現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)中智能樓宇的發(fā)展趨勢及概況

張津瑞

0 引言

如今是一個信息化的時(shí)代，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能設(shè)備為人民的生活帶來了便利，提高了人民的生活質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)，其功能是把所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換，即物物相息，以實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理[1]。

其中，智能樓宇就是其中一個典型代表。智能樓宇的發(fā)展，對現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們居住環(huán)境有非常重要的影響，它是一個國家科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的體現(xiàn)，也可以反映出一個國家城市化、現(xiàn)代化的程度。智能樓宇的核心系統(tǒng)主要由下面五部分組成：建筑設(shè)備、通訊、辦公、火災(zāi)報(bào)警與消防、安全保衛(wèi)等自動化系統(tǒng)。智能樓宇則是通過通信網(wǎng)絡(luò)將上述的五個自動化系統(tǒng)進(jìn)行高效有機(jī)的組合，使建筑物具有了高效、安全、便利、節(jié)能的特點(diǎn)。

由于智能樓宇的特點(diǎn)，該領(lǐng)域在20世紀(jì)就在很多國家得到了研究與應(yīng)用。1984年美國聯(lián)合科技的UTBS公司在康涅狄格建成了世界上第一座也是當(dāng)時(shí)唯一的一座智能化樓宇。從此以后，全球范圍內(nèi)智能化樓宇的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，日本、法國、瑞典、英國等國家也在不斷興建智能樓宇。20世紀(jì)80年代后，智能樓宇風(fēng)靡全球，自上個世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)許多建筑設(shè)計(jì)者將智能化建筑概念引入國內(nèi)，迅速得到了人們的喜愛和認(rèn)可，發(fā)展非常迅猛，我國的智能樓宇也伴隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加深取得了重大的發(fā)展[2]。

本文的行文結(jié)構(gòu)如下：本文第一章介紹智能樓宇概念與定義；第二章介紹智能樓宇的起源和在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢；第三章介紹智能樓宇的組成與核心技術(shù)；第四章總結(jié)全文，提出對智能樓宇的分析與展望。

1 智能樓宇的概念

關(guān)于智能樓宇的定義，最早于20世紀(jì)后期出現(xiàn)在美國。“智能樓宇以建筑物作為基礎(chǔ)平臺，同時(shí)搭載信息設(shè)施、信息化應(yīng)用、公共安全等系統(tǒng)，可以將建筑物或建筑群內(nèi)的車庫管理、保安、照明、給排水、運(yùn)輸、消防、電力、空調(diào)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一有機(jī)管理，是將服務(wù)、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、管理優(yōu)化組合為一體的智能建筑”[1]。

2 智能樓宇的發(fā)展趨勢

1984年，在美國Connecticut的首府哈特福德竣工的“都市廣場”大廈的宣傳材料中首次出現(xiàn)“智能樓宇”，這也標(biāo)志著“智能樓宇”概念的形成?！岸际袕V場”大樓相比較傳統(tǒng)大樓主要是增加了計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、數(shù)據(jù)通信等，使住戶可以得到信息查詢、通信、電子函件、文字處理等服務(wù)。同時(shí)，“都市廣場”內(nèi)所有的供配電設(shè)備、防火、空調(diào)、給排水、保安設(shè)備均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)建筑物的信息化、自動化，使居住者獲得安全、高效、經(jīng)濟(jì)、舒適的居住環(huán)境。建筑物的功能發(fā)生了極大的補(bǔ)充和擴(kuò)展，“都市廣場”也成為了世界上第一座智能化樓宇[1]。自此，在全球范圍內(nèi)智能化樓宇的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。

從1984年以來，日本就在各大城市建設(shè)“智能街區(qū)”和“智能群樓”，在這些建筑中百分之八十以上都是智能樓宇。新加坡的政府不惜耗巨資研究智能建筑的專項(xiàng)技術(shù)，計(jì)劃將新加坡建設(shè)為“智能城市花園”。印度也在1995年開始建設(shè)智能建筑，計(jì)劃將加爾各答的鹽湖建設(shè)成“智能城”。法國、瑞典、英國、泰國的其他國家也在不斷興建智能建筑。

1986年，我國國家計(jì)委和科技委共同立項(xiàng)，由中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所負(fù)責(zé)的課題《智能化辦公大樓可行性研究》正式開始投入研究工作。1991年我國第一座智能建筑北京發(fā)展大廈建成，它標(biāo)志著我國智能化建筑的開始。北京發(fā)展大廈吸收和借鑒了日本先進(jìn)的樓宇管理經(jīng)驗(yàn)，是北京市最早實(shí)現(xiàn)智能化的寫字樓。在通訊、安保、消防監(jiān)控、建筑設(shè)備等方面采用了國際先進(jìn)技術(shù)；空調(diào)、照明、電梯、防災(zāi)、變配電等系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動控制；在供水、供電、供氣、供熱等方面，也廣泛采用了國外先進(jìn)設(shè)備和控制技術(shù)，以精良的選材確保了樓宇安全穩(wěn)定的運(yùn)行[14]。九十年代初，我國房地產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，樓宇智能化市場也隨之迅速發(fā)展。由于智能樓宇給人們帶來了生活上的便利和舒適，加之當(dāng)時(shí)樓宇智能化的普及率并不高，進(jìn)一步激發(fā)了人們對它的重視。

