基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能樓宇管理系統(tǒng)

摘要：智能樓宇已成為現(xiàn)代智能化建筑的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，給智能樓宇增添了新的活力。文中就物聯(lián)網(wǎng)中的RFID射頻識別、無線傳感網(wǎng)等技術在智能樓宇中的應用進行了探討，并介紹了智能樓宇的五大子系統(tǒng)的設計方法。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能樓宇；RFID技術；無線傳感網(wǎng)

0引言

“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)技術的應用已在各個領域推動著產(chǎn)業(yè)的升級。物聯(lián)網(wǎng)技術是集多專業(yè)交叉復合的技術，核心技術主要包括傳感器、無線傳感網(wǎng)、射頻識別、智能處理等技術。目前在現(xiàn)代物流、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)等領域得到了廣泛應用，并產(chǎn)生了巨大的效益。

智能樓宇是指利用系統(tǒng)集成方法，將計算機技術、通信技術、信息技術與建筑技術有機結合，通過對設備的自動監(jiān)控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務及其與建筑的優(yōu)化組合，所獲得的投資合理、適合信息社會需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建筑物。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn),物聯(lián)網(wǎng)技術滲透到了各行各業(yè)，推動著對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術升級和改造。借助物聯(lián)網(wǎng)技術提升智能樓宇建設也是發(fā)展的必然。

經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術的升級改造，智能樓宇將有4大特性：智能化，由原來的被動靜止結構轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又悄艿墓ぞ?信息化，提供全方位的信息交換功能，幫助樓宇內(nèi)單位與外部保持信息交流暢通;可視化，將室內(nèi)CO2濃度、煤氣濃度、光照、溫度等不可見狀態(tài)通過數(shù)據(jù)可視化的形式清晰明了地呈現(xiàn)給用戶，讓用戶對樓宇內(nèi)狀態(tài)有更加直觀的感受；人性化，強調(diào)人的主觀能動性，重視人與環(huán)境的協(xié)調(diào)，使用戶能隨時、隨地、隨心的控制樓宇內(nèi)的生活和工作環(huán)境。

1系統(tǒng)主要功能和架構

1.1主要功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇管理系統(tǒng)主要由樓宇人員管理追蹤和人員室內(nèi)定位系統(tǒng)、樓宇設備智能控制系統(tǒng)、樓宇環(huán)境智能控制系統(tǒng)、智能無線視頻實時控制系統(tǒng)、智能樓宇停車定位及引導系統(tǒng)等五大部分組成。其具體功能有：

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測室內(nèi)的有毒氣體濃度、CO2濃度、濕度、溫度、光照強度等環(huán)境指標，并能實時地將這些數(shù)據(jù)以可視化的方式展示給用戶。

數(shù)據(jù)收集及保存

將室內(nèi)布置的各種傳感器收集到的數(shù)據(jù)和各個智能設備自身的數(shù)據(jù)上傳到后臺數(shù)據(jù)中心存儲備份。

(3)智能用戶控制

通過智能手機等移動終端在室外通過網(wǎng)絡遠程控制的方式來操縱室中的各種智能設備，比如控制空調(diào)的溫度、窗簾的開合、燈光的亮滅等。

智能感知控制

根據(jù)室內(nèi)感知到的數(shù)據(jù)，同時根據(jù)用戶的當前位置和狀態(tài)，智能地控制室內(nèi)各種設備，調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境達到用戶最舒適、便捷、安全的要求。

智能安防系統(tǒng)

智能樓宇提供自動分級安防模塊，根據(jù)用戶的當前位置和活動狀態(tài)，提供不同安全等級的安防服務，達到節(jié)能、安全兩不誤。

(6)智能停車系統(tǒng)

廉價、小巧、低功耗的無線傳感節(jié)點(如無線弱磁傳感節(jié)點、無線超聲波測距節(jié)點、無線紅外節(jié)點等)作為基本感知節(jié)點，通過大規(guī)模布設，達到全方位、全天候精準檢測車位使用情況；信息可通過網(wǎng)絡發(fā)布至電子路牌、電腦、智能手機等聯(lián)網(wǎng)終端,擴大應用領域，可為不同層次用戶提供優(yōu)質(zhì)車位信息服務。

1.2系統(tǒng)總體架構

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇在技術層面分為5個層次：感知層、接入層、網(wǎng)絡層、支持層和應用層。

