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物联网在智能楼宇中的应用
《物联网技术基础》课程结课论文
姓 名朱建华
年级专业电1301-1
所属学院电气与电子工程学院
学 号20132510
日 期2016.6.6
物联网技术在智能楼宇中的应用
一、物联网核心技术概述
1.物联网的定义
物联网的英文名称叫TheInternetofthings。
顾名思义,物联网就是物物相连的互联网。
这有两层意思：
第一，物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。
因此，物联网的定义是:
通过射频识别（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,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
2.物联网的原理
物联网中非常重要的技术是射频识别（RFID）技术。
RFID是射频识别（RadioFrequencyIdentification）技术英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。
以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。
而RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。
在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。
互联网,即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。
兴起于上世纪90年代,目前仍以计算机设备的互联为主,但已经有许多手机等终端设备实现了这一网络。
互联网使用的TCP/IP协议目前已经面临地址资源枯竭的难题,目前使用的IPv4版本采用32位二进制数定义地址,虽然总数能达到约43亿,但是仍然不能满足现今全球网络飞速发展的需求,因此IPv6版本应运而生,IPv6采用128位定义地址，可以提供的地址数量大幅度增加。
理论上讲,可以为地球上每粒沙子分配一个IP地址,客观上为物联网的广泛应用提供了可能。
在互联网的基础上，任何的物，可以通过嵌入不同复杂程度的智能芯片,实现互相之间的信息交换。
物，可能是运动或需要方便改变方位的对象,如运行中汽车、跟随父母的儿童、信件、包裹等;也有许多处于固定状态的对象,如需要监控的门窗,检测火险的烟雾传感器等,因为工程条件、外观、成本等各方面的因素,不宜采用有线连接的方式接入互联网。
所以,物接入互联网的主要途径是无线方式。
植入到物中间的智能芯片需要实现的功能包括:
物的标识、传感器信号的处理、底层物理通道的建立、信息交换、数据计算、数据处理、控制输出等。
在这些功能中,为实现物物互联,最基础性的是传感技术（智能感知）,所以物联网又称为传感网。
物联网可分为三层:
感知层、网络层和应用层。
感知层是物联网的皮肤和五官,识别物体,采集信息。
感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等,主要是识别物体,采集信息,与人体结构中皮肤和五官的作用相似。
网络层是物联网的神经中枢和大脑,传递和处理信息。
网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。
网络层将感知层获取的信息进行传递和处理,类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
应用层是物联网的社会分工与行业需求结合,实现广泛智能化。
应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,与行业需求结合,实现行业智能化,这类似于人的社会分工,最终构成人类社会。
二、研究背景和意义
1.研究背景
物联网是互联网的应用拓展,应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心是物联网发展的灵魂,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
置身信息化革命的浪潮,物联网是信息技术移动化的一个具体应用。
