张公忠：智能建筑物联网应用.docx

智能建筑物联网应用作者：张公忠 来源：RFID世界网 2011-11-03 10:22:52摘要：阐述了物联网计算模式的形成以及物联网技术的发展历程, 并讨论了物联网的应用体系架构。在此基础上进一步研讨了智能建筑物联网的应用, 其中包括智能建筑技术现状、智能建筑物联网应用发展现状及其体系架构、智能家居的物联网系统结构等内容。最后, 讨论了智能建筑物联网应用进程中的若干问题,以对大家有所启迪。引言20世纪90年代中期IT进入互联网计算模式时代。10余年来随着信息化的深入发展信息化覆盖了各行各业如铁路、公路、建筑、电力、水利、石化、航运、商业、物流、公用事业、国防等领域。不仅办公自动化、管理信息系统、电子政务、电子商务等信息化应用早已存在而且各种物理设备、基础设施的数据也需要进入网络在本行业内或跨行业间相互通信连接、交换、互动,这就构成了物理基础设施(如光电、机电、电气等设备)和IT基础设施(如电脑、服务器、交换机等)融合为一体的一种信息系统即物联网。1物联网计算模式的形成物联网是信息化和工业化发展、融合的必然结果是信息技术和传感、控制技术融合的产物。在互联网计算模式时代计算机的信息交换、传输、存储、处理和应用从此摆脱孤岛环境进入全面开放的时代促进了各行各业的发展极大地满足了人类发展的需求。工业化的需求促进了传感、控制技术的飞速发展物件(设备)通过传感器和(或)执行器按一定的协议(规程)连接起来构成传感、控制网络进入到工业自动化时代。随着传感、控制技术的发展以及工业化、数字城市、国防军事等对信息需求的不断提升和发展传感/控制领域的信息交换、传输、存储、处理和应用也需要开放从孤岛迈向城市和区域乃至全球。因此,一种既包括互联网协议又具有传感、控制网络协议的结构在互联网计算模式中脱颖而出这就是新的计算模式?物联网计算模式。20世记5060年代称为早期计算机时代;60年代中期开始的终端-主机称为第一代计算模式;80年代初发展的微机-服务器称为第二代计算模式;90年代中期以后发展的互联网称为第三代计算模式;物联网计算模式是继互联网后的第四代计算模式它是互联网计算模式的进一步发展。因此可以认为物联网计算模式的内涵就是通过物件(设备)的传感和控制按约定的协议将物件的信息或(和)物件间互动的信息利用互联网协议连接起来进行信息交换和通信并实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种应用架构。2物联网技术国内外发展历程2.1国外发展概况 物联网技术的发展始于20世纪90年代后期。1995年比尔盖茨在未来之路中提及物联网但当时这个新概念没有引起太多的关注。直至1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议上提出传感网是21世纪人类面临的又一个发展机遇这才引起信息界的注意。2005年国际电信联盟(ITU)发布ITU互联网报告2005:物联网并预测物联网的建立将会带来10亿量级的信息设备、30亿量级的智能电子设备、5000亿量级的微处理器、万亿以上传感器的需求是下一个万亿级信息产业引擎成为继计算机、互联网后的第三次信息产业浪潮。继后美国权威咨询机构Forrester测到2020年,世界上物物互联的业务与人与人通信的业务相比将达到301。因此物联网被称为下一个万亿级通信业务的网络。此后物联网理念正式在IT界确立。 2009年1月28日美国总统奥巴马与工商业领袖举行了一次圆桌会议IBM首席执行官彭明盛首次提出智慧地球的概念。该概念一经提出即得到美国各界的高度关注。甚至有分析认为IBM公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略。该战略具体地说就是把传感器嵌入或装备到电网、铁路、公路、建筑、交通运输工具、供水系统、大坝、油气管道等各种基础设施中并且相互通信连接形成所谓的物联网。IBM前任首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点认为计算模式每隔15年发生一次变革。物联网的确是继互联网后的第四代计算模式。 2.2国内发展概况我国国家中长期科学与技术发展规划纲要(20062020年)中已把物联网列入重点研究领域。若干年来相关的高等院校、研究所和企业已承担了物联网的相关课题(着重于传感器和传感器联网的产品)并获得了一定的成果但未形成自主产业链。 2009年8月开始物联网真正引起中国公众关注。