感知層:為智能樓宇提供最基礎最底層的數(shù)據(jù)感知功能，讓智能樓宇能夠“感覺到”室內(nèi)的點點滴滴；

接入層：通過不同傳輸協(xié)議，實現(xiàn)終端機頂盒與各用戶終端（手機、平板等）、智能樓宇感知設備和智能設備的數(shù)據(jù)傳輸。接入層終端通過樓宇網(wǎng)關Web方式）與網(wǎng)絡層實現(xiàn)互聯(lián)；

網(wǎng)絡層:通過因特網(wǎng)，網(wǎng)絡層為智能樓宇、支持層數(shù)據(jù)中心以及第三方（如醫(yī)療機構、安保機構等）進行互聯(lián)，允許各方進行數(shù)據(jù)交互；

支持層:為智能樓宇提供數(shù)據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)保存功能，為后續(xù)的數(shù)據(jù)共享和應用提供實時和歷史數(shù)據(jù)；

應用層：為用戶提供簡潔易用、美觀可視、隨時隨地的用戶應用，結合用戶控制和智能控制，為用戶提供舒適、健康、人性、安全的生活。

2樓宇人員管理追蹤和人員室內(nèi)定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括以下主要幾個功能模塊：人員出入管理系統(tǒng)、辦公人員定位系統(tǒng)、訪客管理系統(tǒng)等。

2.1人員出入管理系統(tǒng)

在樓宇入口處設置開放式通道，每一個進入樓宇的人員必須佩帶無線胸卡才能通過，每個卡上可以設置各持卡人的身份信息，當持卡人通過通道時就會在相應的顯示器中列出進入樓宇區(qū)域人員的歡迎信息，無需停留，自動識別人員，快速而且智能化。如果有非法人員進入樓宇區(qū)域，此通道會自動報警，有效阻止非授權人員進入，提高樓宇區(qū)域的安全性。在樓宇區(qū)域的電梯口及樓梯口設置隱藏式通道，如果有非法人員或外來人員未經(jīng)登記進入該通道后，此通道會自動報警,有效阻止非授權人員進入。

該系統(tǒng)主要由天線、讀寫器、聲光指示模塊、紅外模塊和用戶身份識別卡（電子標簽）等部分組成?？煽焖僮R別用戶佩戴的身份識別卡，同時判斷該用戶的進出情況，當無卡用戶通過時可發(fā)出聲光報警；身份識別卡由專用發(fā)卡器寫入個人信息。發(fā)卡器是一款桌面式RFID讀寫器，可讀寫符合ISO/IEC15693國際標準的射頻卡及ISO/IEC14443typeA類卡，通過網(wǎng)絡與樓宇管理中心聯(lián)接，主要用于發(fā)卡操作。

2.2訪客管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手寫來訪登記，實現(xiàn)訪客登記、管理一體化，達到“數(shù)字化登記、網(wǎng)絡化辦公、安全化管理”的效果，和開放式門禁、通道控制等系統(tǒng)集成后，形成人員進出管理、員工考勤及一卡通的全面解決方案。通過發(fā)卡器臨時發(fā)放ID卡后，訪客就可以通過出入通道到相關樓層訪問樓宇內(nèi)人員，如果該訪客達到非指定樓層時系統(tǒng)即進行報警,讓保安人員能夠?qū)崟r了解該人員的動態(tài)，保證樓宇財產(chǎn)的安全。

2.3人員定位系統(tǒng)

定位技術是比較復雜的技術。RFID射頻識別技術本身具有一定的目標定位能力，但是這種方式很難做到實用。主動式RFID定位技術定位準確，通信距離長，因此采用主動RFID標簽，結合“信號指紋”的方法來實現(xiàn)對人員的定位功能。系統(tǒng)由主動式RFID標簽、天線、RFID閱讀器和相應的軟件組成。

基于“信號指紋”的定位方法具體包括3個方面：部署場地規(guī)劃、信號指紋庫采集、信號指紋匹配。

在基于“信號指紋”的定位方法中，首先要做的便是對部署場地進行規(guī)劃。即確定每臺接收機（天線、RFID閱讀器）所處的位置并進行記錄。系統(tǒng)在樓宇區(qū)域的四周部署信號接收機。部署密度需達到在區(qū)域內(nèi)的任何點發(fā)送的信號可以被3個或者3個以上的接收機所接收到的要求。由于每臺接收機所覆蓋的面積有限，因此可以通過單個接收機所處的位置得到信號源（主動RFIDtag）所處的位置，這個大致的區(qū)域被稱為母區(qū)，例如所在樓層、所屬房間等。

