，無需停留，自動識別人員，快速而且智能化。如果有非法人員進(jìn)入樓宇區(qū)域，此通道會自動報(bào)警，有效阻止非授權(quán)人員進(jìn)入，提高樓宇區(qū)域的安全性。在樓宇區(qū)域的電梯口及樓梯口設(shè)置隱藏式通道，如果有非法人員或外來人員未經(jīng)登記進(jìn)入該通道后，此通道會自動報(bào)警,有效阻止非授權(quán)人員進(jìn)入。

該系統(tǒng)主要由天線、讀寫器、聲光指示模塊、紅外模塊和用戶身份識別卡（電子標(biāo)簽）等部分組成?？煽焖僮R別用戶佩戴的身份識別卡，同時(shí)判斷該用戶的進(jìn)出情況，當(dāng)無卡用戶通過時(shí)可發(fā)出聲光報(bào)警；身份識別卡由專用發(fā)卡器寫入個(gè)人信息。發(fā)卡器是一款桌面式RFID讀寫器，可讀寫符合ISO/IEC15693國際標(biāo)準(zhǔn)的射頻卡及ISO/IEC14443typeA類卡，通過網(wǎng)絡(luò)與樓宇管理中心聯(lián)接，主要用于發(fā)卡操作。

2.2訪客管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手寫來訪登記，實(shí)現(xiàn)訪客登記、管理一體化，達(dá)到“數(shù)字化登記、網(wǎng)絡(luò)化辦公、安全化管理”的效果，和開放式門禁、通道控制等系統(tǒng)集成后，形成人員進(jìn)出管理、員工考勤及一卡通的全面解決方案。通過發(fā)卡器臨時(shí)發(fā)放ID卡后，訪客就可以通過出入通道到相關(guān)樓層訪問樓宇內(nèi)人員，如果該訪客達(dá)到非指定樓層時(shí)系統(tǒng)即進(jìn)行報(bào)警,讓保安人員能夠?qū)崟r(shí)了解該人員的動態(tài)，保證樓宇財(cái)產(chǎn)的安全。

2.3人員定位系統(tǒng)

定位技術(shù)是比較復(fù)雜的技術(shù)。RFID射頻識別技術(shù)本身具有一定的目標(biāo)定位能力，但是這種方式很難做到實(shí)用。主動式RFID定位技術(shù)定位準(zhǔn)確，通信距離長，因此采用主動RFID標(biāo)簽，結(jié)合“信號指紋”的方法來實(shí)現(xiàn)對人員的定位功能。系統(tǒng)由主動式RFID標(biāo)簽、天線、RFID閱讀器和相應(yīng)的軟件組成。

基于“信號指紋”的定位方法具體包括3個(gè)方面：部署場地規(guī)劃、信號指紋庫采集、信號指紋匹配。

在基于“信號指紋”的定位方法中，首先要做的便是對部署場地進(jìn)行規(guī)劃。即確定每臺接收機(jī)（天線、RFID閱讀器）所處的位置并進(jìn)行記錄。系統(tǒng)在樓宇區(qū)域的四周部署信號接收機(jī)。部署密度需達(dá)到在區(qū)域內(nèi)的任何點(diǎn)發(fā)送的信號可以被3個(gè)或者3個(gè)以上的接收機(jī)所接收到的要求。由于每臺接收機(jī)所覆蓋的面積有限，因此可以通過單個(gè)接收機(jī)所處的位置得到信號源（主動RFIDtag）所處的位置，這個(gè)大致的區(qū)域被稱為母區(qū)，例如所在樓層、所屬房間等。

