1物联网导论论文资料

基于物联网的智能建筑

李鹏伟13074116

【摘要】

近十年来，物联网作为新兴科技有了快速的发展，物联网相关的解决方案也得了很多的应用，智能建筑作为最贴近民生的物联网应用，有着强烈的需求和广阔的前景。智能建筑作为大型的综合系统，结构和功能复杂，本文在对物联网、智能建筑相关知识进行学习与研究的基础上，设计了一个基于物联网的智能建筑系统模型。通过对课题的研究背景介绍，引出物联网和智能家居相关概述与技术，介绍了智能建筑的系统结构，设计开发了基于物联网的智能建筑的能源管理、公共安全和智能家居的系统组成和技术分析。并对物联网在智能建筑中的发展趋势做出来分析与展望。

【关键字】物联网；智能建筑；能源管理；公共安全；智能家居

1 智能建筑的定义、特点和发展趋势

1.1 智能建筑的定义

智能建筑在国际上并没有统一的定义，广义上的智能建筑是指通过将建筑物的结构、系统、服务和管理根据用户的需求进行最优化组合，从而为用户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境。智能建筑是集现代科学技术之大成的产物。其技术基础主要由现代建筑技术、现代电脑技术现代通讯技术和现代控制技术所组成。

1.2 智能建筑的特点

建筑智能化工程又称弱电系统工程，主要指通讯自动化（CA），楼宇自动化（BA），办公自动化（OA），消防自动化（FA）和保安自动化（SA），简称5A。其中包括的系统有：计算机管理系统工程，楼宇设备自控系统工程，通讯系统工程，保安监控及防盗报警系统工程，卫星及共用电视系统工程，车库管理系统工程，综合布线系统工程，计算机网络系统工程，广播系统工程，会议系统工程，视频点播系统工程，智能化小区物业管理系统工程，可视会议系统工程，大屏幕显示系统工程，智能灯光、音响控制系统工程，火灾报警系统工程，计算机机房工程，一卡通系统工程等。

2 物联网极其体系结构

2.1 物联网的概念

物联网（the Internet of Things, IOT）是指将各种信息传感设备，如红外感应器、全球定位系统、射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）装置、激光扫描器等传感设备与互联网结合起来，形成一个巨大的网络。然后将生活中的所有物品都纳入这个网络，方便识别和管理。通俗地说，互联网的终端是人，而物联网的终端是物品，每一件物品都有处理器、网络地址和传感器，物品与物品之间也可以传递信息、发送指令，实现智能识别和管理功能。物联网相关技术可以应用到各类行业中，来实现信息化和网络化，具体地说，可以将传感器和通信节点嵌入在道路、供水系统、建筑等其他公共设施，然后接入互联网，达到系统的网络信息化管理。在物联网的系统中同时也有一个功能相当强大、性能稳定的计算机处理系统，对整个网络系统进行监控并提供智能决策服务。人们可以根据偏好来设计一些策略，智能设备会根据已经预定的设置以及结合相关传感器的数据，以实现更准确、更方便的管理，从而提高了人们生产和生活的质量，并相应提高能源的有效使用，有很实际的利用价值。

2.3 物联网的体系结构

物联网体系结构分三层：感知层、网络层和应用层。感知层提供泛在化的感知网络，网

络层提供融合化的信息通信基础设施，应用层提供普适化的应用服务体系。物联网的架构如图1 所示。

（1）感知层，即利用射频识别（RFID）、二维码、传感器等随时获取物品信息；

（2）网络层，通过各种电信网络实现与互联网的连接，以到达将物品的信息实时的、准确的传送出去的目的；

（3）应用层，将通过网络层传递来的感知层收集到的各种信息进行处理、分析，完成智能化定位、监控、识别、跟踪等实际的功能。

在物联网架构的三个层次中，感知层是获取信息的基础，网络层是传递信息的桥梁，应用层是处理信息、实现应用的核心；感知层的标准化程度不高，技术水平也有待提高，标准化程度最高的是网络层，它的技术也非常成熟；应用层的低成本高质量的解决方案也是人们努力的目标。