物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中,具体地说,就是把物联网感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道、办公和家用器具等各种物体中,然后将物联网与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合,在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对整合网络的人员、机器、设备和基础设施实施的管理和控制,在此基础上,人类可以实现无所不在的计算和网络,以更加精细和动态的方式管理生产和生活,管理未来的城市,达到智慧状态,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。
2.意义
智能楼宇是指利用系统集成方法，将计算机技术、通信技术、信息技术与建筑技术有机结合，通过对设备的自动监控、对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理、适合信息社会需要并且具有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。
随着物联网概念的出现，物联网技术渗透到了各行各业，推动着对传统产业的技术升级和改造。
借助物联网技术提升智能楼宇建设也是发展的必然。
经过物联网技术的升级改造，智能楼宇将有4大特性：
智能化，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具;信息化，提供全方位的信息交换功能，帮助楼宇单位与外部保持信息交流畅通;可视化，将室CO2浓度、煤气浓度、光照、温度等不可见状态通过数据可视化的形式清晰明了地呈现给用户，让用户对楼宇状态有更加直观的感受;人性化，强调人的主观能动性，重视人与环境的协调，使用户能随时、随地、随心的控制楼宇的生活和工作环境。
三、国外研究现状
毫无疑问,如果物联网时代来临,人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。
然而,不谈什么隐私权和辐射问题,单把所有物品都植入识别芯片这一点现在看来还不太现实。
人们正走向物联网时代，但这个过程可能需要很长一段时间。
尽管如此,不管是国还是国外,目前已经产生了一些成熟和先进的应用案例,如在门、窗、墙体上安装物联网传感器,计算机系统对这些传感器获取的图像、声音、温度、压力、振动、红外线等信息进行综合处理分析,分辨出爬上墙的究竟是人还是猫狗等动物,多种传感手段组成一个协同系统后,可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。
这一传感网防入侵系统,目前已经应用在浦东国际机场和世博会,并计划推广到全国民用机场，由此可知,基于物联网的特点,它将会在楼宇智能化方面最先得到普及应用。
目前,国通用的楼宇智能系统大多是通过多个独立的子系统来满足智能化的要求。
每个子系统各自为政,有独立的传感器、独立的控制器,甚至后台的管理系统都是独立的,缺乏总体集成的概念和系统发展的考虑。
如此自然带来了以下若干问题:
1）初期建设成本高,因为每个系统的部件都不能共享,不能融合,必然导致整体建设成本居高不下。
在各个子系统的建设过程中,厂商们习惯从各自利益出发,在接口上互相扯皮,容易耽误工期。
施工工期长,工程造价高,各个子系统采用不同的布线和施工方案,布线一般采用有线形式,重复布线与重复施工,使得施工量加大,施工工期延长;各系统协同工作及其相互联动变得更加困难,并且都需通过后期定制软件来完成,使得调试周期延长。
整合困难,难以实现真正的智能化。
不同供应商的产品如门禁、报警、空调、智能照明、一卡通等系统进行系统集成时,由于没有开放的协议,没有统一的接口和数据库,使得技术协调变得困难,甚至无法达到用户的智能化要求。
2）管理及维护成本高,因为每个系统都要不同的人员去管理,需要不同的技能,所以在管理方面,会带来许多额外的开销;每个子系统都得单独维护系统,不能统一远程校调、维护。
系统维护困难,使用成本高。
不同厂家的设备使用不同的通讯总线和通讯协议,系统及设备相互兼容性差;各家使用不同的布线方案,不但造成重复布线施工的材料浪费,而且还使得系统之间的联动、数据资源共享等用户的人性化操作需求的实现变得困难或难以实现,并增加了系统的使用和维护成本。
3）系统扩展性降低,使用不方便。
用户在后期要增加新的子系统及设备,需重新进行布线施工和调试系统,扩展性降低;用户需学习各个系统的不同的使用方法及进入运行多个不同的软件,系统的联动及关联操作需在每个系统重复设置,使用极不方便。
软件定制集成,不可靠难实时。
弱电各子系统之间的联动需要专门定制,信息需经过交换机等商用级网络路由,再通过WINDWOS等软件平台交换信息,环节多,易受病毒、软件可靠性等影响,很难实时靠地进行多系统联动。
四、系统实现方案
1系统主要功能和架构
1.1主要功能
基于物联网的智能楼宇管理系统主要由楼宇人员管理追踪和人员室定位系统、楼宇设备智能控制系统、楼宇环境智能控制系统、智能无线视频实时控制系统、智能楼宇停车定位及引导系统等五大部分组成。
其具体功能有：
