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物联网与绿色智慧建筑核心技术及论证 南京工业大学建筑智能化研究所所长江苏省智能建筑专业委员会主任建设部建筑智能化专家委员会专家卫生部 中国医院建设指南 专家公安部SAC TC100专家库专家亚洲智能建筑学会执行委员 陸偉良教授 2020 3 18 0 摘要 本文从物联网时代的到来及对物联网几种概念的提法谈起 对物联网发展动态 物联网关键技术 绿色智慧建筑核心技术 物联网在建筑智能化中的应用作了探讨 最后对物联网与建筑智能化的发展进行了展望 关键词 物联网智慧建筑绿色建筑核心技术 2020 3 18 1 物联网产生时代背景 物联网发展动态 1 2 目录 物联网关键技术 3 绿色智慧建筑核心技术 4 物联网在绿色智慧建筑中的应用 5 物联网与建筑智能化发展展望 6 2020 3 18 2 物联网产生的背景 物联网 TheInternetOfthings 是信息化和工业化发展和融合的必然结果 是信息技术和传感 控制技术两者融合的产物 是物理基础设施 例如 光 机 电设备 和IT基础设施融合一体的架构 据IBM的十五年周期定律 信息技术变革 1965年大型机1980年个人计算机1995年互联网2010年物联网 物联网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 2020 3 18 3 物联网的定义 物联网来势迅猛 前景美好 但概念宽泛 认识迥异 尚无较为准确而贴切的学术定义 美国MIT的KevinAshton用 InternetofThings 描述把计算机通过网络连接到真实传感器网络的世界 1999 ITU 物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络 2005 百度百科 物联网是通过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连接起来 进行信息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 物联网产业发展研究 2010 报告 2010 4 8 物联网是由具有自我标识 感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络 这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动 为人们提供智慧和集约的服务中国物联网大会 2010 6 29 凡是有传感器和传感技术而感知物体的特性来按照固定的协议实现任何时候物与物之间 人和物之间 人与人之间互联互通 实现智能化识别定位跟踪管理的网络 2020 3 18 4 物联网关键组成与应用架构 2020 3 18 5 物联网产生时代背景 物联网发展动态 1 2 目录 物联网关键技术 3 绿色智慧建筑核心技术 4 物联网在绿色智慧建筑中的应用 5 物联网与建筑智能化发展展望 6 2020 3 18 6 物联网概念的发展 2009年2月24日 2009年8月7日 南京移动 2005年11月17日 美国人首次提出物联网概念 并提出物联网的最初愿景 任何物品 商品 能够彼此进行 交流 而无需人的干预 国际电信联盟 ITU 发布了 ITU互联网报告2005 物联网 报告指出 无所不在的 物联网 通信时代即将来临 2009年IBM论坛上公布了名为 智慧的地球 的最新策略 IBM希望 智慧的地球 策略能掀起了 互联网 浪潮之后的又一次科技革命 温家宝总理在视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时希望加快推进传感网发展 尽快建立中国的传感信息中心 坂村健 马克 威瑟 比尔盖茨 奥巴马 温家宝 2020 3 18 7 世界主要国家的物联网战略 2020 3 18 8 物联网作为新兴战略性产业引起各国关注 物联网产业是后金融危机时代经济发展的接续产业和战略性新兴产业 潜力大 成长快 带动力强 附加值高 加快实现传感网技术突破和产业发展 增强经济可持续发展能力和可持续竞争力 对进一步提升我国国际经济地位具有重要意义 2020 3 18 9 物联网产生时代背景 物联网发展动态 1 2 目录 物联网关键技术 3 绿色智慧建筑核心技术 4 物联网在绿色智慧建筑中的应用 5 物联网与建筑智能化发展展望 6 2020 3 18 10 物联网的关键技术 新型高速计算 网络和通信 传感和识别 物联网 传感器二维码 RFID短距离无线通信嵌入式智能 下一代互联网 IPv6高速光通信Wifi WAPI3G移动通信卫星通信 定位系统 云计算 微型传感器 AP 家庭网络 PAN