现代物联网中智能楼宇的发展趋势及概况

张津瑞

0 引言

如今是一个信息化的时代，随着物联网技术的发展，越来越多的智能设备为人民的生活带来了便利，提高了人民的生活质量。物联网，其功能是把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物相息，以实现智能化识别和管理[1]。

其中，智能楼宇就是其中一个典型代表。智能楼宇的发展，对现代经济的发展和人们居住环境有非常重要的影响，它是一个国家科学技术和经济水平的体现，也可以反映出一个国家城市化、现代化的程度。智能楼宇的核心系统主要由下面五部分组成：建筑设备、通讯、办公、火灾报警与消防、安全保卫等自动化系统。智能楼宇则是通过通信网络将上述的五个自动化系统进行高效有机的组合，使建筑物具有了高效、安全、便利、节能的特点。

由于智能楼宇的特点，该领域在20世纪就在很多国家得到了研究与应用。1984年美国联合科技的UTBS公司在康涅狄格建成了世界上第一座也是当时唯一的一座智能化楼宇。从此以后，全球范围内智能化楼宇的建设进入了快速发展时期，日本、法国、瑞典、英国等国家也在不断兴建智能楼宇。20世纪80年代后，智能楼宇风靡全球，自上个世纪90年代以来，国内许多建筑设计者将智能化建筑概念引入国内，迅速得到了人们的喜爱和认可，发展非常迅猛，我国的智能楼宇也伴随着我国城市化进程的不断加深取得了重大的发展[2]。

本文的行文结构如下：本文第一章介绍智能楼宇概念与定义；第二章介绍智能楼宇的起源和在国内外的发展趋势；第三章介绍智能楼宇的组成与核心技术；第四章总结全文，提出对智能楼宇的分析与展望。

1 智能楼宇的概念

关于智能楼宇的定义，最早于20世纪后期出现在美国。“智能楼宇以建筑物作为基础平台，同时搭载信息设施、信息化应用、公共安全等系统，可以将建筑物或建筑群内的车库管理、保安、照明、给排水、运输、消防、电力、空调设备或系统进行统一有机管理，是将服务、系统、结构、管理优化组合为一体的智能建筑”[1]。

2 智能楼宇的发展趋势

1984年，在美国Connecticut的首府哈特福德竣工的“都市广场”大厦的宣传材料中首次出现“智能楼宇”，这也标志着“智能楼宇”概念的形成。“都市广场”大楼相比较传统大楼主要是增加了计算机、程控交换机、数据通信等，使住户可以得到信息查询、通信、电子函件、文字处理等服务。同时，“都市广场”内所有的供配电设备、防火、空调、给排水、保安设备均由计算机进行控制，实现建筑物的信息化、自动化，使居住者获得安全、高效、经济、舒适的居住环境。建筑物的功能发生了极大的补充和扩展，“都市广场”也成为了世界上第一座智能化楼宇[1]。自此，在全球范围内智能化楼宇的建设进入了快速发展时期。

从1984年以来，日本就在各大城市建设“智能街区”和“智能群楼”，在这些建筑中百分之八十以上都是智能楼宇。新加坡的政府不惜耗巨资研究智能建筑的专项技术，计划将新加坡建设为“智能城市花园”。印度也在1995年开始建设智能建筑，计划将加尔各答的盐湖建设成“智能城”。法国、瑞典、英国、泰国的其他国家也在不断兴建智能建筑。

1986年，我国国家计委和科技委共同立项，由中国科学院计算技术研究所负责的课题《智能化办公大楼可行性研究》正式开始投入研究工作。1991年我国第一座智能建筑北京发展大厦建成，它标志着我国智能化建筑的开始。北京发展大厦吸收和借鉴了日本先进的楼宇管理经验，是北京市最早实现智能化的写字楼。在通讯、安保、消防监控、建筑设备等方面采用了国际先进技术；空调、照明、电梯、防灾、变配电等系统均实现了计算机自动控制；在供水、供电、供气、供热等方面，也广泛采用了国外先进设备和控制技术，以精良的选材确保了楼宇安全稳定的运行[14]。九十年代初，我国房地产业不断发展，楼宇智能化市场也随之迅速发展。由于智能楼宇给人们带来了生活上的便利和舒适，加之当时楼宇智能化的普及率并不高，进一步激发了人们对它的重视。

