基于物联网技术的智慧楼宇系统探究

韦志鹏，李 静

（1.开封大学 a.人事处；b.信息工程学院，河南 开封 475004）

0 引言

2012年，住房和城乡建设部发布了《关于开展国家智慧城市试点工作的通知》（建办科〔2012〕42号）.截至2017年12月末，全国明确提出智慧城市建设目标的城市超过500个.伴随着智慧城市建设热潮的到来，作为公众日常活动空间、城市基本构成单元的建筑不断创新设计.随着大数据、云计算和物联网等新技术的不断问世，基于传统楼宇自动化的新兴建设概念、理念，比如数字建筑、智慧建筑等，陆续出现.智慧楼宇系统就是运用物联网技术设计实现的一个智能楼宇解决方案，它能实现智慧化智能化管理、控制和监测楼宇，达到降低能耗、保障公共安全的目的.

1 国内外楼宇科技领域发展现状

SMART CITY（智慧城市）是一个整体概念，更是一项系统工程，涉及多个领域，它由多个部分构成，即包括多个子系统，比如智慧交通、智慧医疗、智慧政务等.从世界范围来看，数量众多的城市均在其发展战略中纳入了智慧城市建设的内容.

智慧城市的一个基本构成单元即为SMART BUILDING（智慧建筑或智慧楼宇）［1］.此前，楼宇科技的概念通常用INTELLIGENT BUILDING（智能化楼宇）来界定.但是，由于“智能化楼宇”具有一定的狭义性，只和建筑IT相关，不符合楼宇科技发展现状，因此，用它来界定不太合适.

在2019世界人工智能大会（上海）的“AI赋能－智慧建筑”论坛上，上海市楼宇科技研究会发布了《智慧楼宇评价指标体系》，第一次将云计算、大数据、物联网等当代科技全面融入楼宇综合管理，“智慧楼宇”一词横空出世，融四大体系（智慧城市、现代物业管理、自动化集成和绿色建筑）于一身的智慧楼宇评价方案就此形成.该方案引起了全球各地参会者的兴趣，在这方面，人们达成了一系列共识.

2 智慧楼宇系统的特色与亮点

传统公共楼宇（医院门诊楼、学校教学楼、城市写字楼等）通常存在各种管控难题，包括：（1）安全与消防规划不完善，整体控制缺少可操作性；（2）水资源、电器使用量较大，管理方法不完善，浪费现象较为普遍；（3）智能环境管控系统缺乏，无法实时监控空气质量、办公和生活环境；（4）大功率电力装置无法得到有效管控，异常情况如断电等频发.这些比较突出的问题的产生，与楼宇综合管控思维缺失不无关系.

智慧楼宇系统具有各种智能控制功能，可以通过物联网，实时监控楼宇内用水用电情况、空气质量、温度湿度、门禁安全、消防安全等，可以整体管理楼宇内各种设备，并且可以应用联动功能，对各种设备进行智能管理.这样做，可以达到节约资源的目的，实现可持续发展.环境、建筑、人是一个综合体，需要协调.人们追求安全的环境、便利的通行、高效的服务，这些要素，智慧建筑都能提供，能够满足公众需求.

物联网技术的应用，加快了智慧城市建设的步伐.具有应用即服务、全自动控制、可软件定义、分布式智能、云／霾／雾融合计算、网格拓扑等特征的物联网技术对各类产业的全面渗透，颠覆了传统产业的既有模式，使发展水平不断提升、创新速度持续加快［2］.智慧楼宇系统搭上了顺风车，其应用和推广的步伐不断加快.建筑中的各类公共资源也因基于物联网技术的智慧楼宇系统的运行而具备了语境感知能力.智慧楼宇的智慧城市细胞属性已经被证实.我们要全面、准确、及时地了解物联网背后有价值的信息，抓住机遇，掌握互联网、物联网和人工智能发展的主动权.

3 智慧楼宇系统的设计

3.1 智慧楼宇系统的整体平台建设

智慧楼宇系统将计算机技术、通信技术、控制技术、生物识别技术、多媒体技术与现代建筑艺术有机结合在一起，通过采集建筑内设备、环境与建筑使用者的信息，进行监控、管理，促进建筑环境的优化.采用智慧楼宇系统，能够为建筑使用者提供符合建筑物功能设计要求、满足现代信息技术应用需求，具有安全、经济、高效、舒适、便利和灵活等特征的现代化建筑［3］.

智慧楼宇系统实质上是将物联网技术引入智慧楼宇管理，利用物联网的分层技术，全面感知、检测能耗，进而获得科学可信的数据.利用光纤等网络传输方式，通过数据导入服务，将采集的数据传输到水电能耗、温度、空气质量等指标的监测管理平台，以此实现对整个系统的管理，以及相关数据的存储、加工处理、查询、分析等高级数据管理功能.智慧楼宇系统的运行，使耗能设备管理水平与节能运行水平显著提升，全面实现了统一管理、统一维护、统一监控的目标.智慧楼宇是一个管控方便、使用灵活、管理高效的一体化楼宇管控系统，能够为用户提供优质服务，给用户带来良好体验，满足公众需求.系统网络架构如图1所示.

