浅谈物联网在智能建筑中的应用

1 前言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次革命浪潮，在航空航天、医药卫生、农业生产、轨道交通、智能建筑等十几个领域均有广泛应用。国家标准《智能建筑设计标准》ＧＢ/Ｔ５０３１４－２００６定义物联网为“将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合、资源共享。”换言之，联网就是通过射频识别（ＲＦＩＤ）、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，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，形成一个巨大的网络，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[１]~[４]。获得精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，实现人类社会与物理系统的融合，改善人与自然界的关系。自２００９年物联网正式列入国家信息产业战略发展目标，在各个领域的应用逐步扩大，智能交通、智能电网、智能物流等应运而生。在建筑行业中，应用物联网技术的智能化系统，可实现任何智能化功能，不需要去规划、不需要让其他厂家做开发、定制，只要用鼠标就可以随时自行创造，把人的思想融入到整个系统里去。智能建筑技术遍及各个行业，从传统“弱电”基础上，延伸为“综合集成系统”，智能建筑技术遍及数字城市，是其核心技术之一，也是构建绿色建筑的重要技术[５]之一。

2 传统智能化系统存在的问题

建筑智能化系统一般包含十几甚至几十个子系统，如图１所示。传统的建筑智能化集成通常采取软件集成方式解决，即通过计算机网络技术，将各个独立控制系统的工作站（主控电脑等）、设备及系统功能和信息及数据采集等集成到统一的智能化系统之中。

由于该集成方式涉及到多个厂商、多种协议及部分跨系统联动，需要解决诸如各系统协议、接口、施工配合等诸多问题。此外，在系统的实时性，可靠性方面也有待商榷。例如：刷卡开门，同时联动灯光和空调，这个简单的操作策略在传统的智能化系统中需要定制软件，经过综合安防管理平台、系统集成管理平台（ＢＭＳ）、照明系统、空调末端系统，层层网络转发才可实现，实现方案复杂、成本高、需要诸多厂商配合难度大、实时性可靠性差，故传统的智能化系统集成实现跨系统联动较困难，很多集成“只监不控”。当前系统集成可能面临的问题大致如下：

（1）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，或者只开放一小部分，没有统一的接口和数据库，使得技术协调变得困难，很难满足用户的量身定做的智能化要求，甚至很基本的智能化联动功能实现都有难度。

（2）施工工期长，工程造价高。由于各个子系统采用不同的布线和施工方案，例如门禁、照明等系统都有各自的线槽，线槽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。

（3）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，而且还使用系统之间的联动、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。

（4）系统扩展性降低，使用不方便。随着时间的推移，当用户的使用需求发生变化时，要增加新的子系统或控制策略，此时设备需重新调试或布线施工，扩展性低直接导致了二次改造成本的提高；并且，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。

（5）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，很难实时可靠地进行多系统联动。

当前几乎所有的建筑智能化系统都以软件定制集成技术来实现，这种系统的缺陷导致绝大多数建筑智能化集成成为摆设，用户无法有效使用，严重阻碍建筑智能化行业的发展。与其前期要用户或设计院做大量工作，绞尽脑汁的想控制方式，不如提供一个智慧的平台，让用户可以随时依照个人需求去完善或修改策略，这就是物联网带给我们生活带来的便利。

3 物联网建筑智能化系统构成

物联网的核心含义就在于，它要实现的是物与物的相连，是在互联网技术基础上进一步发展的信息应用架构。对于建筑智能化来说，物联网的应用体系架构由控制域、信息域两部分组成（如图２）：

（1）联动控制功能以及控制域全局事件处理集中在“控制域”，通过底层控制总线层网络互联和技术融合实现跨总线、跨网段、跨子系统的总线级的无限联动控制，系统联动不依赖电脑工作站和服务器，反应速度在毫秒级，高度可靠和稳定。而且系统的联动设置采用友好的人性化界面，可极大的提高系统的使用及编译性；

（2）“信息域”重点实现综合管理和增值应用，重点实现各子系统的运行状态、故障状态、报警信息、运营信息、设计档案、安装档案的搜集、整理和分析，为设备管理、运营、维护、决策提供科学的技术手段和决策依据；同时提供智能化集成系统与其他信息化系统（如ＯＡ、ＨＲ等）的标准接口，为智能化系统与其它系统的信息沟通与远程控制提供必要条件。总之，在智能建筑中，物联网技术及体系能够使各种设备在“控制域”层实现互联互通，在“信息域”层集成，进行监测、策略编译等统一管理。这一解决方案已在国内众多大型项目中得到成功应用。