3 智能楼宇的组成与核心技术

3.1 智能楼宇的组成

智能楼宇包含五大核心要素，即楼宇自动化系统、通信自动化系统、办公自动化系统、火灾警报与消防和安全保卫自动化系统。楼宇自动化系统实现楼内各个设施自动调控，使楼内的各个系统达到节约资源，减轻管理人员劳动强度等效果[3]。

通信自动化系统是建筑物内数据、语音、图像传输的基础，同时通信自动化系统与外部网络相连，比如计算机网、卫星、电话公网、数据网以及广电网，与大楼外的世界各地互联互通[4]。能够保证建筑物内语音、数据、图像传输的同时，与外界通信网相连，与外部互通信息。

办公系统则实现对各环节的掌控、调配和协作，是将企业的应用、内容、人员及流程个性化统一交互的协作环境。在建筑物内，办公人员与这些自动化办公系统形成了高效运转的办公系统，相对于传统建筑物内的完全依赖于人力办公方式的效率得到了大大的提高。

火灾警报与消防联动系统中，火灾自动报警控制系统是整个智能楼宇自动化系统的感测部分，主要任务是火灾的发现与警报，消防系统则是自动化系统的执行部分，在接到火灾报警系统发出的火警信号后立即启动执行灭火[15]。不同于其他系统，火灾警报于消防联动系统与其他系统相对独立，在火灾发生的情况下才会被触发。

安全保卫系统由门禁、监控、公共应急广播等系统组成，通过实时的监控来保证建筑物内部和外部的安全性。安全保卫系统则是通过CCTV即闭路电视监控系统对建筑物内的重要通道及场所进行监控，来配合以防盗报警系统、IC卡门禁系统以及巡更管理系统，实现建筑物的安保工作[16]，安全保卫自动化系统的主要工作原理如图1所示。

图1 安保系统示意图

3.2 智能楼宇的核心技术

3.2.1 传感器技术

传感器技术是智能楼宇中必不可少的核心技术。传感器是指“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”[12]。传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成了信息技术的三大支柱。

人们对无线传感器的研究始于20世纪90年代，当时传感器的发展速度较慢，硬件处理能力较低。制约传感器技术提升的原因主要有三点：（1）功率的损耗，无线传感节点绝大部分被安置在野外，无法通过常规的电线进行供电，因此其硬件的设计必须将节能作为重要目标之一；（2）价格，无线传感器需要大量组网进行配合，以完成特定的功能。大量组网带来的是较高的成本，因此其硬件设计要考虑到价格这一重要的因素；（3）体积，无线传感器需要方便携带，易于部署。因此硬件要以微型化为设计目标[5]。

虽然传感器的性能有限，但仍得到了各个领域的广泛应用。在智能楼宇的应用中传感器是最重要的组成因素之一。楼宇自动化系统是建立在无线传感器的基础上实现的，实现了对各设备集中监视、控制和管理，如温度传感器、湿度传感器、气敏传感器、红外线传感器等[6]。没有传感器所得到的数据就无法对整个系统进行监控，通过无线传感器对相关数亿的数据进行采集和监控，运用现代计算机技术、通讯技术对这些数据进行处理、运算和判断，实现楼宇各种功能的自动控制[7]。集成的楼宇管理系统使用智能化、多功能化、网络化的传感节点和执行器，传感节点和执行器通过数据网及控制网连接，与通信系统相互配合形成整体网络，并通过宽带网与外界网络互联互通[6]。