CDMA1X EVDO蜂窝网 2020 3 18 11 感知层技术 1 传感器网络技术该技术将具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过Adhoc方式连接起来 各节点能根据环境的变化自主地完成网络自适应组织和信息的传递 节点间多采用多跳方式进行通信 传感器网络的信息通过接入网关传递到承载网络 2020 3 18 12 感知层技术 2 射频识别技术射频识别 RFID 系统主要包括标签 阅读器 含天线 中间件 RFID是通过电磁耦合原理来实现通信 方式上有主动式 被动式和半主动式 由物理特性 射频功率和信号接口 初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成 RFID现在和移动信息化实现了有机结合 有助于物流 资金流 信息流的三流合一 应用范围非常广泛 2020 3 18 13 网络层技术 1 接入网关技术接入网关完成应用末梢各节点信息的组网控制和信息汇集 及完成向末梢节点下发信息等转发功能 由于末梢各节点的组网和通信协议往往不同 在相当长的时间里 接入网关还起到私有协议和标准协议的转化功能 2020 3 18 14 网络层技术 2 IPv6技术IPv6所拥有的地址容量达到2 128 1个 是IPv4的约8 10 28倍 基本满足地球上每个物体都连入互联网的需求 同时 IPv6使用更小的路由表 增强了对组播的支持和对流的支持 增加了对自动配置的支持 2020 3 18 15 网络层技术 3 ONS技术域名解析服务 DNS 是将一台计算机定位到因特网的某一具体地点的服务 在物联网里 对象名解析服务 ONS 是一个自动的网络服务系统 提供把一个物体定位到物联网的某一具体地点的服务 2020 3 18 16 应用层技术 1 情景感知技术情景感知 Context aware 技术赋予物联网中的物体检测和感知它所处环境或状态变化的能力 该技术可以帮助各智能系统更好地跟踪环境和状态变化 以提供优化的服务 物品 物品 物品 信息处理系统 物品 物品 物品 信息处理系统 中央信息处理系统 2020 3 18 17 应用层技术 2 云计算技术云计算是分布式计算和网格计算的发展和商业实现 该技术把分散在各地的高性能计算机用高速网络连接起来 以web界面接受各地科学工作者提出的计算请求 并将之分配到合适的结点上运行 对于用户 可以像使用水电一样地使用隐藏在物联网背后的计算和存储资源 强大而方便 2020 3 18 18 实例 TCL超级智能云电视云赏天下 智享生活 TCL云系列电视可带来终极智能云体验 可获得无限应用程序世界云生活 Android 系统可将全世界信息 视频 图片 歌曲 节目进行云搜索 云控制 云游戏 云社交 云识别 云共享 云办公 2020 3 18 19 物联网技术与其他技术的关系 2020 3 18 20 物联网产生时代背景 物联网发展动态 1 2 目录 物联网关键技术 3 绿色智慧建筑核心技术 4 物联网在绿色智慧建筑中的应用 5 物联网与建筑智能化发展展望 6 2020 3 18 21 绿色智慧建筑核心技术 四大技术 智能建筑集成技术 智能建筑控制技术 核心技术 绿色节能技术 绿色机房技术 2020 3 18 22 系统集成SI 绿色智慧建筑核心技术一 智能建筑集成技术 集成技术IS 新版 智能建筑设计标准 GB T50314 2006 提出了这个新概念 智能化集成系统 IIS 将各种不同的建筑智能化系统 通过同一的信息平台实现集成 以形成具有信息汇集 资源共享及优化管理等综合功能的系统 2020 3 18 23 绿色智慧建筑核心技术一 智能建筑集成技术 2020 3 18 24 绿色智慧建筑核心技术一 智能建筑集成技术 2020 3 18 25 绿色智慧建筑核心技术一 智能建筑集成技术 2020 3 18 26 绿色智慧建筑核心技术一 智能建筑集成技术 2020 3 18 27 1 IBMS第一层次网络与集成界面 实现智能楼宇管理的功能为主 2 BMS第二层次网络与集成界面 实现智能楼宇各实时监控子系统的集成 以服务功能为主 3 分两层次集成界面组成结构的一个最大优点是用户可采取先上BMS系统 在有调节时再扩展和提升BMS系统的组成结构为IBMS集成系统组成结构 以利于用户分阶段实施 绿色智慧建筑核心技术一 智能建筑集成技术 两层次网络与集成界面 2020 3 18 28 绿色智慧建筑核心技术二 智能建筑控制技术 楼宇自控与建筑节能 能源管理和测量 节能优化 SSTO 控制 峰值需求限制 PDL 通过可变时间设备 系统开始和终止时间依赖内部或外部温度 最佳开始时间和时间基于系统计算等三种形式 确定系统开始和终止时间 以获得节能效果 降低系统的峰值需求也是节能的一种方式 