3 智能樓宇的組成與核心技術(shù)

3.1 智能樓宇的組成

智能樓宇包含五大核心要素，即樓宇自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、火災(zāi)警報(bào)與消防和安全保衛(wèi)自動化系統(tǒng)。樓宇自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樓內(nèi)各個設(shè)施自動調(diào)控，使樓內(nèi)的各個系統(tǒng)達(dá)到節(jié)約資源，減輕管理人員勞動強(qiáng)度等效果[3]。

通信自動化系統(tǒng)是建筑物內(nèi)數(shù)據(jù)、語音、圖像傳輸?shù)幕A(chǔ)，同時(shí)通信自動化系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)相連，比如計(jì)算機(jī)網(wǎng)、衛(wèi)星、電話公網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)以及廣電網(wǎng)，與大樓外的世界各地互聯(lián)互通[4]。能夠保證建筑物內(nèi)語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)耐瑫r(shí)，與外界通信網(wǎng)相連，與外部互通信息。

辦公系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)對各環(huán)節(jié)的掌控、調(diào)配和協(xié)作，是將企業(yè)的應(yīng)用、內(nèi)容、人員及流程個性化統(tǒng)一交互的協(xié)作環(huán)境。在建筑物內(nèi)，辦公人員與這些自動化辦公系統(tǒng)形成了高效運(yùn)轉(zhuǎn)的辦公系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)建筑物內(nèi)的完全依賴于人力辦公方式的效率得到了大大的提高。

火災(zāi)警報(bào)與消防聯(lián)動系統(tǒng)中，火災(zāi)自動報(bào)警控制系統(tǒng)是整個智能樓宇自動化系統(tǒng)的感測部分，主要任務(wù)是火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)與警報(bào)，消防系統(tǒng)則是自動化系統(tǒng)的執(zhí)行部分，在接到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出的火警信號后立即啟動執(zhí)行滅火[15]。不同于其他系統(tǒng)，火災(zāi)警報(bào)于消防聯(lián)動系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相對獨(dú)立，在火災(zāi)發(fā)生的情況下才會被觸發(fā)。

安全保衛(wèi)系統(tǒng)由門禁、監(jiān)控、公共應(yīng)急廣播等系統(tǒng)組成，通過實(shí)時(shí)的監(jiān)控來保證建筑物內(nèi)部和外部的安全性。安全保衛(wèi)系統(tǒng)則是通過CCTV即閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)對建筑物內(nèi)的重要通道及場所進(jìn)行監(jiān)控，來配合以防盜報(bào)警系統(tǒng)、IC卡門禁系統(tǒng)以及巡更管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建筑物的安保工作[16]，安全保衛(wèi)自動化系統(tǒng)的主要工作原理如圖1所示。

圖1 安保系統(tǒng)示意圖

3.2 智能樓宇的核心技術(shù)

3.2.1 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是智能樓宇中必不可少的核心技術(shù)。傳感器是指“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”[12]。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。

人們對無線傳感器的研究始于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)傳感器的發(fā)展速度較慢，硬件處理能力較低。制約傳感器技術(shù)提升的原因主要有三點(diǎn)：（1）功率的損耗，無線傳感節(jié)點(diǎn)絕大部分被安置在野外，無法通過常規(guī)的電線進(jìn)行供電，因此其硬件的設(shè)計(jì)必須將節(jié)能作為重要目標(biāo)之一；（2）價(jià)格，無線傳感器需要大量組網(wǎng)進(jìn)行配合，以完成特定的功能。大量組網(wǎng)帶來的是較高的成本，因此其硬件設(shè)計(jì)要考慮到價(jià)格這一重要的因素；（3）體積，無線傳感器需要方便攜帶，易于部署。因此硬件要以微型化為設(shè)計(jì)目標(biāo)[5]。

雖然傳感器的性能有限，但仍得到了各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在智能樓宇的應(yīng)用中傳感器是最重要的組成因素之一。樓宇自動化系統(tǒng)是建立在無線傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)了對各設(shè)備集中監(jiān)視、控制和管理，如溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、紅外線傳感器等[6]。沒有傳感器所得到的數(shù)據(jù)就無法對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，通過無線傳感器對相關(guān)數(shù)億的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算和判斷，實(shí)現(xiàn)樓宇各種功能的自動控制[7]。集成的樓宇管理系統(tǒng)使用智能化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化的傳感節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器，傳感節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器通過數(shù)據(jù)網(wǎng)及控制網(wǎng)連接，與通信系統(tǒng)相互配合形成整體網(wǎng)絡(luò)，并通過寬帶網(wǎng)與外界網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通[6]。

