物联网技术在智能楼宇中的应用

一、物联网核心技术概述 1.物联网的定义 物联网的英文名称叫The Internet of things。顾名思义, 物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网, 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间, 进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是: 通过射频识别( RF ID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备, 按约定的协议, 把任何物体与互联网相连接, 进行信息交换和通信, 以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 2.物联网的原理 物联网中非常重要的技术是射频识别（RFID）技术。RFID是射频识别（Radio Frequency Identification）技术英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。 而RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。 互联网, 即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。兴起于上世纪90年代, 目前仍以计算机设备的互联为主, 但已经有许多手机等终端设备实现了这一网络。 互联网使用的TCP/IP协议目前已经面临地址资源枯竭的难题, 目前使用的IPv4版本采用32位二进制数定义地址, 虽然总数能达到约43亿, 但是仍然不能满足现今全球网络飞速发展的需求, 因此IPv6版本应运而生,IPv6采用128位定义地址，可以提供的地址数量大幅度增加。理论上讲, 可以为地球上每粒沙子分配一个IP 地址,客观上为物联网的广泛应用提供了可能。 在互联网的基础上，任何的物，可以通过嵌入不同复杂程度的智能芯片,实现互相之间的信息交换。 物，可能是运动或需要方便改变方位的对象, 如运行中汽车、跟随父母的儿童、信件、包裹等; 也有许多处于固定状态的对象, 如需要监控的门窗, 检测火险的烟雾传感器等, 因为工程条件、外观、成本等各方面的因素, 不宜采用有线连接的方式接入互联网。所以,物接入互联网的主要途径是无线方式。 植入到物中间的智能芯片需要实现的功能包括: 物的标识、传感器信号的处理、底层物理通道的建立、信息交换、数据计算、数据处理、控制输出等。在这些功能中, 为实现物物互联, 最基础性的是传感技术(智能感知), 所以物联网又称为传感网。 物联网可分为三层: 感知层、网络层和应用层。 感知层是物联网的皮肤和五官, 识别物体, 采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等, 主要是识别物体, 采集信息, 与人体结构中皮肤和五官的作用相似。 网络层是物联网的神经中枢和大脑, 传递和处理信息。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理, 类似于人体结构中的神经中枢和大脑。 应用层是物联网的社会分工与行业需求结合, 实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合, 与行业需求结合, 实现行业智能化, 这类似于人的社会分工, 最终构成人类社会。 二、研究背景和意义 1.研究背景 物联网是互联网的应用拓展,应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心是物联网发展的灵魂,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。 置身信息化革命的浪潮,物联网是信息技术移动化的一个具体应用。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中,具体地说,就是把物联网感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道、办公和家用器具等各种物体中,然后将物联网与现有的互联网整合起来, 实现人类社会与物理系统的整合,在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群, 能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施的管理和控制, 在此基础上,人类可以实现无所不在的计算和网络,以更加精细和动态的方式管理生产和生活,管理未来的城市,达到智慧状态,提高资源利用率和生产力水平, 改善人与自然间的关系。 2.