智能大楼对峰值需求限制的功能可以实现电力负荷降低的效果 2020 3 18 29 绿色智慧建筑核心技术二 智能建筑控制技术 VVVP系统 VAVBox VVVP VVVP系统 变风量 变压力 用于大型VAV系统 系统稳定好 对于扰动调节时间短 VAV是VariableAirVolume 变风量系统 的简称 在空气调节系统 为了应对末端负荷的变化 在输冷 热介质流量不变的情况下 通过改变风量来调整需要冷 热量的输送以满足变化的需求 2020 3 18 30 绿色智慧建筑核心技术二 智能建筑控制技术 VAVBox 2020 3 18 31 绿色智慧建筑核心技术二 智能建筑控制技术 VVVP风机控制图 2020 3 18 32 绿色智慧建筑核心技术二 智能建筑控制技术 VVVP系统运行原理 建立风管压力模型 用于计算末端需要的最大压力对于给定的风量设定点 模型实时得出需要的压力需求风机控制器选定最大压力需求作为风力控制的设定点 VVVP系统节能效果 以西雅图的一个医疗研究中心为例 先前用VAV系统 双凤机 每个50马力带调节锥 改装为VVVP后 风机使用VSD 年度总节能20万千瓦时 2020 3 18 33 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 绿色节能技术 光伏发电 风力发电 地源热泵 2020 3 18 34 太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应 将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 太阳能光伏发电 2020 3 18 35 光伏组件 一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置 由几乎全部以半导体物料 例如硅 制成的薄身固体光伏电池组成 太阳能光伏发电系统的组成 控制器 连接太阳电池组件 各种用电设施和蓄电池组的中心 通过对系统输入输出功率的调节与分配 实现光伏系统的各种控制能 蓄电池或蓄电池组 光伏系统的储能装置 逆变器 将直流电转变为交流电 提供交流负载使用的电气设备 2020 3 18 36 太阳能光伏发电系统的优势 2020 3 18 37 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 风力发电 2020 3 18 38 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 风力发电原理 把风的动能转变成机械动能 再把机械能转化为电力动能 这就是风力发电 风力发电的原理 是利用风力带动风车叶片旋转 再透过增速机将旋转的速度提升 来促使发电机发电 2020 3 18 39 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 风能市场概况 全球风电市场 风能作为一种清洁的可再生能源 越来越受到世界各国的重视 其蕴量巨大 全球的风能约为2 74 109MW 其中可利用的风能为2 107MW 比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍 中国风能储量很大 分布面广 仅陆地上的风能储量就有约2 53亿千瓦 自2004年以来 全球风力发电能力翻了一番 2006年至2007年间 全球风能发电装机容量扩大27 2007年已有9万兆瓦 2010年16万兆瓦 预计未来20 25年内 世界风能市场每年将递增25 中国风电市场 2006年 中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦 成为继欧洲 美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一 2008年8月 中国风电装机总量已经达到700万千瓦 占中国发电总装机容量的1 位居世界第五 这也意味着中国已进入可再生能源大国行列 2020 3 18 40 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 风力发电优点及前景 清洁 环境效益好 可再生 永不枯竭 基建周期短 装机规模灵活 风电发展到目前阶段 其性价比正在形成与煤电 水电的竞争优势 风电的优势在于 能力每增加一倍 成本就下降15 近几年世界风电增长一直保持在30 以上 随着中国风电装机的国产化和发电的规模化 风电成本可望再降 中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点 按照国家规划 未来15年 