在部署接收機之后，需要進行信號指紋的采集（訓練階段）。具體方法是首先對需要定位的區(qū)域進行網(wǎng)格化，通常采用1mX1m的區(qū)域作為網(wǎng)格的最小單元。之后測量人員佩戴一個RFID標簽，以網(wǎng)格為單位，在每一個網(wǎng)格中停留一段時間（通常選取1min）同時，另外一個工作人員記錄下接收到該標簽的信號機的編號，以及這幾個信號機接收到該主動式RFID標簽發(fā)出的信號對應的信號強度。處在不同網(wǎng)格中的主動式RFID標簽發(fā)出的信號會被不同的接收機所接收。并且即使相鄰位置處可以被相同的接收機接收到，由于距離這幾個接收機的距離發(fā)生了變化，因此接收信號會產(chǎn)生衰減。造成在這兩個相鄰位置處不同接收機測量的信號強度不同。我們將不同接收機測量到的主動標簽發(fā)出信號的信號強度作為該主動標簽在該位置處的“指紋”，并存入數(shù)據(jù)庫中。在訓練階段,為了避免接收機異質(zhì)（不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品或者相同生產(chǎn)廠家相同產(chǎn)品但是由于生產(chǎn)工藝造成的性質(zhì)不同）帶來的信號不一致，收集指紋時必須過濾噪聲并采用連接測量的方式記錄所有接收機的信號指紋。在整個信號指紋庫采集工作完成之后,系統(tǒng)便可以得到區(qū)域任意位置的信號指紋。

在信號指紋匹配階段（查詢階段），位置服務器首先確定該人員所處的母區(qū)，即大致位置。然后根據(jù)接收到該標簽的接收機編號，以及接收機接收到信號的強度在位置服務數(shù)據(jù)庫中進行匹配。最終返回相應的地理位置信息作為該標簽所在的實時位置。在查詢階段，指紋匹配采用帶權重的k近鄰算法。該方法可以有效避免異常信號測量值造成的巨大定位誤差，提高定位系統(tǒng)的精度和魯棒性。

3樓宇設備智能控制系統(tǒng)

通過物聯(lián)網(wǎng)在線控制技術，對樓宇內(nèi)部的各種設備進行智能控制。通過手機或其他移動智能設備就可以控制各種設備的開啟、調(diào)整和開閉操作。圖1所示是其系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)只需利用智能手機，就能管理控制樓宇內(nèi)部的各種設備。例如照明、空調(diào)、窗簾等。管理簡單、方便、省時又靈活。

整個系統(tǒng)包括智能窗簾、燈光亮度控制單元、智能開關、空調(diào)等的控制單元。這些控制單元對樓宇中常用的電器設備進行監(jiān)測和控制，并通過無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與室內(nèi)主控單元互聯(lián)互通（主控單元可以是固定的PC機也可以是用戶手持的PDA或手機），形成一個綠色智能的網(wǎng)絡，使得用戶可以自由操縱室內(nèi)的各種電器，真正成為生活的主人。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇組網(wǎng)采用分層體系架構，同樣可以劃分為感知層、網(wǎng)絡傳輸層、融合服務層3個層面：

智能樓宇感知層：包括了各種與電器相關的傳感器、控制器、執(zhí)行器及識別裝置等，以及有線網(wǎng)絡結合無線泛在網(wǎng)絡的物理連接。這一層還包括不同接入方式的MAC子層和鏈路控制子層，對上層網(wǎng)絡層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽異構網(wǎng)絡之間的差異；進行不同形式樓宇通信網(wǎng)絡間的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）映射，以支持不同網(wǎng)絡間進行方便互通；支持動態(tài)智能的有線及多種無線網(wǎng)絡的接入及選擇；

智能樓宇網(wǎng)絡層:主要包括樓宇內(nèi)部網(wǎng)絡和骨干網(wǎng)絡接入兩個部分。樓宇內(nèi)部組網(wǎng)支持的有線方式包括：以太網(wǎng)、串行總線USB1.1、USB2.0和IEEE1394等；無線方式包括：無線局域網(wǎng)、藍牙、紅外、ZigBee等。網(wǎng)絡接入層通過家庭網(wǎng)關與業(yè)務網(wǎng)關，實現(xiàn)不同應用協(xié)議規(guī)范的互聯(lián)互通互操作，并與骨干網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫連接；

智能樓宇服務層：以用戶為中心的融合業(yè)務層，提供用戶接口和不同制式的智能樓宇服務。通過智能樓宇組網(wǎng)多層協(xié)作的自適應QoS,自適應匹配異構網(wǎng)絡及終端設備，充分保證端到端的媒體、語音等多種業(yè)務的服務。