4 ＳＡＦＴＯＰ物联网建筑智能化系统架构

下面以美国ＳＡＦＴＯＰ物联系统解决方案及产品为例，解析物联网平台在智能化建筑体系中的搭建。ＳＡＦＴＯＰ物联系统采用双ＣＡＮ总线的多主架构方式，将不同子系统的传感或执行终端混合组网，通过底层的控制总线或硬件接口就可以进行无限的联动控制，相互呼应，可以同时支持ＴＣＰ／ＩＰ、ＲＳ４８５、ＤＡＬＩ等多种通迅总线混合组网，支持ＢＡＣｎｅｔ、ＭＯＤＢＵＳ、ＤＡＬＩ、ｅ－ＤＡＬＩ等国际标准通讯协议和用户自定义协议，使得建筑可以与人沟通，可以与人对话，变得有“大脑”，有“智慧”，通过简单配置后无需桌面电脑参与即可实现人性化的应用。如图３所示，ＳＡＦＴＯＰ物联系统能够将不同的设备通过控制器连接在一起，并构建多个子系统的集成平台，实现统一而互联互通的环境。并且，通过底层联动的基础，ＳＡＦＴＯＰ物联系统无需全程链接机房服务器，只需要数据上传或指令更改时将服务器连入网络，即可进行信息的采集、分析工作。对系统事件的划分处理大致分为如下三类：

（1）与控制系统相关的“控制域”全局事件：当某些事件发生后，系统中多个控制系统作出反应，具体体现在子系统的联动上。如：安防联动、消防联动、主要设备突发故障的全系统联动；

（2）与业务管理需求相关的“信息域”全局事件：当业务管理上发生某种请求后，需要读取多个子系统的数据，形成一组具有具体业务含义的数据，并以图表等形式表达出来。如：内部资金管理、设备管理、信息汇总；

（3）既与业务管理系统相关又与控制系统相关的全局事件：当业务管理上发生某种请求后，需要读取多个子系统的数据，在对这些数据处理的基础上，对控制系统的设备动作产生影响，如身份识别：系统可使该区域内所有设备根据访问者的身份与其所在工作区自动完成设备的起停与控制，不同人则受控对象与运行模式不同。用户需求变化后的功能调整，物业管理人员可以利用“傻瓜式”平台快速完成，并不需要专业公司现场服务，这是其它集成平台所难以达到的。

5 ＳＡＦＴＯＰ物联网建筑智能化系统技术简述

ＳＡＦＴＯＰ物联网平台可为用户实现各种个性化服务策略，可以轻易实现各子系统的协同运行，比如：通过刷卡身份识别电梯自动到达指定楼层，开启电梯厅与通道照明，开启办公区空调、工作区照明并保持工作区照明的恒照度；报警系统自动撤防；人离开时系统自动关办公室空调、照明，报警系统自动布防等。ＳＡＦＴＯＰ是如何实现以上诸多功能的？如图４所示：

ＳＡＦＴＯＰ系统采用物联网两层体系结构，包括信息域（思想管理平台、管理和控制策略）和控制域（物理设备层）。

（1）控制域的核心技术是ＩＯＴ－Ｌｉｎｋ协议栈，将其嵌入底层设备后，能够实现点对点、点对多点、多点对多点的横向互联互通，使包括传感器、控制器、执行器等设备具有全局分享功能，可以接受人类的策略和智慧，按照功能和接口进行区分，取代了按系统的划分，支持重复定义。ＩＯＴ－Ｌｉｎｋ协议栈技术并非推翻过去，而是将已经在使用的设备通过协议转换的方式、网关路由的方式包容进系统，是一种包容措施。作为智慧单元的ＮＬＰＵ控制器能够解析用户发出的指令，实现“我的大脑我做主”的创想。

（2）信息域是ＳＡＦＴＯＰ系统的思想管理平台，它的作用是管理和控制策略。ＳＡＦＴＯＰ系统的思想管理平台囊括了众多各式的非定制软件。这些软件具备用户可自行创建的物联策略组件，可以创建智慧模型，具备跨行业的管理平台和可装卸的业务模块，支持用户自定义的业务交互，并可以加载各种泛在网络，如楼和楼之间已经建立的网络、办公局域网、２Ｇ／３Ｇ　Ｗｉ－Ｆｉ等，将其与控制层的ＩＯＴ－Ｌｉｎｋ协议层共同纳入ＴＣＰ/ＩＰ网络体系中。