全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦 2020 3 18 41 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 地源热泵 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源 也称地能 包括地下水 土壤或地表水等 既可供热又可制冷的高效节能空调系统 概念 通常地源热泵消耗1KW的能量 用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上的冷量 所以我们将其称为节能型空调系统 2020 3 18 42 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 地源热泵 地源热泵供暖空调系统主要分为三部分 室外地能换热系统 水源热泵机组和室内采暖空调末端系统 原理 吸收的地下水热量1000kcal 100 消耗电能2 91kw 25 热泵机组性能系统 4 供热量12500kcal 125 地源热泵能流图 2020 3 18 43 绿色智慧建筑核心技术三 绿色节能技术 地源热泵 制冷系数在6以上 制热系数在5以上 比传统的中央空调高40 左右 一机多用 一套设备可以满足制冷采暖需求 又可以提供卫生热水 节能效果显著 地源热泵可利用的低位热源水有地下水 海水 城市污水 洗浴废热水 江河湖水等 2020 3 18 44 绿色智慧建筑核心技术四 绿色机房技术 绿色机房指机房各系统均遵循最大能源节约及最低环境影响的设计原则 同时采用先进的技术与策略 2020 3 18 45 绿色智慧建筑核心技术四 绿色机房技术 能源使用效率 PUE是一个比率 越接近1 1 2 表明机房能效水平越好 因此提倡建设绿色机房是很有必要的 PowerUtilizationEfficiency PUE 能源使用效率 2020 3 18 46 绿色智慧建筑核心技术四 绿色机房技术 绿色机房PUE值标准图 2020 3 18 47 物联网产生时代背景 物联网发展动态 1 2 目录 物联网关键技术 3 绿色智慧建筑核心技术 4 物联网在绿色智慧建筑中的应用 5 物联网与建筑智能化发展展望 6 2020 3 18 48 1 在网络集成中的应用 智能建筑可看作城市信息化的基本单元之一 在智能建筑中集成最新的通信网络技术是必然趋势 第一是网络宽带化 为了满足日益增长的信息应用和集成的需求 建筑通信网络的宽带化是必然的 随着EPON和GPON等光纤到楼 光纤到户的推进 智能建筑拥有更高的带宽与物联网相连 第二是无线网络的普及 包括WLAN 无线传感网在内的多种无线通信技术将在智能建筑中广泛部署 并与有线通信相结合 形成覆盖广泛和灵活的无线网状 Mesh 网络 第三是控制网的标准化 控制网的标准化和开放性将进一步得到提升 基于IP技术 使用具备开放性和互操作的系统 是智能建筑控制系统的最佳选择 2020 3 18 49 2 在智能安防中的应用 社区 楼宇 家庭等场所是各种设施和安防系统密集分布区域 小区 家庭 停车场 仓库 周界等不同区域都需要进行监控 各种 车辆 人员 视频 声音 身份 位置等多种信息也都存在感知的必要性 而现有分散建设的安防系统难以满足如此复杂的智能化要求 基于现有的安防系统基础 大力加强物联网平台建设 促进信息融合和智能化建设 降低建设和运行维护成本 提高安防和管理效率 才能真正实现有效的安防 促进安全 容量和效率整体水平的提升 防入侵系统是智能安防中的重要应用 典型代表是上海浦东国际机场防入侵系统 铺设的3万多个传感节点 覆盖了地面 栅栏和低空探测 能分辨出对象是人还是动物 一旦有人靠近栅栏 系统就会自动发出善意提醒 如果来者不听警告 继续靠近栅栏 那么第二道防线就会报警 中国电信推出的 平安E家 产品是家庭智能安防的典型产品 通过在家庭中布防红外 门磁 烟感等传感器 并部署支持联动抓拍的IP视频摄像头 可以有效保障家庭的安全 2020 3 18 50 智能安防举例 对于遗留物体 在视屏内停滞一定时间 且时间达到预设门限时 则自动发出告警 并在目标物品的放置位置显示告警框提醒相关人员注意出现遗留物 当目标物品被移动且时间达到预设门限 则自动产生告警 并在目标物品原来放置位置显示告警框提醒相关人员注意物品被移动 实时回传报警时刻照片 保存触警时段录像 通过对附近摄像头监控区域的预学习 构筑起与自身三维坐标体系关联的对应坐标 当摄像头发出越界警情 送达快球管理程序 快球第一时间做出反应 锁定报警区域 自动变焦 将目标的细部特征提供给值班人员 2020 3 18 51 唯一具有自我学习功能的综合性防入侵手段 和现有防入侵手段比较 能对目标实现 是什么 人 车 动物 抛物识别 