浅谈物联网技术在智能建筑中的应用

翁志辉

（广州劲联智能科技有限公司，广东 广州 510000）

经过二十多年的发展，物联网已经不再局限于人们常规认识的自动化与网络技术，还有机融合了新兴的人工智能、分布式光纤传感技术以及无线传感器网络技术等，并且随着新领域新技术的不断开发，物联网的内涵将进一步趋向综合化。而谈及物联网当下在中国的发展状况，智能建筑俨然已经成为物联网技术应用的前沿阵地，因而研究物联网技术在智能建筑领域的应用与发展挑战极具现实意义。

1 物联网技术概述

当信息技术发展到一定高度，互联网延伸扩展到实物，实现物物相息，这时物联网应运而生，物联网中网络的终端不再是计算机，而是嵌入式计算机系统以及各类传感器。2008年IBM创造性地提出了“Smarter Planet”这一概念，2010年IBM再次推出“Smart City”战略[1]，2012年我国首批90个智慧城市试点名单出炉，这一数据到2017年底已突破500个，据业内专家预测，2021年智能城市市场规模将直逼19万亿元。2018年11月国家统计局公布了《战略性新兴产业分类》，物联网技术服务作为“互联网与云计算、大数据服务”的子项名列其中。

图1是典型的物联网结构框图，从三层结构体系中可以看出，物联网技术综合了云计算、网络、自动化与传感器等相关技术。

图1 物联网结构框图

其中，作为application layer的云计算技术，主要将多处服务器或计算机共享到云端，为各类物联网应用提供信息存储及分布式计算服务平台；network layer主要针对的是输入输出接口，以及过程中的信息可靠传输和传输协议等，除传统的有线网络传输技术外，光纤传输和无线移动通信技术是目前的研究热门，也是未来网络传输技术的发展趋势；sensor layer是物联网终端所在，传感技术既是sensor layer的重要技术组成，更是物联网核心技术的关键，目前前沿传感器技术包括无线传感器网络、分布式光纤传感技术、射频识别技术等。

2 物联网技术在智能建筑中的应用

根据2015年发布的国家标准《智能建筑设计标准》（GB 50314—2015），智能建筑是在传统建筑的基础上，“集架构、系统、应用、管理及优化组合为一体[2]”。物联网通过其传感触角延伸到智能建筑的方方面面，从最初的建筑安防发展为囊括建筑物健康状态监测、智能安全防范、绿色环保和家庭自动化为一体的综合性系统。

2.1 建筑健康监测

随着传感器技术的飞速发展，尤其是分布式光纤传感技术的出现与普及，使得一次测量就能获取建筑整体结构应力应变数据成为可能，同时还能进行动态监测，经由数据分析系统即可实现建筑健康状态监测。分布式光纤传感器作为物联网sensor layer敷设在建筑主体结构，同时也可以安装在管道节点位置，借由传感器，物联网可实现如下几方面的健康监测：

（1）监测建筑主体结构应力应变；（2）监测管道压力及破损情况，提出检修预警；（3）监测电力线缆温度，超温报警，并提供问题点准确空间位置；（4）智能建筑建设过程中，监测混凝土等材料是否具备下一步施工条件；（5）建筑物内水、火、电、风异常情况能够及时通过计算机或手机迅速传输至管理人员与业主。

此外，近几年兴起的无线传感器和Zigbee网络使得物联网技术在智能建筑中的应用如虎添翼，两者相结合所构成的无线传感器网络可以灵活运用于不同场合，无须布线，即便出现部分节点损坏，也能够立即重组，这使得高层建筑内火灾监控和搜救朝着智能化迈进了一大步，“确定火源位置—定位受困人员—针对性实施救援”这一链条响应速度与准确性大大提高。

