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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。