在部署接收機(jī)之后，需要進(jìn)行信號指紋的采集（訓(xùn)練階段）。具體方法是首先對需要定位的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，通常采用1mX1m的區(qū)域作為網(wǎng)格的最小單元。之后測量人員佩戴一個(gè)RFID標(biāo)簽，以網(wǎng)格為單位，在每一個(gè)網(wǎng)格中停留一段時(shí)間（通常選取1min）同時(shí)，另外一個(gè)工作人員記錄下接收到該標(biāo)簽的信號機(jī)的編號，以及這幾個(gè)信號機(jī)接收到該主動式RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號對應(yīng)的信號強(qiáng)度。處在不同網(wǎng)格中的主動式RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號會被不同的接收機(jī)所接收。并且即使相鄰位置處可以被相同的接收機(jī)接收到，由于距離這幾個(gè)接收機(jī)的距離發(fā)生了變化，因此接收信號會產(chǎn)生衰減。造成在這兩個(gè)相鄰位置處不同接收機(jī)測量的信號強(qiáng)度不同。我們將不同接收機(jī)測量到的主動標(biāo)簽發(fā)出信號的信號強(qiáng)度作為該主動標(biāo)簽在該位置處的“指紋”，并存入數(shù)據(jù)庫中。在訓(xùn)練階段,為了避免接收機(jī)異質(zhì)（不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品或者相同生產(chǎn)廠家相同產(chǎn)品但是由于生產(chǎn)工藝造成的性質(zhì)不同）帶來的信號不一致，收集指紋時(shí)必須過濾噪聲并采用連接測量的方式記錄所有接收機(jī)的信號指紋。在整個(gè)信號指紋庫采集工作完成之后,系統(tǒng)便可以得到區(qū)域任意位置的信號指紋。

在信號指紋匹配階段（查詢階段），位置服務(wù)器首先確定該人員所處的母區(qū)，即大致位置。然后根據(jù)接收到該標(biāo)簽的接收機(jī)編號，以及接收機(jī)接收到信號的強(qiáng)度在位置服務(wù)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配。最終返回相應(yīng)的地理位置信息作為該標(biāo)簽所在的實(shí)時(shí)位置。在查詢階段，指紋匹配采用帶權(quán)重的k近鄰算法。該方法可以有效避免異常信號測量值造成的巨大定位誤差，提高定位系統(tǒng)的精度和魯棒性。

3樓宇設(shè)備智能控制系統(tǒng)

通過物聯(lián)網(wǎng)在線控制技術(shù)，對樓宇內(nèi)部的各種設(shè)備進(jìn)行智能控制。通過手機(jī)或其他移動智能設(shè)備就可以控制各種設(shè)備的開啟、調(diào)整和開閉操作。圖1所示是其系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)只需利用智能手機(jī)，就能管理控制樓宇內(nèi)部的各種設(shè)備。例如照明、空調(diào)、窗簾等。管理簡單、方便、省時(shí)又靈活。

整個(gè)系統(tǒng)包括智能窗簾、燈光亮度控制單元、智能開關(guān)、空調(diào)等的控制單元。這些控制單元對樓宇中常用的電器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與室內(nèi)主控單元互聯(lián)互通（主控單元可以是固定的PC機(jī)也可以是用戶手持的PDA或手機(jī)），形成一個(gè)綠色智能的網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以自由操縱室內(nèi)的各種電器，真正成為生活的主人。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇組網(wǎng)采用分層體系架構(gòu)，同樣可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、融合服務(wù)層3個(gè)層面：

智能樓宇感知層：包括了各種與電器相關(guān)的傳感器、控制器、執(zhí)行器及識別裝置等，以及有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合無線泛在網(wǎng)絡(luò)的物理連接。這一層還包括不同接入方式的MAC子層和鏈路控制子層，對上層網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的差異；進(jìn)行不同形式樓宇通信網(wǎng)絡(luò)間的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）映射，以支持不同網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行方便互通；支持動態(tài)智能的有線及多種無線網(wǎng)絡(luò)的接入及選擇；

智能樓宇網(wǎng)絡(luò)層:主要包括樓宇內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)絡(luò)接入兩個(gè)部分。樓宇內(nèi)部組網(wǎng)支持的有線方式包括：以太網(wǎng)、串行總線USB1.1、USB2.0和IEEE1394等；無線方式包括：無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、紅外、ZigBee等。網(wǎng)絡(luò)接入層通過家庭網(wǎng)關(guān)與業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用協(xié)議規(guī)范的互聯(lián)互通互操作，并與骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫連接；

智能樓宇服務(wù)層：以用戶為中心的融合業(yè)務(wù)層，提供用戶接口和不同制式的智能樓宇服務(wù)。通過智能樓宇組網(wǎng)多層協(xié)作的自適應(yīng)QoS,自適應(yīng)匹配異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備，充分保證端到端的媒體、語音等多種業(yè)務(wù)的服務(wù)。

