基于物联网技术的建筑“绿衣”系统

林风人， 陶 珏

（福建工程学院 软件学院，福建 福州 350003）

0 引 言

随着工业化进程的不断推进，工业排放物引起的气候问题也愈发突出，全球性气候变暖正逐年加大，威胁着我们的生存环境。2013年初在全国范围内发生的PM2.5问题已经让人们意识到改善城市空气质量迫在眉睫。而改善空气最直接、最安全的手段就是增加植物的种植面积，通过植物来循环净化空气中的有害物质。人们迫切希望在城市中增加绿化面积，但城市用地十分紧张，为了满足城市绿化的需要同时又不占用宝贵的土地资源，建筑“绿衣”系统应运而生。中共十八大提出的“美丽中国”概念，为智能化建筑加入绿色新元素提供了机遇，在改善生活环境的同时，城市“绿衣”系统也起到装饰建筑的作用。绿色植物通过光合作用降低室内温度，减少空调使用，起到节能减排的效果，大量的植物又可以参与到空气循环净化机制中去，降低空气中的有害物质。文中提出“绿衣”系统概念，就是充分利用城市中大量的建筑表面可绿化面积，来解决城市绿化面积问题，同时提出建筑“绿衣”系统的解决方案。

0.1 研究现状

世界各国十分重视建筑立体绿化、垂直绿化和空中绿化，这已成为全世界绿色运动的一部分。1991年，日本东京都政府颁布城市绿化法律，规定在设计大楼时必须提出绿化计划书。日本在绿色屋顶建筑中，采用了许多新技术，例如，采用人工土壤、自动灌水装置，甚至研究了控制植物高度及根系深度的种植技术。2010年，上海世博会上的植物墙和屋顶绿化夺人眼球，虽然城市立体绿化演化出很多新的方式，但是仍然摆脱不了“人工”的控制。建筑上层的绿化植物维护起来相当困难。

目前，城市中已有不少相对成功的建筑立体式绿化。传统建筑立体绿化是将植物直接架构在建筑表面，对于植物的供给依然要靠人工实现，在低层建筑维护尚且容易，但高层建筑维护起来就相当困难了。41届上海世博会中展出的绿墙，其维护费用高达每月20万人民币，但因其维护困难，绿墙最终还是难以逃脱枯萎的命运。传统的建筑立体绿化已然无法长久地为城市建筑披上绿色外衣，更不能合理地利用建筑表面。

有文献研究，“十二五”期间，绿色建筑将从“启蒙”阶段迈向“快速发展”阶段，分析我国发展绿色建筑的意义和条件，从建筑单体、社区、城镇、城市等方面提出绿色建筑新建与改造、建筑工业化等方面的发展策略，并提出绿色建筑关键技术等内容［1］。从绿色建筑的评价标准、政策等方面分析绿色建筑的变化情况。研究表明，中国大陆的绿色建筑发展目前处于初级阶段［2］。

根据绿色建筑标准，通过模拟风、光、声、热环境，研究绿色建筑技术，包括采用自然通风、自然采光、温湿度独立控制、岗位送风、太阳能光伏发电等，建立一套适合城市建筑更新特点的绿色建筑技术体系［3］。

对于物联网技术，文献［4］讨论物联网技术在现代建筑行业的应用模式和发展前景，为城市的信息化起到推动作用。提出一种基于物联网的智能家居系统，利用无线传感器网络来采集家居内的环境、设备及人员信息，再将信息转发至服务器，用户通过浏览器便可以监控智能家居各个子系统的运行状况等［5］。

但是，这些文献中关于通过给建筑穿上绿衣，或者通过物联网技术给建筑安装可监控、可管理、自动化的植物形态，有关国内外文献少之又少。

0.2 给建筑穿“智能绿衣”

我国现有大量的即有建筑是依据过去建筑标准而建筑的建筑物，在自然的侵袭下已经面目全非。如果这些老旧的建筑“穿”上智能绿色外衣，让绿色植物附着在建筑表面，既能保护建筑体免受大自然的侵蚀，又能更好地降低建筑表面的温度，提高空气含氧量以及净化空气，建筑外衣又能把老旧不堪的建筑墙体变得焕然一新，使老旧的建筑重现生命力，展现出绿色生机。借助物联网技术将植物智能构建至建筑表面，能有效解决环境及空气污染问题。