（1）室环境监测
监测室的有毒气体浓度、CO2浓度、湿度、温度、光照强度等环境指标，并能实时地将这些数据以可视化的方式展示给用户。
（2）数据收集及保存
将室布置的各种传感器收集到的数据和各个智能设备自身的数据上传到后台数据中心存储备份。
（3）智能用户控制
通过智能手机等移动终端在室外通过网络远程控制的方式来操纵室中的各种智能设备，比如控制空调的温度、窗帘的开合、灯光的亮灭等。
（4）智能感知控制
根据室感知到的数据，同时根据用户的当前位置和状态，智能地控制室各种设备，调节室环境达到用户最舒适、便捷、安全的要求。
（5）智能安防系统
智能楼宇提供自动分级安防模块，根据用户的当前位置和活动状态，提供不同安全等级的安防服务，达到节能、安全两不误。
（6）智能停车系统
廉价、小巧、低功耗的无线传感节点（如无线弱磁传感节点、无线超声波测距节点、无线红外节点等）作为基本感知节点，通过大规模布设，达到全方位、全天候精准检测车位使用情况;信息可通过网络发布至电子路牌、电脑、智能手机等联网终端，扩大应用领域，可为不同层次用户提供优质车位信息服务。
1.2系统总体架构
基于物联网的智能楼宇在技术层面分为5个层次：
感知层、接入层、网络层、支持层和应用层。
感知层：
为智能楼宇提供最基础最底层的数据感知功能，让智能楼宇能够“感觉到”室的点点滴滴;
接入层：
通过不同传输协议，实现终端机顶盒与各用户终端（手机、平板等）、智能楼宇感知设备和智能设备的数据传输。
接入层终端通过楼宇网关（Web方式）与网络层实现互联;
网络层：
通过因特网，网络层为智能楼宇、支持层数据中心以及第三方（如医疗机构、安保机构等）进行互联，允许各方进行数据交互;
支持层：
为智能楼宇提供数据统一的数据保存功能，为后续的数据共享和应用提供实时和历史数据;应用层：
为用户提供简洁易用、美观可视、随时随地的用户应用，结合用户控制和智能控制，为用户提供舒适、健康、人性、安全的生活。
2楼宇人员管理追踪和人员室定位系统
本系统包括以下主要几个功能模块：
人员出入管理系统、办公人员定位系统、访客管理系统等。
2.1人员出入管理系统
在楼宇入口处设置开放式通道，每一个进入楼宇的人员必须佩带无线胸卡才能通过，每个卡上可以设置各持卡人的身份信息，当持卡人通过通道时就会在相应的显示器中列出进入楼宇区域人员的欢迎信息，无需停留，自动识别人员，快速而且智能化。
如果有非法人员进入楼宇区域，此通道会自动报警，有效阻止非授权人员进入，提高楼宇区域的安全性。
在楼宇区域的电梯口及楼梯口设置隐藏式通道，如果有非法人员或外来人员未经登记进入该通道后，此通道会自动报警，有效阻止非授权人员进入。
该系统主要由天线、读写器、声光指示模块、红外模块和用户身份识别卡（电子标签）等部分组成。
可快速识别用户佩戴的身份识别卡，同时判断该用户的进出情况，当无卡用户通过时可发出声光报警;身份识别卡由专用发卡器写入个人信息。
发卡器是一款桌面式RFID 读写器，可读写符合ISO/IEC15693国际标准的射频卡及ISO/IEC14443typeA类卡，通过网络与楼宇管理中心联接，主要用于发卡操作。
2.2访客管理系统
该系统能够代替传统的手写来访登记，实现访客登记、管理一体化，达到“数字化登记、网络化办公、安全化管理”的效果，和开放式门禁、通道控制等系统集成后，形成人员进出管理、员工考勤及一卡通的全面解决方案。
通过发卡器临时发放ID卡后，访客就可以通过出入通道到相关楼层访问楼宇人员，如果该访客达到非指定楼层时系统即进行报警，让保安人员能够实时了解该人员的动态，保证楼宇财产的安全。
2.3人员定位系统
定位技术是比较复杂的技术。
RFID 射频识别技术本身具有一定的目标定位能力，但是这种方式很难做到实用。
主动式 RFID 定位技术定位准确，通信距离长，因此采用主动RFID 标签，结合“信号指纹”的方法来实现对人员的定位功能。
系统由主动式RFID 标签、天线、RFID 阅读器和相应的软件组成。
基于“信号指纹”的定位方法具体包括3个方面：
部署场地规划、信号指纹库采集、信号指纹匹配。
在基于“信号指纹”的定位方法中，首先要做的便是对部署场地进行规划。
即确定每台接收机（天线、RFID 阅读器）所处的位置并进行记录。
系统在楼宇区域的四周部署信号接收机。
部署密度需达到在区域的任何点发送的信号可以被3个或者3个以上的接收机所接收到的要求。
由于每台接收机所覆盖的面积有限，因此可以通过单个接收机所处的位置得到信号源（主动RFID tag）所处的位置，这个大致的区域被称为母区，例如所在楼层、所属房间等。
在部署接收机之后，需要进行信号指纹的采集（训练阶段）。
具体方法是首先对需要定位的区域进行网格化，通常采用1m×1m的区域作为网格的最小单元。
之后测量人员佩戴一个RFID 标签，以网格为单位，在每一个网格中停留一段时间（通常选取1min）。