2009年8月7日温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时表示:在传感网发展中需早一点谋划未来早一点攻破核心技术。温家宝总理于同年11月3日发表了题为让科技引领中国可持续发展的重要讲话把物联网列为国家五大新兴战略性产业之一。2010年3月5日温家宝总理在政府工作报告中指出要加快物联网的研发应用。物联网首次被写进政府工作报告物联网的发展得到了国家最高层领导的关注。据悉中国已经规划2020年之前投入近4万亿元资金用于物联网研发。工业和信息化部已把物联网发展作为2010年我国信息产业确定的三大发展目标之一。 2010年以来为了加速形成物联网产业链,推动物联网应用国内开展的有关物联网的工作主要如下: (1)由工业和信息化部和国标委领导6月8日正式成立物联网标准联合工作组并开展标准制定工作。 (2)北京、上海、广州、深圳等各大城市相继举办了物联网应用高峰论坛并成立了物联网中心或相应的机构。以建设感知城市或智慧城市命名的项目陆续展开。 (3)国家相关部、委相继举行了物联网应用高峰论坛并成立相应机构结合本部门实际开展物联网的研发和应用实现信息化推动工业化发展的目标。 (4)三大电信运行商、国家广电总局等均制定了物联网发展规划并相继在各大城市中成立相关机构。 (5)有关高等院校设立物联网相关专业。 (6)国家十二五规划中关于物联网的应用锁定如下十大重点领域:智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境与安全检测、工业与自动化控制、医疗健康、精细农牧业、金融与服务业和国防军事。3物联网的应用体系架构物联网不是一种特定的物理网络而是在互联网技术基础上进一步发展的信息应用架构，该架构既适用于基层，更适合城市、区域或全行业(部门)的信息化应用。物联网的应用体系架构由感知层、网络层(又称连接层)、应用层和公共技术4部分组成,如图1所示。（1）感知层包括物件传感与执行、短距离通信技术和协同处理两部分内容。前者确定了对物件进行数据采集的传感器以及对物件进行控制的执行器。后者规定了传感器和执行器联网及其协同处理的内容其中包括短距离传输、自组织组网、协同信息处理、传感器网络中间件等技术。 (2)网络层说明了网络支撑技术包括M2M、异构网、移动通信网、互联网、内部网、专用网络等。 (3)应用层包括应用领域和服务支持两部分内容。前者确定了与物联网相关的应用领域,如智能电网、智能家居、智能交通、环境监测、安保监测、工业监控、智能物流等。后者为各类应用提供服务支撑平台包括SOA、分布式数据处理、数据资源、数据挖掘、海量存储等内容。 (4)公共技术包括标志解析、信息安全、系统管理等。 4物联网与智能建筑4.1智能建筑技术现状智能建筑技术发展历经20余年在我国的发展起步于20世纪90年代中期技术现状如下: (1)智能建筑技术遍及各个行业从传统弱电发展成融合信息和控制等技术的综合应用系统。 (2)智能建筑包括2030个子系统子系统分成两大类:常规与专业应用。(3)TCP/IP网络化架构支撑绝大部分子系统的管理和监控。 (4)建筑设备监控、安防、一卡通等已构建成TCP/IP网络架构上的虚拟化集成融合子系统。 (5)智能建筑遍及整个城市是构建数字城市的重要基层单元。 (6)智能建筑技术是支持构建绿色建筑(环保、节能)的重要技术。 (7)标准与规范日趋完善。物联网的应用体系架构说明了物联网系统的两种情况:人类通过信息网络对物件传感器数据进行采集、存储、处理从而对物件进行管理和监控;物件间产生互动人类通过信息网络对物件间互动进行管理和监控。 4.2智能建筑物联网应用发展现状智能建筑物联网应用无处不在表现如下: (1)物件(设备)经传感器联网明显地反映在智能家居、建筑设备监控、安防、一卡通、远传表、电子配线管理、智能照明、公共广播、会议系统、机房以及某些专业应用等系统中。 (2)以局域网作为内网是智能建筑的网络层主要结构。 (3)TCP/IP网络平台支撑设备的管理和监控。(4)实现管理和监控浏览器和服务器(Browser/ServerB/S)访问模式逐渐取代了传统的B/S与客户机/服务器(Client/ServerC/S)混合访问模式。 (5)智能建筑设备传感/控制联网方式涉及开关量或模拟量、单向或双向、单路或多路、TCP/IP支持的网或TCP/IP不直接支持的网、设备间无互动或设备间互动5个因素。