6 ＳＡＦＴＯＰ物联网建筑智能化系统优势分析

ＳＡＦＴＯＰ物联系统能够创造悄无声息、高可靠、高安全的环境，提供随心而动的智能化办公或住宿环境，在节能减排方面有很大优势，可以节省开支，提高物业管理水平，提升服务档次，更易获取ＬＥＥＤ等节能认证，提升物业收益。

物联网理念和技术的嵌入赋予ＳＡＦＴＯＰ系统极大的先进性：

（1）多系统物联，智能随心而动。ＳＡＦＴＯＰ物联网系统构建了一个开放式架构的统一数据库平台，统一的管理软件平台，统一的通讯总线，统一通讯协议，统一设备编址，统一消息机制，统一扩展接口，统一联动设置；楼宇智能化无需要集成，无需定制软件，无需现场编程，具有高度的统一性，一切操作与控制都取决于用户的想象力。任何智能化功能只需轻点鼠标即刻产生。

（2）多系统混合组网，节约省时。门禁系统、报警系统、智能照明、空调控制、电梯控制、ＣＣＴＶ联动、消防联动、一卡通等多个子系统可混合组网，共用一组总线，反应级别在毫秒级，与传统集成方案相比可节省多达７５％布线施工成本，同时省去了各个系统的硬件联动设备与软件定制的成本。

（3）硬件联动，高性能高可靠，不易受电脑病毒影响和操作员失误的干扰。如图５所示。所有的硬件联系都不依赖于软件及上层的服务器，在物理层上就可以实现信息联动及分享。火警联动开门，刷卡开门时撤防并开灯开空调等多系统间互相联动不再依赖工作站和服务器，设备之间在现场工业控制总线上即可实现点对点或多点及广播通讯，具有高度可靠性；所有设备采用工业级别的高可靠设计。

（4）面向用户式操作，使用简单方便。ＳＡＦＴＯＰ免集成平台突破传统系统集成概念的思想束缚，把多个子系统预集成到一个统一的软件平台中，设备管理、事件查询、设置联动等一目了然；真正以用户的使用价值为导向，便捷的操作即可实现专业级人性化的智能服务。一般来说，对使用者最多培训两天，就能熟练使用系统。

（5）即插即用免调试，大幅缩短工期。ＳＡＦＴＯＰ免集成平台的所有硬件设备即插即用，ＳＡＦＴＯＰ公司的系列控制器、总线级可编程网关路由器已经大量预装载了人工智能与专家系统软件，能轻松的自动扫描识别设备，自动分配地址，自动加入数据库，通电即可投入使用，这在工业设备中是比较少见的，能够大幅缩短工期。安装不需要专业工程师，只要有一定的专业基础，并进行相关的培训，即可完成安装工作。

（6）智能化无需事先规划，事后易变通。使用ＳＡＦＴＯＰ系统进行智能化设计时，只需在各个子系统做出所需设备点位表即可，任何用户所需的智能化功能在系统安装调试完成后，可随时任意增加和调整。对于设计院而言，也有相当大的便利。设计院只须做些表，就可以根据预算，门禁、报警、空调负荷等，将数量控制住，从而，控制住成本。

（7）绿色环保节能，充分提高能源利用率，增加企业经济效益。传统的ＩＢＭＳ控制系统只能通过调整设备的工作效率，而应用物联网的智能建筑控制方案，不仅可以提高设备的工作效率，还可以根据人的行为进行资源的合理分配，减少人为浪费，达到精细化节能。

7 结束语

智慧、更安全更可靠更实时、在运营节能方面有更深的可挖掘空间，为使用者缔造更舒适的环境，可发挥用户更丰富的想象力，最大限度的降低综合造价。应用ＳＡＦＴＯＰ智能物联系统的大梅沙万科总部项目获得了美国绿色节能的白金认证，这是全球最高的节能奖。在智能建筑领域，以“ＩＯＴ－Ｌｉｎｋ”为技术核心的ＳＡＦＴＯＰ物联系统解决方案率先获得《工信部智慧百城关键技术创新奖》，《智慧民生关键技术及解决方案奖》，深圳高交会《优秀产品奖》等多个奖项。智能建筑物联网平台在传统应用软件集成的基础上，加入了可靠性、Ｑｏｓ、安全、可管理等因素，使其适用于建筑物部属及应用。但它在智能建筑中的发展仍处于起步阶段，任重而道远，期待该领域中的同仁们共同努力，推进传统智能化建筑发展尽快步入向物联网时代，推进智能化城市向智慧化城市转变，让新技术理论更好的服务于人民生产生活。