空調(diào)中就具有很多傳感器，例如：溫度傳感器、差壓傳感器、濕度傳感器等?？照{(diào)通過這些傳感器對整個房間的環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)控?？照{(diào)系統(tǒng)監(jiān)控既要提供溫濕度適宜的環(huán)境，又要解決能源。其涉及到的監(jiān)控范圍有：制冷機(jī)、熱力站、空氣處理設(shè)備、給排風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量末端等。通過對這些系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控從而得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，使得空調(diào)對風(fēng)量、風(fēng)速等進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)。

3.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能樓宇中舉足輕重，它因覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)網(wǎng)提供高速可靠廉價(jià)且不受接入設(shè)備位置限制的互聯(lián)手段而被廣泛應(yīng)用。正如西門子樓宇技術(shù)組的首席技術(shù)專家Helmut Macht說道：“無線通信的創(chuàng)新使越累越多的有線通信將被取代”。

無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素主要有：自組網(wǎng)、無線連接、基站和用戶。目前用戶端主要由手機(jī)、PDA、傳感器等組成，用戶可以無線通信，獲取有效信息；基站是將用戶端與公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的基礎(chǔ)設(shè)備，如Cell Tower即蜂窩塔、Access Point即WiFi接入點(diǎn)等，根據(jù)不同協(xié)議，基站的傳輸速率及覆蓋范圍不同。無線連接是用戶端與基站、用戶端與用戶端或基站與基站之間的數(shù)據(jù)傳通道，通常以光波、無線電波為載體，支持多種傳輸?shù)木嚯x和速率。自組網(wǎng)無須基站，是用戶端之間通過自我組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)，由用戶端自身完成地址指派、路由選擇等[5]。

無線網(wǎng)絡(luò)連接具有以下特點(diǎn)：（1）信號強(qiáng)度衰減，無線信號能量隨著傳輸距離增長而減弱。（2）非視線傳輸，當(dāng)發(fā)送者與接收者之間存在被阻擋的情況，則被稱為非視線傳輸，當(dāng)存在阻擋情況時(shí)，無線信號可能會被阻擋物吸收，或者因阻擋物的存在而迅速衰減。（3）信號干擾，相同頻段的無線信號存在相互干擾的現(xiàn)象，例如2.4GHz與外部環(huán)境的電磁噪聲，除此之外日常生活中的高壓電線、汽車、微波爐也會產(chǎn)生干擾。（4）多途徑傳播，由于阻擋物的存在，信號回因阻擋物的反射和折射，到達(dá)接收端的時(shí)間存在微小差異[5]。

由于無線局域網(wǎng)的固有特點(diǎn)，因此在樓宇自動控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用無線技術(shù)替代傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)能夠帶來諸多好處，如降低傳感器部署難度、降低維護(hù)成本以及增加系統(tǒng)更新的靈活性，特別是對于那些需要進(jìn)行大量布線或布線難度加大的地區(qū)[9]。如例如閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，一般位于較為偏僻的位置且需受監(jiān)控場所的制約，經(jīng)常存在布線困難的問題，若采用無線局域網(wǎng)便可借由無線網(wǎng)絡(luò)將影像傳回主控站，極大的方便了閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用。樓宇內(nèi)變配電、照明、給排水、電梯、空調(diào)、供暖、安防和消防等眾多子系統(tǒng)也可設(shè)置WiFi智能節(jié)點(diǎn)，WiFi智能節(jié)點(diǎn)對各子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對出現(xiàn)故障的系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)與控制[10]。

智能樓宇系統(tǒng)的目標(biāo)是為用戶營造一種舒適、便捷和安全的工作和生活環(huán)境。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能給智能樓宇的發(fā)展提供更廣闊的空間。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了智能系統(tǒng)集成過程中線纜限制引起的不便性，也使其可以實(shí)現(xiàn)很多新的應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

本文主要介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的智能樓宇技術(shù)，通過對智能樓宇的國內(nèi)外發(fā)展趨勢的分析，對智能樓宇中相關(guān)核心技術(shù)的介紹，完成智能樓宇的目前發(fā)展?fàn)顩r相對全面的闡述，為以后智能樓宇的發(fā)展提供了借鑒性的思路。

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的更新與進(jìn)步，智能樓宇在日常生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。智能樓宇是我國建筑行業(yè)未來重要的發(fā)展方向，目前我國每年新增的建筑面積達(dá)到20億平方米，政府對相關(guān)建設(shè)也進(jìn)行了科學(xué)化、規(guī)范化以及制度化的引導(dǎo)，一個勃勃生機(jī)的智能產(chǎn)業(yè)已形成[1]。我國智能樓宇將會有很大的發(fā)展空間,未來的智能樓宇將會為人們的生活提供更多的便利[2]，擁有廣闊的市場與前景，將會成為二十一世紀(jì)大放異彩的一道風(fēng)景線。