不同的子系统设备传感/控制联网方式可能不同，其中模拟量、双向、多路、非TCP/IP网、设备间互动的联网方式比较复杂，建筑设备监控、智能家居、机房内环境与设备监控等系统涉及的传感/控制联网就归于此类情况。(6)十二五物联网规划所支持的重点应用领域与智能建筑关系密切。4.3智能建筑物联网应用体系架构按照图1的体系架构智能建筑物联网应用体系架构可细分成6层和公共技术共7部分,如图2所示。1)智能建筑传感与执行层。有关子系统物件传感和执行情况说明如表1所示。 (2)短距离通信技术和协同处理层。涉及传感器与执行器所连接的现场总线和通信技术,以及设备在现场总线网络上的互动和协同处理。(3)网络平台层。对于智能建筑物联网有关的子系统该层的内容几乎全部是TCP/IP以太网平台，某些子系统需要建立移动通信网平台。 (4)网络应用协议层。该层内容是TCP/IP网络平台所支持的应用协议如HTTP、FTP、MIME、SNMP、XML等。 (5)服务支持层。该层内容包括数据资源和中间件等。、 (6)智能建筑应用层。对于智能建筑物联网有关的子系统必须具备基于浏览器的B/S访问模式的管理和监控功能。 (7)公共技术。公共技术主要包括建立系统所需要的公共文件和服务如标志解析、信息安全、系统管理等。4.4智能家居物联网系统结构智能家居物联网系统结构实例如图3所示。(1)家居智能控制器是系统的核心设备，连接家居网、住区以太网和移动通信网。(2)家居网可选择无线、低压载波电力线、MBus、RS485、LonWorks等通信协议或网络实现家居内的家电、安防、环保、远传表具等设备的传感和控制。(3)系统网络为以太网和移动通信网。物业、住户通过电脑或(和)移动终端的浏览器以B/S访问模式连接具有WebServer功能的家居智能控制器对家居实现物业管理和远程监控。 (4)B/S访问模式既能使住户对自己家里的情况随时随地地进行远程监控，也保证了智能家居作为数字城市的一种基础单元。 5智能建筑物联网应用进程若干问题 (1)物联网应用的主要目标可认为是数字城市(目前称感知城市)和行业智能化。国家十二五规划物联网锁定的十大重点领域虽然遍及数字城市但与处于基层的智能建筑关系密切: 智能家居领域本来是智能建筑的一部分;工业与自动化领域包括智能建筑中的建筑设备监控子系统;环境与安全检测领域落实到智能建筑中就是绿色建筑环保监测以及重要的安防系统;智能电网、智能交通、智能物流、医疗健康、金融与服务业等领域的物联网应用与这些领域中的智能建筑相关专业子系统物联网应用有关。(2)物联网的原文是InternetofThings，但对于基于建筑物、基本由TCP/IP以太网内网支撑的智能建筑来说其物联网架构不可能发展成由Internet来支撑，即智能建筑领域的物件资源不太可能在互联网上被共享。但是互联网技术特别是互联网应用协议(如浏览器、HTTP、WebServer、MIME、XML等)对智能建筑物联网应用的支持极为重要。可以认为智能建筑物联网物件资源的共享发生在互联网协议支持的内网以太网平台上。(3)智能建筑各个物联网子系统的应用层采用B/S访问模式的重要性在于如下几点:物联网计算模式源于上一代互联网计算模式显然应用层的B/S访问模式是主导随着浏览器越来越强大的功能当前国内外智能建筑产品的应用层均走上全B/S之路替代了B/S与C/S混合模式。便于构建物联网架构的智能建筑集成系统。如果有关的子系统均为B/S访问模式则形成智能建筑集成系统(BMS)新颖的物联网架构是迎刃而解的事。便于向上融合。B/S访问模式是智能建筑作为基层子系统融合到感知城市或(和)行业整体的物联网架构中的重要技术支撑。云计算是当前信息化发展的重要目标为了构建即将到来的智能建筑物联网云计算平台B/S访问模式是必要的技术条件。如当前国内已有企业推出基于智能建筑云计算的能源管理系统，以能源管理的云计算服务改变当前每个建筑孤岛式的能源管理。智能建筑公共运维服务是智能建筑行业发展的重要目标之一。要实现该目标必须摒弃传统智能建筑孤岛式的运维模式。物联网B/S访问模式为智能建筑发展第三产业公共运维服务提供了必要的技术支撑。智能建筑领域应用层的B/S访问模式是发展智能建筑物联网搜索引擎的决定性的技术条件。 (4)射频识别(RFID)技术是物联网基本的传感器技术广泛应用于一些领域是物联网感知层的始祖。但对于智能建筑的感知层RFID传感器在一些子系统中很少使用(见表1)，而在一卡通和出入口控制等子系统中使用了类RFID传感器技术。可以认为智能建筑的感知层是较复杂的不仅传感器的种类繁多而且还包括相当多的执行器。某些子系统(如建筑设备