在哪里 区域定位精度可达到0 3米 干什么 入侵行为与正常行为区别 怎么干 空中抛物与翻越 攀爬与破坏围栏 地下挖洞等识别 可广泛应用于要地警戒 机场防入侵 边海防封控 警署保卫 越狱警戒等 应用指标环境适应性 全天候 全天时分类识别 人 车 动物 抛物 噪声行为识别 入侵行为与正常行为空间识别 低空 地面 地下目标跟踪 地面目标运动轨迹定位精度 分区定位0 3米漏警率 无误警率 1次 周 公里 视频联动复核后为零 浦东机场传感器网络防入侵系统 防入侵应用 2020 3 18 52 上海市地方标准 重点单位重要部位安全技术防范系统要求第7部分 城市轨道交通 2007年9月1日起强制实施 国内首个城市轨道安防技术标准 国家城市轨道交通公共安全标准制定 上海地铁耀华路站 城市轨道安全技术防范应用 2020 3 18 53 3 在节能减排中的应用 中国电信等运营商正在有计划地推出节能减排解决方案 运营商在客户耗电量大的空调设备 如冰水主机 箱型冷气 加装控制模块 透过网络通讯将空调设备的运转信息收集至节能管理统一平台 进行统计分析 产出空调设施优化控制策略 同时使用者可透过平台进行空调设备操控管理 同时 亦监测空调设备每天24小时的运转状况 一旦侦测发现异常 可立即发出告警通知 以利于管理者维修处理 在客户空调系统的负载端设备 例如 FCU 分离式冷气 空调箱 及外气引进装置加装控制设备 同时于空调环境内加装环境感知组件 来侦测环境状况 温度 湿度 CO2浓度等 透过对环境状况的资料搜集与分析 由节能管理统一平台自动将空调系统的负载端设备进行自动调控 将空调环境的温 湿度及CO2浓度控制在一定范围下 避免因不当的人为控制导致环境过冷或过热 让使用者能充分享受一个自动调控且舒适的空调环境 2020 3 18 54 建筑能耗动态监测 基于无线传感网技术的建筑能耗动态监测系统 可以实现建筑能耗数据的实时采集 传输 初步分析 定时定点上传等基本功能 并具有较强的扩展性 系统还可以实现室内温湿度的远程监测 分析房间内的实时温湿度变化 配合节能运行管理 系统功能 耗能数据采集无线内网传输数据显示 统计 分析和预警报表输出打印综合耗能评价 分析 配置 2020 3 18 55 4 在智能家居中的应用 智能家居主要包括前端控制通信设备 户内主机 家庭网关 系统平台及手机客户端五部分 通过在家庭内安装智能家居设备 用户可通过手机客户端登陆到平台 将命令经由家庭网关下发到户内主机 户内主机通过有线或无线的方式将信号传递至前端控制设备 从而实现远程操控 智能家居的应用价值主要在于 一 增加客户的家庭安全性体验 比如远程通过视频和图片查看家庭室内情况 二 提高客户的家居舒适性和人性化感受 家居环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具 提供全方位的信息交互功能 三 提高客户在途时间的利用率 比如通过短信指令让家里热水器提前启动 让电饭煲提前开始煮饭 2020 3 18 56 系统介绍 拓扑图 2020 3 18 57 系统介绍 软硬件环境 手机控制 面板控制 电话控制 互联网控制 2020 3 18 58 个人健康监测 平安家居与个人健康传感网 远程家居传感监控 提供安全 环保 健康的家居与个人服务 传感器网络与移动通信网结合 提供新的增值业务或主流业务 2020 3 18 59 5 在监控管理中的应用 通过物联网技术实现对事物和作业的不间断监测 及时响应突发事件 是物联网的另一项重要应用 具有灵敏度高 体积小 易于敷设 对被检测场无破坏与干扰 抗电磁干扰能力强 能够进行分布测量等特点的光纤传感器在建筑智能化中将发挥越来越大的作用 可以预知结构局部的载荷及状况 光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中 对结构同时进行冲击检测 形状控制和振动阻尼检测等 以监视结构的缺陷情况 另外 多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络 对结构进行准分布式检测 可以用计算机对传感信号进行远程控制 2020 3 18 60 物联网产生时代背景 物联网发展动态 1 2 目录 物联网关键技术 3 绿色智慧建筑核心技术 4 物联网在绿色智慧建筑中的应用 5 物联网与建筑智能化发展展望 6 2020 3 18 61 物联网 IoT 建筑智能化 BI 物联网与建筑智能化 2020 3 18 62 物联网与建筑智能化发展阶段 初级阶段 成熟阶段 发展阶段 住宅小区突破口 十大建筑 数字城市 2020 3 18 63 物联网与建筑智能化发展 初级阶段 感知社区 感知社区 防盗报警系统 智能车辆管理系统 电子巡更系统 视频监控系统 综合图文信息系统 综合