基于物联网的智能楼宇综合管理系统架构设计

1 概述
1.1智能楼宇
2012年，住房和城乡建设部发布了《关于开展国家智慧城市试点工作的通知》（建办科〔2012〕42号），截至2017年底，我国已有超过500个城市提出建设智慧城市。建筑作为城市的基本组成单元和人们的日常活动空间，在智慧城市的建设浪潮中也得以创新和发展。同时随着物联网、云计算和大数据等新兴产业技术的兴起，在传统楼宇自动化的基础上，智慧建筑和数字建筑等新的建设概念和理念逐渐涌现。
智能楼宇，又叫智能建筑，主要是指以建筑物为平台，基于对各类智能化信息的综合应用，集架构、系统、应用、管理及优化组合为一体，具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调的整合体，为人们提供安全、高效、便利及可持续发展功能环境的建筑。
从具体实施内容来讲，智能楼宇通常包括安防监控、出入口控制（门禁、停车场）、入侵防范、电梯控制、供配电、空调新风、照明控制、停车场管理、广播、信息发布和能耗统计等数十个信息化子系统，业内将上述子系统归纳为五类，分别是建筑设备自动化（BA）、通讯自动化（CA）、办公自动化（OA）、火灾报警与消防自动化（FA）以及安全防范自动化（SA），即智能楼宇5A系统。
1.2智能楼宇综合管理系统
智能楼宇综合管理系统，即IBMS（IntelligentBuildingManagementSystem），主要指通过统一的人机交互管理界面对楼宇内部众多的信息化设施进行统一管理，实现所有智能子系统的集中监视和控制以及全局事件的处理，并通过跨系统的联动，实现楼宇信息化设施的自动化运行，提高楼宇运维管理的效率。
1.3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。
物联网技术架构主要分为三个层次：感知层、网络层（又称传输层）和应用层。
感知层是实现物联网的基础，主要利用各种传感器设备完成信息的采集、转换和收集。网络层通过各种长距离或短距离、有线及无线通信技术完成感知数据的传输。应用层通过各种数据处理呈现人机交互技术，满足不同行业用户的信息化业务应用需求，如监控类（车辆监控、温湿度监测）、查询统计类（远程抄表、资产管理）以及控制类（智慧路灯、智能家居、智能楼宇）等不同类型的应用。
2 现状分析
随着计算机、数字通信及网络技术的发展，构成智能楼宇的各个信息化子系统在技术体制、性能和功能等方面都得到了大幅度的改进和提升，例如，融合了人脸识别和行为分析等功能的数字高清智能视频监控系统逐步代替了传统的模拟闭路电视监控，以往的基于总线的ID卡门禁系统逐渐演变为基于TCP/IP数字网络的IC卡门禁或基于指纹、人脸等生物识别的智能门禁系统。但在智能楼宇综合管理系统（IBMS）方面仍存在以下问题：
1）互联不通不足，孤岛现象依然存在
目前，在智能楼宇综合管理上，由于子系统和通信协议的多样性，各子系统通常作为一个独立的系统进行实施和部署。各系统之间和各建筑之间无法做到数据的统一存储、处理和分析，体现出烟囱式的独立部署、独立运行和独立维护。
2）缺乏统一的数据管理，跨系统联动需要进一步加强
在智能楼宇个别应用上，目前已具备初步的联动控制，如安防管理方面，火灾系统与广播、视频监控、门禁系统的联动，空调暖通设备与环境传感器的联动实现了楼宇室内空气、温湿度等环境的智能调节。但上述的联动策略是在专业的接口开发基础上完成的，是固化的。用户无法根据实际的系统管理需求和运行场景进行灵活调整，实现联动策略的自定义。
3）缺乏楼宇大数据分析，系统价值有待挖掘
当前智能楼宇综合管理系统大多从建筑物业后勤管理的角度进行投资建设，如何对建筑运行的海量数据进行统计分析并发掘数据潜在的价值，值得进一步研究。随着大数据技术的应用发展，可以借助数据分析和挖掘等技术，进一步分析建筑运行的规律，降低建筑运行成本，实现建筑运维的精益化管理和增值化服务。
综合分析，目前智能楼宇的感知、传输和记忆能力已经相对完善，但若达到建筑运行的自我推理、判断和决策的智能化目标，需要对当前智能楼宇系统的集成模式进行改进。针对上述行业现状，本文提出一种基于物联网的智能楼宇综合管理系统架构，为楼宇智能化系统的融合管理与互联互通提供解决方案。
3基于物联网的智能楼宇综合管理系统设计
3.1系统技术架构
基于物联网的智能楼宇综合管理系统技术架构如图1所示。系统总共分为感知层、接入层、传输层、平台层和应用层五个部分。感知层主要指接受智能楼宇系统统一管理的各种终端设施，包括动力设备（空调、新风、排风、排水、电梯等）、信息感知及采集设备（环境传感器、音视频设备）和控制设备等。传输层主要指由楼宇驻地网、互联网（或专线）及移动通信网组成的智能楼宇数据传输和通信管理网络。