采用物联网技术构建的绿衣，通过物联网技术对建筑上层植物绿化进行远程监控维护，为建筑立体绿化开启了新篇章。无论对于架构或是维护都会变得容易而且智能方便。人们可以通过传感器采集植物的生长状态并对植物进行控制和管理，将城市绿化上升至高科技层面。建筑有生命，给建筑穿智能绿衣，像人类一样通过衣着来改善自身容貌的同时，抵御自然界的侵袭以延长寿命。建筑绿衣不仅改善建筑的容貌，更重要的意义在于将植物通过物联网技术以衣服的形式贴合在建筑的表面。一座城市能给与我们提供的绿化土地面积是有限的，但是一座城市所提供的建筑表面积却非常可观。将建筑表面最大绿色化可以说是未来建筑的崭新主题，也是一种创新的理念。

0.3 研究内容

文中创新性地提出了城市绿衣理念以及给建筑穿绿衣的概念，同时设计基于物联网技术进行植物“绿衣”种植的思路、方法和结构模型，以及植物选择与植物生存环境控制。“绿管”技术是建筑绿衣系统的基础单元，建筑绿衣由大量“绿管”铺设管理而成，而城市绿衣则由大量独立单元的建筑绿衣组成，共同组建美丽中国的城市元素。

1 绿衣系统的物联网技术环境

1999年由麻省理工学院的Auto－ID实验室首次提出“物联网”的概念：采用无线传感器网络和射频识别技术，在物体上（如书籍、鞋、汽车部件）装上一种微小的识别装置，就可以随时获知物体的状态、位置等信息，实现物体的智能管理。1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议（MobiCom1999）上提出一个新的传感网［6］。同年，麻省理工学院Gershenfeld Neil教授出版专著［7］，标志物联网发展的开始。

物联网是互联网向物理世界延伸和拓展，实现任何物体之间，任何人在任何时间、任何地点以及任何途径、网络和任何设备的连接。以互联网为平台，将传感器节点、射频标签（RFID）等具有感知功能的信息网络整合起来，实现人类社会与物理系统的互联互通。

根据国际电信联盟的建议，物联网自底向上可以分为以下过程：感知、接入、互联网、服务管理、应用［8］。以传感网络为核心技术的物联网技术研究，推进了芯片设计、传感器、射频识别等技术的发展，与IP网络整合，并扩展服务管理层的信息资源，推动物联网在各个行业的应用，同时，开展相关标准的制定［9］。绿衣系统是个典型的农业、建筑的集成物联网技术应用。

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），又称电子标签、无线射频识别，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。主要包括RFID标签和阅读器，控制射频模块发射读取信号，处理标签的识别信息［10］。

美国加州草莓培育商Norcal Harvesting安装一套物联网系统对草莓的生产进行了实时追踪。系统能根据土壤、空气状况实现自动浇水温度调节。运用RFID相关技术设计智能支架，从而便于传感器网络节点部署、拓扑结构动态调整和管理，以适应不同植物和植物不同生长阶段［11］。

基于物联网技术的建筑“绿衣”系统，建立无线网络监控系统，核心控制系统为ARM9 S3C2410处理器及Linux系统的嵌入式系统，采用无线通讯技术，外网基于IP网络技术，以GPRS通讯系统为基础，内网采集网络系统基于ZigBee无线通信技术，通过传感器采集温度、湿度、风力、大气、降雨量等数据信息，监视植物灌溉情况，检测土壤和空气状况的变更，根据土壤及空气情况实现自动控制，为绿衣的生存环境进行综合的农业信息检测、环境控制以及智能管理，同时根据用户需求，随时进行远程处理。

2 建筑绿衣系统构建模型设计

2.1 “绿管”单元设计

“绿管”是建筑绿衣系统的基础结构单元，采用模块化分体设计，由前面板、培养基、供给装置3部分组成。植物在培养基中培育，传感器组直接放置植物根部，传感器组包含了湿度传感器、温度传感器、pH传感器、空气传感器等实时监控植物生长状况。传感器组采集到植物生长的数据后，通过RFID传送至采集设备后传输至上位机，经上位机软件自动控制或者用户手动控制后，控制供给装置，对植物生长进行统一的补给和管理。

温度、湿度、pH值、光、离子、CO2等各种传感器设备，检测环境中的温度、相对湿度、pH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理参数，采集并传输后作为参数汇总到自动控制系统中进行实时显示或自动控制，保证植物有一个良好的、适宜的生长环境。

雨水收集装置采用广口设计，能收集雨水并循环利用。电磁阀门通过信号控制器接收控制信号并控制水分供给。湿度传感器采集感应土壤水分，并在设定条件下与接收器通信，控制电磁阀门打开、关闭，达到自动节水灌溉的目的。

“绿管”的补给系统控制则采用电磁阀门控制方式，电磁阀门在未通电的情况下处于关闭状态，此时营养池中的营养液无法通过电磁阀门，所以停止对“绿管”进行补给，若下位机接收到上位机补给指令的通讯信号时，则进行通电操作，这时电磁阀门通电打开，供给池中的营养液和水分便可以从电磁阀门处通过对植物进行补给。

