基于物联网的智能楼宇系统研究

基于物联网的智能楼宇系统研究

作者：张小龙等

来源：《移动通信》2013年第15期

【摘 要】针对当前总线型楼宇管理系统中子系统相对孤立、缺乏系统联动、不易改造和扩展等问题，对智能楼宇和物联网技术进行了研究，结合现代智能楼宇的需求，设计了一种基于物联网的智能楼宇系统架构，并着重对物联网在智能楼宇应用中的无线组网方式、无线通信协议和无线路由协议进行了分析。

【关键词】物联网 智能楼宇 无线传感器网络

中图分类号：TN915.9 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-15-0019-04 1 引言

楼宇是现代城市的建筑主体，也是人们生活和工作的主要场所。现代化的楼宇不仅要给人提供安全、舒适、贴心的友好环境，还应当具备高效、快捷、节能等特点。

智能楼宇（Intelligent Building）最早兴起于西方发达国家，近几十年来，智能楼宇管理系统（IBMS）的发展主要经历了五个阶段：中央监控系统（CCMS），分布式控制系统（DCS），开放分步式控制系统（ODCS），网络集成楼宇监控系统（WIBMS）和近几年兴起的无线楼宇监控系统（WBMS）[1]。

当前智能楼宇管理系统的设计以有线组网为主，包括以太网和局域网。有线组网技术具有技术成熟、结构简单、可靠性和稳定性好等特点；但其必须保持物理连接，且布线困难，成本较高，给产品的升级和改造带来了极大的困难。

将物联网技术跟智能楼宇相结合，是现代化楼宇发展的必然结果，它在推动智能楼宇应用的同时，也将带动物联网技术的研究和实践。 2 技术背景 2.1 物联网

物联网是通过多个具备感知能力的传感设备，按约定的协议形成自组织、智能化的传感器网络，再通过智能化的计算和互联技术的支撑，实现信息的汇聚、整合、共享与智能处理[2]。

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物联网是在互联网基础上的延伸和扩展，其技术架构主要分为3个层次：感知层、网络层和应用层。

感知层主要通过接触和非接触式的测感技术、微波和射频等无线通信技术，以及传感器网络技术等手段，实现数据的感知与采集，是物联网的基础。网络层将传感器网络与互联网技术、移动通信技术相融合，实现采集数据的可靠传送和广泛互联。应用层主要由各种应用系统组成，通过对采集数据的聚集与分析，为用户的具体应用提供有效支撑。 2.2 智能楼宇

传统的楼宇管理往往涉及十几甚至几十个独立的子系统，这些系统功能各异，其“烟囱化”运维管理不仅运维成本高、效率低，而且缺乏系统联动，系统间易形成“信息孤岛”，对复杂的情况难以做出及时有效的判断和处理，服务水平滞后。

智能楼宇是以通信技术为主干，利用系统集成的方法，将计算机技术、网络技术、自控技术、软件工程技术和建筑艺术设计有机地结合起来，打通各个孤立系统间的信息壁垒，使楼宇成为一个信息互通的智能主体，实现对楼宇的智能管理及其信息资源的有效利用[3]。 智能楼宇管理系统的核心应该是一个集信息汇聚、信息聚合、智能分析等功能于一体的通用平台。它从信息交换和共享的角度来看待智能楼宇，将具体的楼宇管理系统和底层设备相分离，在第三方应用和设备子系统间建立信息交换与共享的通道。这样，设备子系统与第三方应用一样被看作连接在楼宇管理系统上的一种应用，而不是被集成对象。这种概念有利于设备生产者开发出更加智能化、更适合网络化社会的设备子系统，同时也有利于促进其他应用的开发者开发出更多更好的相关应用[4]。 3 基于物联网的智能楼宇管理系统 3.1 系统整体架构

基于物联网的智能楼宇管理系统的整体架构如图1所示，分为三层：基础设施层、通用平台层和智能应用层。

基础设施层，将原来的有线传感设备替换为物联网中的无线传感设备，更加方便部署、维护和改造。该层主要负责初始数据的采集和汇聚，包括终端设备、汇聚设备和传输链路。终端设备即感知节点，如门禁扫描器、智能电表、烟感器、温感器等，它们对部署区域的各种监控指标进行采集，并定时传递给汇聚设备；汇聚设备即汇聚节点（如基站），它们对覆盖范围内的感知节点的数据进行汇总，并传递给上层服务器。

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通用平台层，是对底层设备和上层应用的屏蔽，它采用B/S架构，方便移动接入，主要实现与基础设施层的融合适配，对从基础设备层采集到的数据进行标准化处理，跨系统关联，对各子系统提供的功能进行标准封装，给上层应用提供外部接口。

智能应用层，主要功能是利用通用平台层提供的接口，开发楼宇管理所需要的具体应用，如楼宇统一告警应用、楼宇能源管理应用和统一设备信息管理等，并依托下层平台提供的跨子系统数据，进行跨子系统的管理和运维。 3.2 系统设计方案 （1）无线组网方式