图1 基于物联网的智能楼宇综合管理系统技术架构
基于物联网的智能楼宇综合管理系统架构，其核心是接入层和平台层两部分的设计，正是这两个层次的引入，使应用层可以屏蔽感知层终端物理设备的差异性，实现不同设备和系统互联互通、融合管理的目标。以下重点对接入层、平台层和应用层三部分予以说明。
3.1.1接入层
接入层核心设备是楼宇物联网接入网关，针对智能楼宇前端接入设备的协议多样性，物联网接入网关创造了一个通用的环境，可以连接多数主流的楼宇前端设备或系统，用户无需考虑设备的制造厂家和其使用的通讯协议。物联网接入网关设计参考架构如图2所示。

图2 物联网接入网关参考架构
物联网接入网关内置多种协议设备模板，可以将不同协议的设备数据转换为标准的软件组件，通过标准TCP/IP协议、支持XML的数据处理和开放的API为智能楼宇应用服务提供无缝的、统一的设备数据视图，从而实现数据融合处理和跨系统的互联互通。
3.1.2平台层
平台层主要提供智能楼宇数据的统一处理和分析，为上层应用程序以及其他业务系统提供数据调用访问的接口。

图3 智能楼宇平台功能结构
平台除具备设备接入、设备管理、规则引擎、权限及安全管理等基础功能外，还可提供大数据分析和人工智能等服务组件，为智能楼宇上层应用提供大数据分析挖掘、GIS、语音识别、视频分析和3D等高性能海量数据处理服务。智能楼宇平台功能结构如图3所示。
智能楼宇平台主要实现以下功能和目标：①通过子系统之间的互联互通实现系统和设备联动；②通过数据的集中存储和管理，实现智能楼宇的数据共享；③通过大数据的分析与处理，实现各种运行场景的即时有效控制；④为楼宇第三方应用服务的接入提供平台支撑。
3.1.3应用层
应用层调用平台层提供的数据和逻辑等元素，通过图像、表格和视频等方式为楼宇管理人员提供方便直观的可视化管理，实现对楼宇运行状态和前端设备的集中呈现、全局管理和统一控制。
智能楼宇应用根据系统功能的不同可以分为安全防护、绿色节能和高效便捷三大类：①安全防护包括视频监控、入侵监测、火灾探测及报警、（车辆及人员）出入口控制以及应急响应等；②绿色节能包括制冷制热、电器照明控制、环境监测和能耗统计分析等；③高效便捷包括公共广播、智能会议、访客管理、信息引导及发布、资产管理等。
3.2系统应用部署模式
根据平台数据服务器的部署位置不同，基于物联网的智能楼宇管理系统既可以基于云的远程部署，也可以进行本地部署。系统本地部署网络架构如图4所示。

图4 系统本地部署网络架构
1）远程部署
平台层服务器部署在第三方云服务平台，本地楼宇管理中心或远程移动管理客户端可通过Internet访问服务器数据，在管理客户端或监控中心大屏上进行呈现，这种模式主要适应于分布在异地的多个建筑或建筑群的管理。
2）本地部署
管理中心和平台层数据服务器均部署在本地，并对外提供远程访问的互联网接口，主要适应于单个建筑的管理。
4 结语
本文参考物联网体系架构，在感知层、传输层和应用层三层架构的基础上，针对智能楼宇的行业应用需求及特点，引入接入层和平台层的概念，形成了智能楼宇综合管理系统的五层架构参考模型。通过接入层设备的统一接入解析和平台层数据的统一存储处理，为智能楼宇各信息化系统的互联互通和融合管理提供了一种创新性的解决方案思路。
当然，智能楼宇系统所涉及的应用众多，除了本文提到的一些常见的智能化子系统外，还包括物业管理、资产管理、机房、供配电控制以及BIM等信息化应用。此外，基于LoRa和NB-IoT等低功耗广域网通信技术及方案产品也逐步应用于建筑中，因此，在实际工程中，如何进行物联网接入网关和数据平台的选型或开发，使其满足复杂多样的楼宇前端设备接入和上层应用，是系统实施需要考虑的首要问题。