2.2 技术架构设计

“绿管”架构至建筑表面形成建筑的绿色外衣，形成建筑立体绿化。用户可以使用移动设备、WEB客户端对植物进行监控和管理。

根据目前探究探讨的物联网技术架构［12］，总体架构设计方案分为4层：感知层、传输层、应用层、用户层。感知层主要负责数据感知与采集；传输层主要负责感知与控制数据的传输；应用层主要负责感知数据的分析、统计，并进行及时预警、自动控制和科学决策，主要包括设施农业物联网云服务平台、两级监控中心、预警与控制决策系统［13］。总体架构如图1所示。

图1 建筑绿衣系统总体技术架构图

感知层是建筑绿衣系统的基础，用来获取绿管中的各种植物传感数据（温度、湿度、土壤有效成分等植物生长数据）。其各个节点均为智能传感节点，传感信息通过无线传输到上层网关接入点，由网关收集感应信息数据，并通过网络层提交到应用层进行处理。

网络层负责绿管采集传感信息的传输，通过移动无线网络和互联网将其传输至对应的数据处理中心，交由应用层进行对应的处理。

应用层是建筑绿衣系统的上层系统，主要实现传感数据的存储、查询、分析、理解、控制以及基于感知数据的应用和决策系统。

用户层是建筑绿衣系统的显示系统，通过移动设备、手机、电脑终端设备查询、显示绿管系统植物生存状态等，并可以手动或者自动控制各种指令，再通过应用层、网络层控制相应的电路连接以控制设备的工作［14］。

2.3 网络架构设计及控制方案

基于物联网的绿衣系统网络架构包括绿管部分、网络部分、控制中心部分和客户终端4部分，如图2所示。

每个“绿管”模块中部署各种类型的无线传感器，每个楼层或者多个楼层安装有若干个ZigBee监测网络，每个ZigBee监测网络有一个网关节点和若干个传感数据采集节点。监测网络采用星型网络结构，其中网关节点设置成为每个监测网络的基站，进行网络的协调、自动建立、维护、数据汇集等功能，同时也是监测网络与控制中心的双向通讯接口，进行数据采集通讯与控制指令的传递。ZigBee具有自组网功能，无线网关能自动监听到新增加的无线传感器，并把该无线传感节点信息发送到无线网关，更新路由表信息，以便进行组网信号采集。

无线网关连接ZigBee监测网络和GPRS网络，对无线传感器节点进行管理，自主形成一个多跳的网络。植物生长传感器将采集到的数据发送给自组网的ZigBee无线网关节点，再通过网关与Internet／GPRS连接，传给控制中心，控制中心将各种传感器采集到的植物生长数据汇总后传到应用服务中心。

应用服务中心收集传感器数据，并进行存储、分析、运算，根据预先设定的控制数据进行自动的数据处理与指令传达，或者对数据进行分析处理，给出相应的操作提示。

建筑绿衣系统的管理人员和操作人员，可以通过互联网或者GPRS网络系统，使用终端计算机或移动设备如手机等，从应用中心远程获取各种数据和应用服务，并通过绿衣系统内的各种智能控制系统远程对绿管系统进行控制和调整，根据参数变化适时调整水分、营养液或者温度等基础控制设施，确保绿管内植物的生长环境［14］。

图2 建筑绿衣系统网络拓扑结构图

建筑绿衣系统的软件系统包括植物生长环境监测系统、远程作业管理系统、远程视频监控系统、实时数据分析系统等功能。植物生长环境监测系统实现感知层的各种传感器的实时采集与监测，分析与计算，并根据预设指标对现场的环境，通过现场控制器对调控实现智能、自动的环境监控。

远程作业管理系统是对绿管内的执行装置如光照、温度、湿度、灌溉、营养液等装置进行设备机电一体化改造，并通过网络系统，用户可以通过手机、电脑设备进行远程作业操作。远程视频监控可以通过操作云台监控绿管的外部环境；实时数据分析系统以图表形式自动实时显示在用户集中控制屏幕上。

2.4 植物选择与培养介质

低维护绿化植物的选择是建筑外表绿化成功与否的关键。景天类植物是植物中一个特殊群体，具有植株低矮、生长整齐、色彩油绿、绿色期较长、生长缓慢、综合抗性强、抗旱性强等优点，管理较为容易；同时具备降低噪音、减少污染等功能，非常适合建筑上层绿化。可以考虑选择佛甲草、垂盆草、金叶景天等植物，按照地区气候特点进行耐旱、耐高温、高湿胁迫和耐寒胁迫处理实验。常用低维护建筑上层绿化材料还有圆景天、三角景天、八宝景天、白景天、六角景天、勘察加景天、苔景天、红景天、多花筋骨草、麦冬、玉簪、美丽月见草。