同时，另外一个工作人员记录下接收到该标签的信号机的编号，以及这几个信号机接收到该主动式RFID 标签发出的信号对应的信号强度。
处在不同网格中的主动式RFID 标签发出的信号会被不同的接收机所接收。
并且即使相邻位置处可以被相同的接收机接收到，由于距离这几个接收机的距离发生了变化，因此接收信号会产生衰减。
造成在这两个相邻位置处不同接收机测量的信号强度不同。
我们将不同接收机测量到的主动标签发出信号的信号强度作为该主动标签在该位置处的“指纹”，并存入数据库中。
在训练阶段，为了避免接收机异质（不同生产厂家的产品或者相同生产厂家相同产品但是由于生产工艺造成的性质不同）带来的信号不一致，收集指纹时必须过滤噪声并采用连接测量的方式记录所有接收机的信号指纹。
在整个信号指纹库采集工作完成之后，系统便可以得到区域任意位置的信号指纹。
在信号指纹匹配阶段（查询阶段），位置服务器首先确定该人员所处的母区，即大致位置。
然后根据接收到该标签的接收机编号，以及接收机接收到信号的强度在位置服务数据库中进行匹配。
最终返回相应的地理位置信息作为该标签所在的实时位置。
在查询阶段，指纹匹配采用带权重的k近邻算法。
该方法可以有效避免异常信号测量值造成的巨大定位误差，提高定位系统的精度和鲁棒性。
3楼宇设备智能控制系统
通过物联网在线控制技术，对楼宇部的各种设备进行智能控制。
通过手机或其他移动智能设备就可以控制各种设备的开启、调整和开闭操作。
图1所示是其系统示意图，该系统只需利用智能手机，就能管理控制楼宇部的各种设备。
例如照明、空调、窗帘等。
管理简单、方便、省时又灵活。
图1系统示意图
整个系统包括智能窗帘、灯光亮度控制单元、智能开关、空调等的控制单元。
这些控制单元对楼宇中常用的电器设备进行监测和控制，并通过无线传感器网络节点与室主控单元互联互通（主控单元可以是固定的PC机也可以是用户手持的PDA或手机），形成一个绿色智能的网络，使得用户可以自由操纵室的各种电器，真正成为生活的主人。
基于物联网的智能楼宇组网采用分层体系架构，同样可以划分为感知层、网络传输层、融合服务层3个层面：
智能楼宇感知层：
包括了各种与电器相关的传感器、控制器、执行器及识别装置等，以及有线网络结合无线泛在网络的物理连接。
这一层还包括不同接入方式的MAC子层和链路控制子层，对上层网络层提供统一的接口，屏蔽异构网络之间的差异;进行不同形式楼宇通信网络间的MAC协议数据单元（PDU）映射，以支持不同网络间进行方便互通;支持动态智能的有线及多种无线网络的接入及选择;
智能楼宇网络层：
主要包括楼宇部网络和骨干网络接入两个部分。
楼宇部组网支持的有线方式包括：
以太网、串行总线USB1.1、USB2.0和IEEE1394等;无线方式包括：
无线局域网、蓝牙、红外、ZigBee等。
网络接入层通过家庭网关与业务网关，实现不同应用协议规的互联互通互操作，并与骨干网络实现无缝连接;
智能楼宇服务层：
以用户为中心的融合业务层，提供用户接口和不同制式的智能楼宇服务。
通过智能楼宇组网多层协作的自适应QoS，自适应匹配异构网络及终端设备，充分保证端到端的媒体、语音等多种业务的服务。
4楼宇环境智能控制系统
室环境监测系统主要用于室环境等相关监控。
可以监控的参数有温湿度、光照、粉尘、辐射、CO2等。
环境感知系统包括四大部分：
信息采集（节点），用于感知数据获取，传输;网关（节点），用于区域数据收集，互联网接入，区域系统配置;数据中心，用于据处理、存储;移动智能设备用户接口，用于用户查看信息，用户与系统交互。
系统框架如图2所示。
物联网APP在智能楼宇对讲系统中的应用
物联网APP，它将物业服务、信息通知、物业缴费、周边商铺、社区活动、社区圈子等诸多生活帮助信息及服务整合在一部小小的手机（平白电脑）里，为社区住户带来便捷与实惠。
物联网APP在智能楼宇对讲中的应用
智杰物联科技股份董事长金健介绍：
我们公司的智慧社区优势是显而易见的，是非物联网企业仅仅局限在APP线上O2O无法实现高频和高粘性使用的命门。
始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件；
安全防：
智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。
一旦出现警情，系统自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防；
家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等；
交互式智能控制：
可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；
通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应；
环境自动控制：
如家庭中央空调系统；
提供全方位家庭娱乐：