4樓宇環(huán)境智能控制系統(tǒng)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要用于室內(nèi)環(huán)境等相關(guān)監(jiān)控?？梢员O(jiān)控的參數(shù)有溫濕度、光照、粉塵、輻射、CO2等。

環(huán)境感知系統(tǒng)包括四大部分：信息采集（節(jié)點(diǎn)），用于感知數(shù)據(jù)獲取，傳輸；網(wǎng)關(guān)（節(jié)點(diǎn)），用于區(qū)域數(shù)據(jù)收集，互聯(lián)網(wǎng)接入，區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)配置；數(shù)據(jù)中心，用于據(jù)處理、存儲;移動智能設(shè)備用戶接口，用于用戶查看信息，用戶與系統(tǒng)交互。系統(tǒng)框架如圖2所示。

系統(tǒng)的核心模塊是智能感知節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用低功耗ZigBee無線射頻芯片及16位RISC指令集MCU和多種類型的傳感器組成。MCU采用TIMSP430F1611，具有48KBROM、10KBRAM、1MBFLASH。射頻芯片采用TICC2420，利用2.4GHz~2.4835GHz頻段，實(shí)現(xiàn)250Kb/s通信速率，室內(nèi)40m左右室外100m左右的通信距離。

通過智能感知節(jié)點(diǎn)獲取的各類信息，經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚進(jìn)入網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入樓宇信息管理中心，并得到基于Web的數(shù)據(jù)服務(wù)（感知服務(wù)）。

5智能無線視頻實(shí)時(shí)控制

利用無線智能攝像頭、智能視頻數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和智能終端信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無間斷的視頻監(jiān)控和事件監(jiān)測、報(bào)警,同時(shí)讓各類移動終端能實(shí)時(shí)獲取到視頻數(shù)據(jù)和事件通知。其功能服務(wù)模塊可以分為全天視頻監(jiān)控和智能視頻數(shù)據(jù)中心兩部分。

無線視頻監(jiān)控設(shè)備可以方便地提供不間斷視頻監(jiān)控。所有感知和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過AP匯聚到樓宇管理信息中心，在信息中心對監(jiān)控信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、智能分析、事件記錄、報(bào)警,并為各種終端（PC、移動智能終端、手持設(shè)備等）提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)；所有視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后都將在信息中心進(jìn)行存檔，并提供快捷歷史數(shù)據(jù)查詢。智能移動設(shè)備和無線手持終端可以接入訪問任何智能攝像頭數(shù)據(jù)，查看傳感器感知數(shù)據(jù)。

6智能樓宇停車定位及引導(dǎo)

隨著汽車保有量的迅速增加，而車位規(guī)劃滯后與機(jī)動車數(shù)量急劇增加的矛盾日益嚴(yán)重，停車位的有效管理及使用與人們的日常生活息息相關(guān)。傳統(tǒng)的人工管理不僅成本高，而且管理效果及質(zhì)量卻并不突出。采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能化的停車位監(jiān)控系統(tǒng)，將極大提高車位的利用率和管理質(zhì)量。

停車位監(jiān)控系統(tǒng)由HMC5883L三軸磁阻傳感器、低功耗ZigBee無線射頻芯片及16位RISC指令集MCU組成。MCU采用TIMSP430F5137,有32KBROM、4KBRAM、1MBFLASH,射頻芯片采用TICC1100,利用433MHz?915MHz頻段，實(shí)現(xiàn)500?600(戶外)通信距離。通過檢測車輛引起地磁的微弱變化實(shí)現(xiàn)停車位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備不僅檢測當(dāng)前狀態(tài)下該停車位是否有車輛停泊,還會與周圍停車位的監(jiān)控設(shè)備共享數(shù)據(jù)，利用無線傳感網(wǎng)的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的監(jiān)控和車輛在停車場行駛過程中的路徑跟蹤，從而達(dá)到最優(yōu)化的車位選擇及車輛引導(dǎo)。通過監(jiān)控設(shè)備還可以獲取車輛進(jìn)出時(shí)間和車輛停泊時(shí)間，為收費(fèi)提供依據(jù)。

7結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國家的大力推動下發(fā)展迅速，而且在各行各業(yè)得到了應(yīng)用。智能樓宇在近些年來得以較快發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能樓宇的結(jié)合，必定將加快智能樓宇的發(fā)展，同時(shí)也推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本身的進(jìn)步。

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