图1 物联网基本构架模型

3 智能建筑的构成及技术分析

3.1 能源系统

3.1.1 建筑节能与能源管理

智能建筑的能源管理是指通过系统化控制建筑能耗量及能耗模式的策略，在满足建筑内舒适度和功能等方面的条件下使能耗量和能耗费用最小化。建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现“城市低碳”目标的一个重要方面，也是执行节约能源、保护环境基本国策的重要内容，而建筑中的能源管理是实现建筑节能的重要内容，亦是行之有效的节能手段。

3.1.2智能建筑能源管理系统与物联网的融合

智能建筑是建筑技术和信息技术的产物，它以建筑为平台，以建筑设备、设施为对象，以智能化技术为手段，为人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。为了适应时代的发展，建筑的能源管理将成为建筑智能化集成管理的主要内容，并将所有与用能相关的系统进行综合、协调和控制，统一管理，提高建筑内各能耗系统的运行效率，降低能源的消耗。智能建筑能源管理系统的结构如图2所示。

图2 智能建筑能源管理体系图

智能建筑能源管理系统的结构一般分为三层：现场层、网络层和管理层。现场层包括各种现场设备，有传感器、执行器和各种智能仪表，智能仪表有水表、电表、气表等，现场层的通信采用现场总线标准，较为常用的有RS485、M-BUS 等。网络层是管理层和现场层之间相互通信的桥梁，将现场层采集到的数据信息上传给管理层，同时将管理层发出的动作指令发送到现场层，让现场设备执行相应的指令操作。管理层是对现场设备进行统一的监视、控制和管理，同时将现场设备运行产生的数据存储到服务器中，用以记录设备的日常运行日志和打印故障设备的报警信息等。

智能建筑能源管理系统的三层结构具备了与物联网融合的条件，也为应用物联网技术创造了必要性。现场层可以增加采用物联网技术的各种智能设备，网络层可以改造成有线和无线网络进行数据之间的通信，实现建筑能耗设备的远程监控和管理。管理层可以采用物联网的云计算技术进行海量数据的处理，因此，智能建筑能源管理系统已经具备了物联网的结构形态。

利用物联网与智能建筑能源管理系统融合开发更高层次的能源管理应用服务，首先必须对现有的智能建筑能源管理系统进行完善，因为底层如果没有打好基础，上层就无法开发相应的应用。例如，目前的智能建筑能源管理系统在设置计量表计时，大多没有按照分类分项计量的要求，也没有将新能源利用系统纳入能源管理系统中，导致在物联网能源管理平台上无法实现精细的、全面的能源管理功能。利用物联网平台开发更高层次的能源管理应用的另一项关键工作是将完善之后的智能建筑能源管理系统接入物联网平台，这样智能建筑能源管理系统才能与物联网融合，并发挥物联网的技术优势，实现能源的远程监控和科学管理，开发更高层次的能源管理服务。

3.1.3 智能建筑能源管理系统的技术分析

应用物联网技术的智能建筑能源管理系统是一个分布式信息网络，由设立在各监测建筑内的智能建筑能源管理系统、物联网能源管理平台以及网络通信设施组成。智能建筑能源管理系统设立在需要进行节能监测的建筑内，应集成于建筑智能化集成系统中，具有数据采集、数据处理、网络通信功能，并能够将实时监测到的建筑原始能耗数据进行自动保存，按能源管理体系的要求进行能耗数据统计和能耗分析，然后将建筑能耗原始数据和能耗统计分析数据自动上传到上一级能源管理数据中心，为建筑能耗统计、能源审计、能源管理和节能改造提供有效的数据支持。物联网能源管理平台上可以开发各种能源管理应用服务，自动接收并存储来自本辖区内进行节能监测建筑的建筑能源管理系统或建筑智能化集成系统的能耗监

测数据，并按能源管理体系的要求对本辖区内各种建筑能耗数据进行统计、分析，生成相应的统计报表及分析报告，并将能耗数据定时自动上传到上一级数据中心。网络通信设施则保障信息能够高效的传输。