为了使植物在“绿管”中生长良好，尽量减轻建筑上层的负荷，种植土壤一般不采用普通土壤，而采用含有各种植物生长所需元素，比自然土壤容重更小的介质材料，如以泥炭、堆腐的木屑，谷壳、碎砖屑、膨胀珍珠岩、粉煤灰、保水剂等配制的栽培介质，容重控制在500kg／m3以下，形成轻质、保水、透气、无杂质、无病虫害、营养持久的培养基质。在选择培养介质时，为了控制绿化植物生长以及杂草的繁殖，尽量减少土层厚度［15］。

为了能将绿衣系统应用在室内，培养介质可以选用无土栽培的营养液。无土栽培成功的关键在于管理好所用的培养液，使之符合最优营养状态的需要。无土栽培中营养液成分易于控制。而且可以随时调节，在光照、温度适宜而没有土壤的地方，而无土栽培的另一个优势是更加洁净，不会引起虫害对居室造成影响。

3 建筑绿衣系统的优点

1）连续实时、准确监测和记录所有与栽培作物相关的环境因子，建立作物生长环境数据库，为研究和筛选最佳环境因子组合提供数据参考。

2）自动控制作物生长营养液：营养液成分、浓度、pH值、供肥（水）时间控制。

3）分析环境因子与生物因子之间的基本规律和量化关系，辅助植物生长的适时调控和智能管理。

4）模拟“绿管”内植物生长环境，采用温度、湿度、CO2、光照传感器等感知各项环境指标，并对管内的水帘、遮阳板等设施实施监控，从而改变“绿管”内部的生物生长环境。

5）整套系统可扩展，易操控、易维护、智能化控制。

6）减少监测成本，提高监测系统网络的灵活性和可扩展性。

7）实现全方位、全天候监控环境变化，满足对建筑绿衣系统环境信息的收集和分析。

4 结 语

通过物联网技术构建一种新的建筑立体绿化概念，让植物智能地附着于建筑表面而诞生出一种新的理念——给建筑穿绿衣，物联网技术使得植物在建筑中的应用更加智能方便。可以想象未来的建筑设计将产生巨大的变化，建筑设计将会分为建筑设计和建筑绿衣设计两个部分。

［1］仇保兴.进一步加快绿色建筑发展步伐：中国绿色建筑行动纲要（草案）解读［J］.城市发展研究，2011，18（7）：1－6.

［2］田慧峰，张欢，孙大明，等.中国大陆绿色建筑发展现状及前景［J］.建筑科学，2012，28（4）：1－7.

［3］曾巍，郝军，徐稳龙，等.城市更新过程中的绿色建筑实践：中国建筑设计研究院（集团）创新科研示范楼绿色建筑设计［J］.暖通空调，2012，42（10）：26－29..

［4］呙丹，杨晓华，苏本良.物联网技术在现代建筑行业中的应用［J］.山西建筑，2011，37（26）：255－256.

［5］申斌，张桂青，汪明，等.基于物联网的智能家居设计与实现［J］.自动化与仪表，2013，28（2）：6－10.

［6］Kahn J M，Katz R H，Pister K S J.Next century challenges：mobile networking for“Smart Dust”［C］／／Proceedings of the 5th annual ACM／IEEE international conference on Mobile computing and networking（MobiComl999），1999.

［7］Neil G.When things start to think［M］.New York：Henry Holt，1999：445－451.

［8］ITu NGN－GSI Rapporteur Group.Requirements for support of USN applications and services in NGN environment［R］.Geneva：International Telecommunication Union，2007.

［9］刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用［J］.计算机科学，2010，37（6）：1－4，10.

［10］Klaus Finkenzeller.射频识别（RFID）技术：无线电感应的标签和非接触IC卡的原理和应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.

［11］屈赟，杨捧.RFID技术在农业物联网中的应用现状［J］.河北农业科学，2011，15（4）：94－95.

［12］沈苏彬，范曲立，宗平.物联网的体系结构与相关技术研究［J］.南京邮电大学学报：自然科学版，2009，29（6）：1－11.

［13］阎晓军，王维瑞，梁建平.北京市设施农业物联网应用模式构建［J］.农业工程学报，2012，28（4）：149－154.

［14］周小波.基于物联网技术的设施农业在线测控系统设计［J］.太原科技大学学报，2011，32（3）：182－185.

［15］秦俊，王丽勉，胡永红，等.生态建筑低维护屋顶绿化技术的研究：以上海生态建筑为例［J］.安徽农业科学，2007，35（1）：59－60，63.