在智能楼宇中采用无线传感技术会遇到许多困难。首先，无线传感节点依靠电池供电，能量有限，覆盖范围较小；其次，楼宇内部结构复杂，不但有门、墙等的阻挡，还有手机、路由等无线设备的干扰，使大楼内无线信号的传输变得难以控制，进而影响到上层应用的服务质量。

由于不能保证每个传感器都能直接与基站进行有效的通信，因此传统的点对点或基于基站的单跳无线组网方式不再适用。本文设计的系统中采用Ad hoc模式的无线组网方式，系统网络部署方案如图2所示。 （2）无线通信协议

为了节省能量，无线传感设备大都采用短距离无线连接技术，目前主流的短距无线连接技术包括无线局域网（Wi-Fi）、IEEE 802.15.1（蓝牙）、短距通信（NFC）、IEEE 802.15.4（ZigBee）和超宽带（Ultra Wide Band）[5]。其中，Wi-Fi、NFC和超宽带都采用基于基站的单步工作模式，不适合无线传感器，而ZigBee和蓝牙均支持Ad hoc模式。经过比较（如表1），ZigBee更适合智能楼宇中的无线传感器，它对系统资源要求较少，接入设备较快，可支持的设备数较多，并且具有极小的功耗。 （3）无线路由协议

在无线传感网络中，数据路由是造成网络开销的最大不必要部分，而传统的网络路由协议并不能满足低能耗、高信任度和适应复杂环境的要求。

本文设计的系统中采用了一种基于能量广播和通信开销的路由方法（ECCR）[6]。该方法用节点剩余能量和通信开销作为拓扑权重来竞争簇头结点（即汇聚节点），选出簇内能量较多的节点作为汇聚节点，每隔一段时间竞争一次，用以均衡簇内平均能量消耗；同时，将连接可靠度和跳数用来建立拓扑，这样节点每次发送消息的成功率与能量消耗的平均期望值就最小，

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在网络环境不是很好的情况下，能有效地减少簇头节点的能量消耗。与传统的基于能量的路由算法（如DECEC（基于能量消耗和链路的转发路由协议））相比较（如图3），此路由算法不仅能节省能量，而且可以确保拓扑连接的可靠度，有效地延长了网络的生命周期，非常适合智能楼宇中无线传感网络的使用。 3.3 系统特点

与现有的智能楼宇管理系统相比，本文提出的系统架构有如下特点：

（1）基础设施层采用物联网设备并组成无线传感网，易部署、易维护、易改造，设备信息有统一的数据格式，为不同子系统间的互联提供基础。同时，该无线传感网采用了合适的组网方式、传输协议和路由协议，在利用无传感网优点的基础上，节约了网络能源，延长了网络生命周期。

（2）通用平台层利用设备信息的互通性，将底层设备与上层具体应用解耦，各个子系统不再孤立运行，方便了不同子系统间的联动和管理。而且，在网络环境允许的情况下，可以将通用平台层放入云端，对不同楼宇、不同园区甚至不同城市的楼宇进行统一管理，通过数据挖掘和横向对比，制定更加高效和节能的管理政策。

（3）利用通用平台层提供的跨系统的标准化数据，智能应用层可以针对具体的楼宇特征实现个性化的管理应用定制，方便在云端统一管理的情况下实现差异化应用。 4 总结

目前，在智能楼宇中使用无线传感器网络面临着网络连通性和能量效率问题。本文设计的系统充分考虑了楼宇管理系统自身的特性，通过选择自组织网络拓扑，使用基于能量广播和通信开销的路由方法，在保证网络连接可靠性的基础上，降低了网络能耗，延长了整个网络的生命周期。如何在平台层面设计完善高效的第三方应用接口，将是关系基于物联网的智能楼宇管理系统推广应用的重要问题。 参考文献：

[1] 许红艳. 智能楼宇管理系统的研究及设计[D]. 贵阳： 贵州大学， 2010.

[2] Juan Pablo Conti. The Internet of Things[A]. IET Communications Engineer， 2006： 20-25. [3] Gao Manru， Su Wei， Xue Lijun. Engineering Design of Intelligent Building Management System（IBMS） [A]. International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering， 2010： 337-340.

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[4] 童志军，邬思军. 基于物联网技术的未来智能楼宇系统探析[J]. 萍乡高等专科学校学报， 2012（29）： 71-74.

[5] 许毅平，周曼丽. 无线网络技术在智能楼宇中的应用研究[J]. 计算机工程与设计， 27（22）.

[6] Jing Weipeng， Liu Yaqiu. Routing protocol based on Link Reliability for WSN[J]. Physics Procedia， 2012（33）： 410-416.

[7] Liu Lihong. Study on Problems Existing in Building Intelligent Community and System Integrated Management in China[A]. BMEI， 2011： 471-474.

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