物联网在建筑能源管理中的应用特点，感知层主要是采集建筑能耗数据，从现场设备采集或通过智能化系统完成，网络层主要解决如何将建筑能耗数据接入物联网平台，应用层是在物联网平台上开发能源管理应用。物联网能源管理平台结构与物联网体系架构之间的对应关系如图 3 所示。

图3 智能建筑能源管理平台与物联网之间的结构对应关系

感知层是物联网的关键环节和基础部分。感知层 EPC 技术解决物品的编码标准问题，使得所有物联网中的物体都有统一的 ID 。感知层 RFID 技术解决物品标识问题，可以快速识别物体，并获取其属性信息。传感器完成的任务是感知信息的采集。无线传感网技术(WSN)是通过自组织的无线网络将部署在监测区域内大量分散的各类传感器节点连接起来，把采集的各种环境或目标对象信息通过无线网络传输汇总，实现协作监控、分析和处理分散范围内的物理或环境状况信息，完成了信息的获取和上传，实现无线短距离通信。对于物联网建筑能源管理系统来说，基于 WSN 技术进行信息采集，就是利用 WSN 节点与各类计量表计等连接，将空间上分散的电、气、水、冷热量等实时能耗数据通过无线自组网的方式进行自动采集，让用户能够随时监测现场耗能设备的运行能耗状况，为进行设备的节能控制提供基础，从而实现提高能源管理水平、降低能耗、降低能源成本的目标。

物联网传输层可分为汇聚网、接入网和承载网三部分。汇聚网的关键技术主要是短距离通信技术，如 Zig Bee 、蓝牙和 UWB 等技术。接入网主要采用 6Lo WPAN 、M2M 及全 IP 融合架构实现感知数据从汇聚网到承载网的接入。承载网主要是指各种核心承载网络，如 GSM 、GPRS 、Wi Max 、3G/4GWLAN 、三网融合等。对于物联网建筑能源管理系统来讲，通过汇聚网的短距离通信技术将底层设备的信息收集，并通过接入网的 M2M 及全 IP 融合架构实现数据接入到承载网，最后由 GSM 、GPRS 、3G/4G 、WLAN 等各种核心承载网技术将数据送到物联网的应用层，实现物联网建筑能源管理系统感知层数据的接入。

物联网应用层涉及的关键技术有云计算、对象名称解析服务、中间件技术、物联网业务平台等技术。对象名称解析服务是联系前台中间件软件和后台服务器的网络枢纽，将 EPC 关联到这些物品相关的物联网资源。云计算技术是构建物联网平台的关键技术，云计算是基于网络将计算任务分布在大量计算机构成的资源上，使用户能够借助网络按需获取计算力、存储空间和信息服务。物联网业务平台主要通过构建系统模型等，针对不行的领域来开发不同的物联网应用服务。

对于物联网建筑能源管理系统而言，其中的物联网业务平台是其实现能源管理服务的基础，根据现场层采集的数据和集成管理系统中的对本建筑能源统计与分析数据，开发各种服应用层 感知层 网络层 能源管理应用 能源数据采集 网络接入 物联网能

源管理平台

物联网体系

务和应用，包括建筑能耗设备的远程监控和管理、数据库的管理和应用等。云计算则为物联网能源管理平台提供强大的数据保障，针对建筑能源管理系统运行过程中产生的海量原始数据，采用云计算模式实现数据的分析、处理。

物联网技术的应用可以使能源管理平台开发出面向用户的具体应用服务，针对搭建物联网智能建筑能源管理平台需求分析的研究，是实现能源管理应用服务的关键。

3.2 公共安全系统

公共安全系统是为维护公共安全，综合运用现代科学技术，以应对危害社会安全的各类突发事件而构建的技术防范系统或保障体系。内容包括火灾自动报警系统、安全技术防范系统和应急联动系统等。

3.2.1 安全防范系统

安全技术防范系统是以建筑物被防护对象的防护等级、建设投资及安全防范管理工作的要求为依据，综合运用安全防范技术、电子信息技术和信息网络技术等，构成先进、可靠、经济、适用和配套的安全技术防范体系。其主要内容包括安全防范综合管理系统、入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、电子巡查管理系统、访客对讲系统、停车库(场)管理系统及各类建筑物业务功能所需的其他相关安全技术防范系统。