2.2 智能安全防范

智能安防系统的核心在于智能视频分析技术，智能视频分析技术是在传统的烟感、红外及电磁感应等报警探测器基础上发展起来的，在提供非法入侵、燃气泄漏等报警信息的同时，还能利用计算机智能分析算法对于误报信息进行判断并剔除，然后通过互联网传输至业主、物业保安手中，便于相关人员立即介入处理，这种基于触发分析的智能安防兼具人性化与智能化。目前，集成Dell Edge Gateway 5000的V5自供电远程安全设备已能够实现1 m范围内情景视频覆盖和枪声侦测，意味着下一代基于工业物联网的云端安防系统即将闪亮登场，造福社会。

2.3 绿色环保

世界银行的分析预测报告显示，2030年节能减排的压力70%由建筑承担。绿色建筑已经成为绿色经济的重要组成部分，而物联网技术的引入可以大幅提升建筑物节能减排的智能化水平，其机理在于：利用无线传感器监测室内温湿度、照明与AQI，通过分析运算后作为控制信息传输给中央空调及照明系统，在保证需求与舒适的前提下，实现能源有效利用。

2.4 智能家居

智能家居（Smart Home）是在互联网影响之下物联化的体现，具体而言，智能家居就是利用物联网将所有设备串联起来，提供安防、技能、照明控制、无线遥控的功能[3]。智能家居包括家庭自动化、家庭网络、网络家电和信息家电，其中，家庭自动化是利用嵌入式系统集成与控制各类电子电器产品，家庭自动化是智能家居的原型，也是目前智能家居的核心组成部分；家庭网络并非传统的局域网，它连接的是计算机、家电以及各类消防、安全、照明系统，目前比较流行的网络连接技术包括可见光、RF、红外线等；网络家电是为适应智能控制而专门设计的家电；信息家电可以通过网络系统交互信息，例如数字电视等。图2是典型的智能家居结构简图。

图2 智能家居结构简图

3 物联网技术在智能建筑的应用案例

某图书馆能源管理系统软件主要由电量采集部分、冷量采集与控制部分、水表采集部分、环境质量数据采集部分、智能管理平台等组成，服务器设置在网络机房。系统结构图如图3所示。

电量采集部分：通过第三方接口将机电设备用电量等数据提供智能管理平台进行能耗分析。

冷量采集与控制部分：通过空调多联机系统经开放的接口（开放通讯协议），对冷源进行电量采集，接入智能管理平台，并接受智能管理平台发出的控制指令。

水表采集部分：安装具有远传功能的智能水表，通过RS485总线连到智能管理平台。

环境质量数据采集部分：通过在图书馆各个功能区域安装温湿度传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、甲醛传感器，监测主要功能区域的环境质量。为实现对环境质量传感器的快速和灵活部署，图书馆内部部署了Zigbee网络，各个功能区域安装了多套Zigbee发射器、中继器和接收器，上述各种环境质量传感器接入到Zigbee发射器，由Zigbee发射器供电并将传感器采集到的数据以无线传输方式发送给智能管理平台。

智能管理平台集成了建筑节能评估、空调控制等功能，可对整个图书馆的能源使用情况和环境质量情况进行评估，并通过智能网管发送控制指令给VRV空调主机调节相应区域的送风温度和送风量，在确保环境质量良好的前提下实现空调系统的节能运行，达到舒适与环保并重的效果。

图3 系统管理架构图

4 物联网时代智能建筑的发展方向

经过二十多年的发展，智能建筑行业初具雏形，相关的技术标准规范业已建立，然而必须清楚地认识到，智能建筑技术尚不完全成熟，且诸多产品都依赖进口，可见光通信等技术还有待进一步提升，这些问题制约着智能建筑的快速发展。应对这种状况，首先，政府主管部门应当继续给予重视及支持；其次，行业协会要着力营造发展环境；再次，行业内的各企业应努力提升自身核心竞争力[4]；最后，加强产学研结合，在新技术领域尽可能多地去开发拥有自主产权的技术和产品，结合中国文化特色，形成独特的智能建筑系统。