基于智能终端的智能建筑系统在教育建筑中的应用讨论

2021-10-26程青

现代建筑电气 2021年7期

程青

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092]

0 引言

随着信息技术、物联网技术、无线通信技术的发展,建筑智能化系统朝着更加智能,更加灵活、更加便捷的方向发展。基于智能终端的智能建筑系统架构[1]相对现有的建筑智能化系统具有更可靠、更具有扩展能力等多项优势。这些架构的优势特别适合在教育建筑中加以应用。

1 教育建筑特点及现有智能化应用的局限性

教育建筑指各级学校中的各种类型建筑,以教学、科研为主导,辅助以办公、生活等设施。相比于普通的公共建筑,教育建筑的使用对象、使用功能和使用形式有其鲜明的特点。教育建筑具有以下特点:

(1)以各类教室为核心的教学空间,信息化设备密度较高。随着教学技术及教学模式的不停发展,其设备配置、使用功能等也在不断发展变化。对教室内各种信息化设备的信息集成和统一管理提出挑战。

(2)教育建筑中设置有众多的公共空间。其使用功能需要不停地在交通、聚会、展览展示、休闲等场景中快速切换。是否可以构建一套建筑智能化系统去满足场景使用需求,并快速切换[2-4]。

(3)学校园区,尤其是高等院校的校园基本都采用分期建设的模式,校园内各类建筑根据学校发展的需求逐步建设。而校园智能化系统又是需要采用同一平台的。怎么使学校在最初规划建设阶段构建的智能化系统架构在后期建设过程中技术上不落伍,功能上满足最新需求。

采用传统建筑智能化系统架构的设计,在扩展性、可延续性方面不能满足上述教育建筑快速变化的特点[5-7]。

2 基于智能终端的建筑智能化系统架构

基于智能终端的建筑智能化系统是一种不同于传统智能化系统主机+专用网络+专业终端的结构,由智能建筑管理平台、智能终端和通信网络组成。智能终端具有独立的感知功能和运算处理能力,可以实现多种感知功能,所有的控制功能均在前端的智能终端上实现。每个终端都可以自主独立运行,不受网络通信影响。而智能建筑管理平台是一套软件系统,可以在专用服务器或者云平台中架设。基于智能终端的建筑智能化系统架构模型如图1所示。

图1 基于智能终端的建筑智能化系统架构模型

每一个智能终端都是多功能,不再限于传统智能化系统中某一个子系统应用。只要在其硬件感知设备的能力范围内,单个设备为实现多个智能化子系统的系统功能提供服务。智能终端和管理平台都通过软件方式增加、减少或者变更相应的功能,使建筑成为通过软件定义的智能建筑。这一特性使其特别适合应用于使用功能及使用模式快速变化并不断发展的教育建筑[8-9]。

3 基于智能终端的建筑智能化系统架构的应用场景

3.1 网络的全面覆盖

通信网络是基于智能终端的建筑智能化系统架构中的重要一环,其不仅提供智能建筑管理平台与智能终端之间的数据通信渠道,同时也是智能终端之间的数据通信渠道。

建设校园园区范围内完善的有线/无线网络覆盖与传统的校园智能化系统建设目的和手段也是统一的,无需为新架构增加通信网络的构建成本。一般,校园内网络建设基于TCP/IP协议的通用计算机网络,通过综合布线系统设置有线点位,通过WiFi无线AP进行园区全面覆盖。保证校园内各类电脑、手机终端的接入。新的智能化系统架构中的各类智能终端也可以依托该网络进行联网通信,实现各类通信功能。进一步在此网络上通过多种物联网关及无线通信协议如Bluetooth、LoRa、ZigBee等扩展,可以更方便地接入更多类型的智能终端。

3.2 教室智能化系统的构建

常规教室包含多种音/视频媒体设施,包括投影机、电子白板、显示屏、实物投影仪及扩声设备等。此外,教室内的设施还包括摄像监控、无线网络覆盖、照明、空调及环境采集控制设施设备。对于部分教室还会要求配置录播设备、远程教学设备等。为了实现对教室内各种设备的控制和管理,通常会配置一个电子讲台,通过电子讲台内的一台中控主机连接各媒体设备,实现教学过程中的多媒体播放和各项开关控制功能。通常,这些控制功能只局限于教室内多媒体设备。对于教室内其他机电设备,如照明、空调设备等一般不能实现集中控制。对于录播系统、远程教学等系统一般更是以独立系统和专用教室的形式出现。

传统教室智能化架构的主要问题在于整个教室集成管控功能受限于中控主机。教室内各类设施设备能否纳入集成管控,受限于中控主机的硬件接口数量及通信协议。一旦教室建成,中控主机设备确定后,需要再添加新的媒体设备或受控设备。新设施设备的引入无法纳入中控主机的集中监控管理,需要对每一个中控主机进行重新编程,或者更换新的中控主机。这增加系统的维护成本和使用者的学习使用成本。

基于智能终端的建筑智能化系统架构中,教室中每个媒体设备、照明开关、空调面板、环境传感器都是一个具有自主控制功能的智能终端。各终端间通过无线及有线网络进行连接,传递控制信号以及音视频信号。只要接入网络系统,便可纳入智能建筑管理平台的管理中。整合现有硬件设备资源,通过适配相应的软件,采用网络相互连接,实现基于智能终端的教室集成管理。

进一步,一个教室内各种设备通过自组织方式进行互连接,实现相应的控制功能。在更换或加入新设备后,只要该设备连接网络,加入到智能建筑管理平台中,由平台自动下发有关的控制逻辑,几乎无需配置设备就可以自主运行。而教室中每个设备也可以实现多功能,例如:教室内原用于安防监控的摄像机,可以通过配置云端的视频分析技术,进行教室内有无人员的占空检测,也可以作为远程教学、录播课程的采集摄像机。这些功能实现所需的运算能力可以是设备自带的或基于云平台的。

3.3 智能公共空间的构建

现代教育建筑中设置有众多具有特色的室内外公共空间。根据建筑设计意图,其使用功能可以有交通、聚会、展览展示、休闲、文艺表演等。为了支持这些公共空间在这些场景功能中快速切换,需要智能化系统提供相应的支持。

传统建筑智能化系统针对使用功能设置不同的智能化子系统,进一步每个子系统需要配置相应的设备。而在基于智能终端的建筑智能化系统架构中,智能终端不再属于某一个智能化子系统。设置在公共空间内的各类智能终端可以根据空间使用功能的变化切换自身的模式,实现相应的功能。如平时状态下的背景音乐扬声器,在聚会模式下可以作为会议扩声系统的一部分。正常状态下的公告显示屏等通过分组智能控制,在文艺表演场景下可以作为背景氛围渲染灯光。同时这些功能并不必是在建筑设计过程中或系统建设过程中就已经确定的。公共空间的使用者可以根据其使用要求,以软件设定的方式达到其去使用目的,实现各种联动功能,成为“软件定义建筑”中的“软件定义的公共空间”。