1）视频安防监控系统

视频安防监控系统又称闭路电视监控系统，其主要作用是通过在公共场所（比如大厅、停车场、楼道走廊等）和主要设备间（配电室、设备主机房等）以及重要的部门（财务室、金库、重要实验室等）设置监控设备进行实时的摄像监控。通过显示器实时、准确、形象的反映建筑内各个监控点设备的运行和人员的出入活动情况，便于安防人员随时了解建筑内的主要地点和设备是否处于安全状态。一旦监测到某一个或者多个检测点出现非法入侵或设备严重故障等危险情况，可以及时产生相应的预警信号，便于管理人员做出处理决策，保证建筑物安全。

2）出入口控制系统

出入口控制系统（又称为门禁系统）利用现代控制技术、计算机网络技术和智能识别技术，为智能建筑出入口通道提供安全的管理，对出入建筑物内特定的通道或者场所的人员进行识别和控制，保证大楼内的人员在各自允许的范围内活动，避免人员非法进入。出入口控制系统可以为建筑物内的每一个用户设定一定的权限，规定其允许出入的区域，系统可以通过管理软件修改和取消用户权限，或者按照要求增加新的用户，用户在进出出入口控制系统的门禁控制点时，系统记录相应的人员进出信息。

3）电子巡查管理系统

电子巡查管理系统的主要功能是保证巡查人员能够按照一定的顺序和时间对巡查点进行巡查，并保证巡查人员的安全。巡查点一般设置在大楼的主要出入口、主要通道、紧急出入口、主要部门所在地、配电房等重要场所。电子巡查管理系统在巡查路线上设置巡查开关或者读卡器，巡查人员在系统预先设定的时间内到达巡查点，用专用的巡查开关钥匙开启巡查开关或者读卡，巡查点同时向控制中心发出“巡查到位”的信号，系统控制中心接收到“巡查到位”信号后记录巡查点的系统编号和巡查到达的具体时间。如果在规定的时间内，巡查点未向控制中心发出“巡查到位”的信息，巡查点同时发出报警信号，由临近巡查人员赶往该巡查点查看具体情况，保障巡查人员的生命安全。如果巡查人员未按照规定的顺序完成巡查，未巡视的巡查点也会发出“未巡视”的信号，控制中心也会做相应的记录。

4）入侵报警系统

入侵报警系统采用红外或微波技术的信号探测器，在一些无人值守的部位，根据建筑物安全防范技术的需要，在建筑物内进行区域界定或者定方位保护，当探测到有非法入侵、盗窃、破坏等行为发生时进行报警。

5）停车场（库）管理系统

随着车辆数量的急剧增长，传统的人工管理的停车场（库）已经不能满足效率、安全等方面的要求。停车场（库）的自动化管理是利用现代的机电设备，对停车场（库）提供高效率的管理和维护，不仅减少了人员的配置数量，还提高了停车的安全性。停车场（库）管理系统主要由三个子系统组成，即车辆自动识别系统、收费系统和保安监控系统。

3.2.2火灾报警系统

火灾自动报警系统是依靠现代检测技术、自动控制技术和计算机技术对火灾进行早期探测和自动报警，从而确保人身安全并最大限度地减少财产的损失。火灾自动报警系统是智能建筑公共安全系统中非常重要的部分，因为现代高层建筑的建筑面积大、楼层多、人员密集、用电设备多，这就使得火灾隐患多。而电梯井、电缆井、空调及通风管道等竖向孔洞，将使得火势蔓延快，危险性大。因此，智能建筑火灾自动报警系统的重要性更加突出，对消防系统的安全可靠性、技术的先进性及网络结构、系统联网等方面也提出了更新、更高的要求。