意义 智能楼宇是指利用系统集成方法，将计算机技术、通信技术、信息技术与建筑技术有机结合，通过对设备的自动监控、对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理、适合信息社会需要并且具有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。随着物联网概念的出现，物联网技术渗透到了各行各业，推动着对传统产业的技术升级和改造。借助物联网技术提升智能楼宇建设也是发展的必然。 经过物联网技术的升级改造，智能楼宇将有4 大特性：智能化，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具;信息化，提供全方位的信息交换功能，帮助楼宇内单位与外部保持信息交流畅通;可视化，将室内CO2 浓度、煤气浓度、光照、温度等不可见状态通过数据可视化的形式清晰明了地呈现给用户，让用户对楼宇内状态有更加直观的感受;人性化，强调人的主观能动性，重视人与环境的协调，使用户能随时、随地、随心的控制楼宇内的生活和工作环境。 三、国内外研究现状 毫无疑问,如果物联网时代来临,人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。然而,不谈什么隐私权和辐射问题,单把所有物品都植入识别芯片这一点现在看来还不太现实。人们正走向物联网时代，但这个过程可能需要很长一段时间。尽管如此,不管是国内还是国外,目前已经产生了一些成熟和先进的应用案例,如在门、窗、墙体上安装物联网传感器,计算机系统对这些传感器获取的图像、声音、温度、压力、振动、红外线等信息进行综合处理分析,分辨出爬上墙的究竟是人还是猫狗等动物, 多种传感手段组成一个协同系统后,可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。这一传感网防入侵系统,目前已经应用在上海浦东国际机场和上海世博会,并计划推广到全国民用机场，由此可知, 基于物联网的特点, 它将会在楼宇智能化方面最先得到普及应用。 目前, 国内通用的楼宇智能系统大多是通过多个独立的子系统来满足智能化的要求。每个子系统各自为政,有独立的传感器、独立的控制器, 甚至后台的管理系统都是独立的, 缺乏总体集成的概念和系统发展的考虑。 如此自然带来了以下若干问题: 1) 初期建设成本高, 因为每个系统的部件都不能共享, 不能融合, 必然导致整体建设成本居高不下。在各个子系统的建设过程中, 厂商们习惯从各自利益出发, 在接口上互相扯皮, 容易耽 误工期。施工工期长,工程造价高, 各个子系统采用不同的布线和施工方案, 布线一般采用有线形式, 重复布线与重复施工, 使得施工量加大, 施工工期延长; 各系统协同工作及其相互联动变得更加困难, 并且都需通过后期定制软件来完成, 使得调试周期延长。整合困难, 难以实现真正的智能化。不同供应商的产品如门禁、报警、空调、智能照明、一卡通等系统进行系统集成时, 由于没有开放的协议, 没有统一的接口和数据库, 使得技术协调变得困难, 甚至无法达到用户的智能化要求。 2) 管理及维护成本高, 因为每个系统都要不同的人员去管理, 需要不同的技能, 所以在管理方面, 会带来许多额外的开销; 每个子系统都得单独维护系统, 不能统一远程校调、维护。系统维护困难, 使用成本高。不同厂家的设备使用不同的通讯总线和通讯协议, 系统及设备相互兼容性差;各家使用不同的布线方案, 不但造成重复布线施工的材料浪费, 而且还使得系统之间的联动、数据资源共享等用户的人性化操作需求的实现变得困难或难以实现, 并增加了系统的使用和维护成本。 3) 系统扩展性降低, 使用不方便。用户在后期要增加新的子系统及设备, 需重新进行布线施工和调试系统, 扩展性降低; 用户需学习各个系统的不同的使用方法及进入运行多个不同的软件, 系统的联动及关联操作需在每个系统重复设置, 使用极不方便。软件定制集成, 不可靠难实时。弱电各子系统之间的联动需要专门定制, 信息需经过交换机等商用级网络路由, 再通过WINDWOS等软件平台交换信息, 环节多, 易受病毒、软件可靠性等影响, 很难实时靠地进行多系统联动。 四、系统实现方案 1.系统主要功能和架构 1.1 主要功能 基于物联网的智能楼宇管理系统主要由楼宇人员管理追踪和人员室内定位系统、楼宇设备智能控制系统、楼宇环境智能控制系统、智能无线视频实时控制系统、 智能楼宇停车定位及引 导系统等五大部分组成。其具体功能有： (1)室内环境监测 监测室内的有毒气体浓度、CO2 浓度、湿度、温度、光照强度等环境指标，并能实时地将这些数据以可视化的方式展示给用户。 (2)数据收集及保存 将室内布置的各种传感器收集到的数据和各个智能设备自身的数据上传到后台数据中心存储备份。 (3) 智能用户控制 通过智能手机等移动终端在室外通过网络远程控制的方式来操纵室中的各种智能设备，比如控制空调的温度、窗帘的开合、灯光的亮灭等。 (4)智能感知控制 根据室内感知到的数据，同时根据用户的当前位置和状态，智能地控制室内各种设备，调节室内环境达到用户最舒适、便捷、安全的要求。 (5)智能安防系统 智能楼宇提供自动分级安防模块，根据用户的当前位置和活动状态，提供不同安全等级的安防服务，达到节能、安全两不误。