空调中就具有很多传感器，例如：温度传感器、差压传感器、湿度传感器等。空调通过这些传感器对整个房间的环境变化进行监控。空调系统监控既要提供温湿度适宜的环境，又要解决能源。其涉及到的监控范围有：制冷机、热力站、空气处理设备、给排风系统、变风量末端等。通过对这些系统进行监控从而得到相应的数据，使得空调对风量、风速等进行合理的调节。

3.2.2 无线网络技术

无线网络技术在智能楼宇中举足轻重，它因覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段而被广泛应用。正如西门子楼宇技术组的首席技术专家Helmut Macht说道：“无线通信的创新使越累越多的有线通信将被取代”。

无线网络的组成元素主要有：自组网、无线连接、基站和用户。目前用户端主要由手机、PDA、传感器等组成，用户可以无线通信，获取有效信息；基站是将用户端与公共基础网络进行的基础设备，如Cell Tower即蜂窝塔、Access Point即WiFi接入点等，根据不同协议，基站的传输速率及覆盖范围不同。无线连接是用户端与基站、用户端与用户端或基站与基站之间的数据传通道，通常以光波、无线电波为载体，支持多种传输的距离和速率。自组网无须基站，是用户端之间通过自我组织的方式形成网络网，由用户端自身完成地址指派、路由选择等[5]。

无线网络连接具有以下特点：（1）信号强度衰减，无线信号能量随着传输距离增长而减弱。（2）非视线传输，当发送者与接收者之间存在被阻挡的情况，则被称为非视线传输，当存在阻挡情况时，无线信号可能会被阻挡物吸收，或者因阻挡物的存在而迅速衰减。（3）信号干扰，相同频段的无线信号存在相互干扰的现象，例如2.4GHz与外部环境的电磁噪声，除此之外日常生活中的高压电线、汽车、微波炉也会产生干扰。（4）多途径传播，由于阻挡物的存在，信号回因阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间存在微小差异[5]。

由于无线局域网的固有特点，因此在楼宇自动控制系统中得到越来越广泛的应用。采用无线技术替代传统的有线网络能够带来诸多好处，如降低传感器部署难度、降低维护成本以及增加系统更新的灵活性，特别是对于那些需要进行大量布线或布线难度加大的地区[9]。如例如闭路电视监控系统，一般位于较为偏僻的位置且需受监控场所的制约，经常存在布线困难的问题，若采用无线局域网便可借由无线网络将影像传回主控站，极大的方便了闭路电视监控系统的安装与应用。楼宇内变配电、照明、给排水、电梯、空调、供暖、安防和消防等众多子系统也可设置WiFi智能节点，WiFi智能节点对各子系统进行实时监测，并对出现故障的系统进行自动调节与控制[10]。

智能楼宇系统的目标是为用户营造一种舒适、便捷和安全的工作和生活环境。无线网络技术能给智能楼宇的发展提供更广阔的空间。无线网络技术克服了智能系统集成过程中线缆限制引起的不便性，也使其可以实现很多新的应用。

4 总结与展望

本文主要介绍了物联网技术中的智能楼宇技术，通过对智能楼宇的国内外发展趋势的分析，对智能楼宇中相关核心技术的介绍，完成智能楼宇的目前发展状况相对全面的阐述，为以后智能楼宇的发展提供了借鉴性的思路。

随着时代的发展和科技的更新与进步，智能楼宇在日常生活中得到了越来越广泛的应用。智能楼宇是我国建筑行业未来重要的发展方向，目前我国每年新增的建筑面积达到20亿平方米，政府对相关建设也进行了科学化、规范化以及制度化的引导，一个勃勃生机的智能产业已形成[1]。我国智能楼宇将会有很大的发展空间,未来的智能楼宇将会为人们的生活提供更多的便利[2]，拥有广阔的市场与前景，将会成为二十一世纪大放异彩的一道风景线。