火灾自动报警系统的宗旨是“以防为主，防消结合”。其主要作用是通过自动化手段实现早期火灾探测，及时发现并报告火情，联动控制自动消防设施，控制火灾的发展，确保人身安全和减少财产的损失，将火灾消灭在萌芽状态。火灾自动报警系统包括火灾探测报警系统、可燃气体探测报警系统、电气火灾监控系统和消防联动控制系统，前三者的作用是将现场探测到的温度或烟雾浓度、可燃气体的浓度及电气系统异常等信号发给报警控制器，报警控制器判断、处理检测信号，确定火情后，发出报警信号，显示报警信息，并将报警信息传送到消防控制中心，消防控制中心记录火灾信息，显示报警部位，协调联动控制。联动控制系统的作用是按一系列预定的指令控制消防联动装置动作，比如开启着火层及上下关联层的疏散警铃和消防广播通知人员尽快疏散；打开着火层及上下关联层电梯前室、楼梯前室的正压送风及排烟系统，排除烟雾；关闭相应的空调机及新风机组，防止火灾蔓延；开启紧急诱导照明灯，诱导疏散；迫降电梯回底层，普通电梯停止运行，消防电梯投入紧急运行等。当着火场所温度上升到一定值时，自动喷水灭火系统动作，在发生火灾区域进行灭火，实现消防自动化。

3.2.3 应急联动系统

应急联动系统是大型建筑物或其群体构建于火灾自动报警系统、安全技术防范系统基础之上应对突发事件的应急保障体系。应急联动系统具有对火灾、非法入侵等事件进行准确探测和本地实时报警，以及对自然灾害、重大安全事故、公共卫生事件和社会安全事件实现地报警和异地报警、指挥调度、紧急疏散与逃生导引、事故现场紧急处置等功能。应急联动系统一般包括有线/无线通信、指挥、调度系统、多路报警系统、消防－建筑设备联动系统、消防－安防联动系统和应急广播－信息发布－疏散导引联动系统等。智能建筑中的应急联动系统主要包括消防—建筑设备联动系统、消防—安防联动系统、应急广播—信息发布—疏散导引联动系统、有线/无线通信、指挥、调度系统、多路报警系统。

3.3 智能家居

3.3.1 智能家居概述

智能家居对于我国来说还是一个新兴的产业，正处于导入期与成长期的临界时期，市场上的消费观念虽然初步形成，但还没有普及。但是随着消费者消费观念的培养，智能家居市场的消费潜力一点是十分巨大的，产业前景一片大好。正是由于对未来市场的信心，国内的企业都越来越重视智能家居这个市场了。特别是对用户需求的深入研究和对未来国内智能家居发展环境的分析，大量国内优秀的研发团队不断崛起，并树立自己的品牌，逐渐成为行业中的佼佼者。智能家居在国内的发展已经有12 个年头了，从最初的一个想法，到如今的一个个实实在在的产品，其中是一段段不为人知的艰辛历程。

智能家居系统包括灯光控制、家电遥控、安防监控、远程控制、门禁以及一些智能化操

作，这些计算机监控功能，是在对各种传感器数据进行采集、融合和处理的基础上，做出反应的。智能家居系统为用户提供方便快捷监控方式，让用户在有网络的地点随时查看家庭环境信息和对家居设备进行控制；同样，智能家居系统包含的这些监控功能也可以组合在一起，形成联动的智能化处理，简化用户操作，也可以按照用户的设置进行联动反应。

具体到一个智能家居的住宅里，它包括了家中的安防系统、家居布线系统、智能照明系统、家庭智能化集成系统、家庭自动化控制系统等。智能家居不一定是昂贵的，但它一定是非常智能的，它的智能就来自于这些系统设备。

3.3.2相关技术

1）嵌入式技术

嵌入式系统核心部件是各类嵌入式处理器，随着嵌入式系统的发展，处理器也在不断发展。根据其现状，嵌入式处理器分类如下：（1）嵌入式微处理器，按照特定的功能保留相关部分，去除冗余。具有体积小，可靠性高优点。具有代表的Power PC 、ARM 系列等；（2）嵌入式微控制器，常用的是单片机，具有体积小、功耗低等特点，广泛应用于工业领域。如8051、MCS-251 等；（3）嵌入式DSP 处理器，用于信号处理，具有较高的运算效率和处理速度。代表的有TMS320C2000/C5000 系列、MCS-296 等；（4）So C 片上系统，直接在处理器中内嵌代码，提高生产效率和体积，如Tri Core、M-Core、ARM 系列旗舰等。随着嵌入式系统功能的提升，嵌入式操作系统越来越重要。目前应用较广泛的嵌入式操作系统有Linux，微软的Windows CE，以及Wind River 公司的Vx Works。