图1 系统网络架构

3.2 楼宇内用水用电的智能控制

智慧楼宇系统利用物联网技术，监测楼宇内水电安全状态，并统计分析相关数据.即利用智能空气开关、智能控制阀门，来监控多维度（时间与空间）的水电使用状态，进行能耗管理.物联网后台则基于数据分析，利用可视化图形展示功能，反映水电使用情况，让监控人员可以清晰地观察到楼宇内水电使用状态.该系统可以不间断地监测水电线路运行工况，一旦出现异常，即能发出报警信号，提示监控者迅速找到故障部位，将风险排除.

3.3 楼宇照明的智能控制

在网关、智能开关支撑下，智慧楼宇系统可以整体监控并统一控制楼宇照明系统.能够定时、远程控制并管理灯光，及时发现楼宇灯光使用异常状态，实施远程调控管理.

3.4 楼宇环境的智能控制

身处楼宇中的使用者，其身心健康状况的好坏与楼宇的环境质量关系很大.该系统能对楼宇的各项环境指标（包括温度、湿度、光照强度、空气质量等）进行实时监测，能联动调节各种联网装置，自动控制室内环境，确保室内环境整体舒适，满足身处其中的使用者的需要，维护其身心健康.

3.5 楼宇门禁的智能控制

智慧楼宇系统可以实现信息双向传递，楼宇整体门锁安防状况可以被管理者实时掌握.该系统可自动存储门锁开关记录，还可远程控制开关.智能门禁同样能与摄像头等智能设备连接、联动，监控、抓拍非法潜入者.如果出现失窃等情况，那么它可以为原因查找、破案提供全面协助.总之，该系统可以为身处楼宇中的人员的安全、资产安全提供充分保障.

3.6 楼宇消防的智能控制

消防智能控制是智慧楼宇系统的一项重要功能，它不但可以在火灾事故发生初期自动发出报警信号，而且能与消防机构直接联系，保证消防部门第一时间得到报告，及时出警，该系统还能将火灾区域显示出来，为消防员提供道路信息和引导服务；其所附设的消防广播系统会将火警信息迅速发出，通知楼宇内的人员立即撤离；同时，报警信号会将自动灭火柜激活，使其立即进入消防模式，投入运行，在火灾区域自动喷水或使用灭火剂灭火.

3.7 楼宇数据分析后台

数据图表功能内置于系统后台，用户可以根据现实需要，对楼宇总体能耗分析、温湿度情况分析、能耗趋势分析、设备使用时长分析等各种类型的图表数据展示进行自定义，以便楼宇管控者能迅速而准确地了解楼宇中水电使用状态等方面的情况，从数据层面支撑楼宇节能减排，实现绿色运营目标.

3.8 培育节能习惯和推行良好的生活方式

通过系统的宣传推广功能，传播节能降耗知识和技能，使楼宇使用人员认识到节能降耗的重要性，进而逐步养成良好的生活和工作习惯.

4 实现智慧楼宇系统的技术路线

4.1 系统整体框架设计

整体系统架构采用分层设计方法来设置.基于物联网的系统架构一般采用三层结构，从下到上依次为感知层、网络层（又称传输层）和应用层［4］.实现物联网的基础在感知层，其主要利用各类传感装置，采集、转换数据信息.网络层通过各种长距离或短距离、有线及无线通信技术，完成感知数据信息的发送.应用层则以人机交互技术为支撑，处理各类数据，满足各类用户的信息化业务处理和不同类型的应用需要，比如车辆监控、温湿度监测等监控类需要，远程抄表、资产管理等查询统计类需要，智慧路灯、智能家居、智慧楼宇等控制类需要.

本系统根据实际工程项目应用需求，在网络层与应用层之间添加一个控制层.通过添加的控制层，可以保证应用层对能耗设备进行自动监测，智能节能的目标至此即可顺利实现.系统整体结构如图2所示.

图2 系统整体结构

4.2 系统的硬件支持

能源管理系统硬件设计主要包括数据采集系统设计、数据传输系统设计与数据显示系统设计.数据采集系统由RS 485总线、国网I／II型采集器、国网集中器模块等组成，可以迅速而准确地获取智能采集表内的数据信息，达到数据与设备匹配.集中器会判断上位机发来的数据的格式是否符合376.2应用协议的要求，对那些不符合应用协议要求的数据，集中器会予以忽略，这就成功解决了数据错乱等问题.数据传输主要由集中器来完成，这就保证了数据的传输速率与传输距离，避免因网络中断而造成数据丢失以及其他问题的出现.

4.3 系统的应用设计

本文提及的基于物联网技术的智慧楼宇系统的软件主要采用PHP语言来开发，搭建平台为MySQL和Visual Studio Code.其技术路线如图3所示.

图3 技术路线

5 结束语

基于空气质量检测设备和控制治理设备而构建的本系统，实质上是一个综合监管平台，能将大气环境中各种污染物的浓度指标感知出来，数据查询通过RS 485总线即可实现.该系统可与控制类设备联动，启动相关的联动环境治理设备，可有效改善当前环境，使之达到预设状态.还可以对水电能耗进行监控，数据分析后台在收集、挖掘、整理这些运行数据的基础上，可及时而合理地对能源进行有效分配，并高效管理能源的使用.

在学习、生活场所，我们经常可以看到长明灯、长流水、人走不关空调等能源浪费现象.加强楼宇节能工作，不仅可以促进楼宇本身的能源节约，降低楼宇运营成本，还能促使广大市民树立节能环保意识、掌握节能环保技巧，这对城市的长远发展有利.