4樓宇環(huán)境智能控制系統(tǒng)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要用于室內(nèi)環(huán)境等相關監(jiān)控。可以監(jiān)控的參數(shù)有溫濕度、光照、粉塵、輻射、CO2等。

環(huán)境感知系統(tǒng)包括四大部分：信息采集（節(jié)點），用于感知數(shù)據(jù)獲取，傳輸；網(wǎng)關（節(jié)點），用于區(qū)域數(shù)據(jù)收集，互聯(lián)網(wǎng)接入，區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)配置；數(shù)據(jù)中心，用于據(jù)處理、存儲;移動智能設備用戶接口，用于用戶查看信息，用戶與系統(tǒng)交互。系統(tǒng)框架如圖2所示。

系統(tǒng)的核心模塊是智能感知節(jié)點（網(wǎng)關）。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用低功耗ZigBee無線射頻芯片及16位RISC指令集MCU和多種類型的傳感器組成。MCU采用TIMSP430F1611，具有48KBROM、10KBRAM、1MBFLASH。射頻芯片采用TICC2420，利用2.4GHz~2.4835GHz頻段，實現(xiàn)250Kb/s通信速率，室內(nèi)40m左右室外100m左右的通信距離。

通過智能感知節(jié)點獲取的各類信息，經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡匯聚進入網(wǎng)關，通過網(wǎng)絡進入樓宇信息管理中心，并得到基于Web的數(shù)據(jù)服務（感知服務）。

5智能無線視頻實時控制

利用無線智能攝像頭、智能視頻數(shù)據(jù)分析處理技術和智能終端信息系統(tǒng)實現(xiàn)無間斷的視頻監(jiān)控和事件監(jiān)測、報警,同時讓各類移動終端能實時獲取到視頻數(shù)據(jù)和事件通知。其功能服務模塊可以分為全天視頻監(jiān)控和智能視頻數(shù)據(jù)中心兩部分。

無線視頻監(jiān)控設備可以方便地提供不間斷視頻監(jiān)控。所有感知和監(jiān)控數(shù)據(jù)通過AP匯聚到樓宇管理信息中心，在信息中心對監(jiān)控信息進行實時顯示、智能分析、事件記錄、報警,并為各種終端（PC、移動智能終端、手持設備等）提供實時數(shù)據(jù)服務；所有視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后都將在信息中心進行存檔，并提供快捷歷史數(shù)據(jù)查詢。智能移動設備和無線手持終端可以接入訪問任何智能攝像頭數(shù)據(jù)，查看傳感器感知數(shù)據(jù)。

6智能樓宇停車定位及引導

隨著汽車保有量的迅速增加，而車位規(guī)劃滯后與機動車數(shù)量急劇增加的矛盾日益嚴重，停車位的有效管理及使用與人們的日常生活息息相關。傳統(tǒng)的人工管理不僅成本高，而且管理效果及質(zhì)量卻并不突出。采用無線傳感網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)智能化的停車位監(jiān)控系統(tǒng)，將極大提高車位的利用率和管理質(zhì)量。

停車位監(jiān)控系統(tǒng)由HMC5883L三軸磁阻傳感器、低功耗ZigBee無線射頻芯片及16位RISC指令集MCU組成。MCU采用TIMSP430F5137,有32KBROM、4KBRAM、1MBFLASH,射頻芯片采用TICC1100,利用433MHz?915MHz頻段，實現(xiàn)500?600(戶外)通信距離。通過檢測車輛引起地磁的微弱變化實現(xiàn)停車位的實時監(jiān)控。監(jiān)控設備不僅檢測當前狀態(tài)下該停車位是否有車輛停泊,還會與周圍停車位的監(jiān)控設備共享數(shù)據(jù)，利用無線傳感網(wǎng)的定位技術實現(xiàn)高準確度的監(jiān)控和車輛在停車場行駛過程中的路徑跟蹤，從而達到最優(yōu)化的車位選擇及車輛引導。通過監(jiān)控設備還可以獲取車輛進出時間和車輛停泊時間，為收費提供依據(jù)。

7結語

物聯(lián)網(wǎng)技術在國家的大力推動下發(fā)展迅速，而且在各行各業(yè)得到了應用。智能樓宇在近些年來得以較快發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術與智能樓宇的結合，必定將加快智能樓宇的發(fā)展，同時也推動物聯(lián)網(wǎng)技術本身的進步。

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