2）嵌入式Web 服务器技术

随着Internet 技术的兴起，在嵌入式设备中，基于Web 方式的应用越来越广泛，这种方式一般采用B/S 结构，即在嵌入式设备上运行一个支持脚本或CGI 功能的Web服务器。

3）蓝牙技术

蓝牙技术是一种“暴露的”无线通信技术。蓝牙协议可以分成4 层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层。蓝牙的核心协议包括基带(base band)、链路管理(LMP)、逻辑链路控制与适应协议、业务搜索协议(SDP)4 部分。

3.3.3 智能家居功能设计

智能家居系统中，用户可以通过手机和电脑远程控制家居设备，也可以通过手机蓝牙近距离控制设备。本地主控制器负责家电设备的智能控制，报警信号的接收和发送至用户和小区服务器，同时负责视频监控安全。家居功能如图4 所示。

手

机

PC 机远

程

外部通信

近

距

离

手

机

智能家居

主控制器

小

区

服

务

器

家庭安全监控安全报警系统

家电智能控制

摄像头

其

他

电

器

空

调

灯

光

电

源

煤

气

监

控

红

外

传

感

器

烟

雾

传

感

器

网络/3G、4G

网络

C/S

蓝牙无线/有线

图4 家居功能图

1）家庭安全防护

通过红外、烟雾、煤气等传感器来探测家居安全，当有外来入侵时，红外传感器即将感应信息通过报警的方式发送到用户以及小区服务器；家居出现火灾情况时，烟雾传感器将报警信息发送到用户以及小区服务器；出现煤气泄漏时，煤气传感器将报警信息发送到用户以及小区服务器。

2）家电智能控制

当用户远离家中时，可以通过PC 或者是手机上网登陆智能家居网络系统，来实现家居的控制。另外当用户在家中时，一方面，可以通过智能终端系统实现家居的本地控制；另一方面，可以将手机作为家电遥控来使用蓝牙控制家居家电。

3）家居安全监控

家居中配备有摄像头，用户可以通过连入Internet 的PC或者手机，连接到流媒体服务器，远程实时查看监控摄像头采集到的视频信息，实现远程监控的功能。

4）外部通信

用户可以通过上网登陆智能家居网上系统，来与家中设备进行远程交互。同时也可以通过手机蓝牙近距离遥控家中设备。

5）环境检测

根据物联网技术和智能家居的特点，本论文设计的基于物联网的智能家居环境监测系统的主要组成包括：各种传感器节点，Zig Bee 协调器，家庭网关和远程的终端设备。由Zig Bee 协调器和传感器节点组成Zig Bee 网络，实现不同信息的监测和传输。Zig Bee 协调器同时对接受到的数据进行分析、处理，通过家庭网关传送给远程的终端设备。

4 智能建筑的发展与展望

智能建筑不仅可以节省能源、保障安全、给人们带来便捷，也有利于可持续发展，如今，智能建筑正在成为我国建筑发展的一种趋势，但是，智能建筑在发展的过程中仍面临着许多挑战。由于智能建筑在我国刚刚兴起，还有很多课题需要人们去探索和解决，其中最主要的问题是高成本和技术，智能建筑的高昂建设成本和维护成本严重阻碍了开发商的热情，所以智能建筑必须最大程度地发挥其能源管理和控制上的优势，追求其长期的节能效果来提高其性价比。技术的限制也束缚了智能建筑的发展，由于在智能建筑、绿色建筑的技术方面没有取得突破性的成果，新的解决发难没有得到快速的应用，要发展智能建筑还有很长的路要走。【参考文献】

基于智慧小区的智能家居的设计与实现