如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统；
现代化的厨卫环境：
主要指整体厨房和整体卫浴；
家庭信息服务：
管理家庭信息及与小区物业管理公司联系；
家庭理财服务：
通过网络完成理财和消费服务；
自动维护功能：
智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。
图2系统框架图
系统的核心模块是智能感知节点（网关）。
无线传感器网络节点采用低功耗ZigBee无线射频芯片及16位RISC指令集MCU和多种类型的传感器组成。
MCU采用TIMSP430F1611，具有48KBROM、10KBRAM、1MBFLASH。
射频芯片采用TICC2420，利用2.4GHz~2.4835GHz频段，实现250Kb/s通信速率，室40m左右室外100m左右的通信距离。
通过智能感知节点获取的各类信息，经无线传感网络汇聚进入网关，通过网络进入楼宇信息管理中心，并得到基于Web的数据服务（感知服务）。
5智能无线视频实时控制
利用无线智能摄像头、智能视频数据分析处理技术和智能终端信息系统实现无间断的视频监控和事件监测、报警，同时让各类移动终端能实时获取到视频数据和事件通知。
其功能服务模块可以分为全天视频监控和智能视频数据中心两部分。
无线视频监控设备可以方便地提供不间断视频监控。
所有感知和监控数据通过AP汇聚到楼宇管理信息中心，在信息中心对监控信息进行实时显示、智能分析、事件记录、报警，并为各种终端（PC、移动智能终端、手持设备等）提供实时数据服务;所有视频数据经过处理后都将在信息中心进行存档，并提供快捷历史数据查询。
智能移动设备和无线手持终端可以接入访问任何智能摄像头数据，查看传感器感知数据。
6 智能楼宇停车定位及引导
随着汽车保有量的迅速增加，而车位规划滞后与机动车数量急剧增加的矛盾日益严重，停车位的有效管理及使用与人们的日常生活息息相关。
传统的人工管理不仅成本高，而且管理效果及质量却并不突出。
采用无线传感网络技术来实现智能化的停车位监控系统，将极大提高车位的利用率和管理质量。
停车位监控系统由HMC5883L三轴磁阻传感器、低功耗ZigBee无线射频芯片及16位RISC指令集MCU组成。
MCU采用TIMSP430F5137，有32KBROM、4KBRAM、1MBFLASH，射频芯片采用TICC1100，利用433MHz～915MHz频段，实现500～600m（户外）通信距离。
通过检测车辆引起地磁的微弱变化实现停车位的实时监控。
监控设备不仅检测当前状态下该停车位是否有车辆停泊，还会与周围停车位的监控设备共享数据，利用无线传感网的定位技术实现高准确度的监控和车辆在停车场行驶过程中的路径跟踪，从而达到最优化的车位选择及车辆引导。
通过监控设备还可以获取车辆进出时间和车辆停泊时间，为收费提供依据。
7..物联网APP给物业管理带来的影响
对于物业公司而言，一方面可以提升物业服务质量，提高物业公告等信息覆盖率，另一方面，可以节约人力成本，还可通过商家模块，获取一定的经济效益。
物联网APP给物业管理带来的影响
1）小区资讯：
展示小区最新的资讯和动态，让小区居民对小区的活动有全盘的了解。
小区资讯详情，将对活动的具体情况，有一个更详尽的描述。
小区资讯及时送达
2）物业通知：
由物业公司通过管理后台发布，能将最新的物业通知推送到用户手机桌面，实现物管信息的即时推送，点击即可查看详情。
3）邮包提醒：
将以数字的方式，提醒住户有多少邮包在传达室尚未领取，领取完成后，该数字将自动归零。
4）小区服务：
整合小区所有服务项目，如物业维修，超市送货，电脑维修等，点击图标，即可直接呼叫服务提供商，获取小区周边的商业、生活、维修等方面的服务。
5）小区团购：
是为小区居民特别推出的团购项目，小区居民只要展示手机客户端，证明您是某小区的住户，在商家即可享受相应的团购优惠。
无需出示任何其他手续。
6）小区话题：
小区论坛，您可以浏览小区邻居所发表的帖子，您自己也可以发表新帖，回其他人帖子，是小区台。
7）周边优惠：
APP将自动定位到住户居住的小区附近，以地图的方式，展示住户小区周边的优惠商家，团购活动等信息。
地图上以不同颜色的标签，标注了不同类型的商家。
其中褐色标签为周边餐饮，蓝色标签为超市购物，绿色标签为休闲娱乐，紫色标签为生活服务。
户主可以凭客户端，点击地图上的商家图标，便捷的查找商家位置，并在指定商家，享受专为智慧小区住户提供的专项优惠活动，获得更多超值优惠。
8）物业缴费：
用户可以通过APP实现物业管理费、停车费的查询和缴纳。
物业缴费方便快捷
4、物联网技术展望
物联网技术的引入,将使楼宇智能化系统发生根本性的改变,表现在如下几个方面:
1）作为管控对象的物本身
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