智能楼宇管理系统的设计与实现

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摘要：利用RFID和无线传感网等技术实现智能楼宇管理的信息化。针对智能楼宇建设的需要，从智能楼宇五大子系统出发，利用物联网中的RFID射频识别、无线传感网等技术展开了全面设计， 对整体系统架构进行了论述和分析，完成了现代智能楼宇管理信息化的设计，达到了利用物联网技术提升楼宇管理信息化水平的目标。这一系统得到了实际应用，效果良好，能满足现代楼宇管理的要求。

关键词：物联网技术；智能楼宇；信息化管理

中图分类号：TP391文献标志码：A[WT]文章编号：1672-1098（2014）03-0073-05

“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网技术的应用现在已在各个领域推动着产业的升级。物联网技术是一集多专业交叉复合的技术，核心技术主要包括传感器、无线传感网、射频识别、智能处理等技术。目前在现代物流、智能交通、智慧农业等领域得到广泛应用，并产生了巨大的效益。

智能楼宇系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，智能楼宇将有以下四大特性： 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，帮助楼宇内单位与外部保持信息交流畅通。可视化，将室内二氧化碳浓度、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的呈现给用户，给用户对楼宇内状态以更加直观的感受。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、随心的控制楼宇内生活工作环境。

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有：楼宇人员管理追踪和人员室内定位系统、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。

1） 室内环境监测。监测室内的有毒气体浓度、二氧化碳浓度、湿度、温度、光照强度等环境指标，并能实时的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。将室内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。根据室内感知到的数据，同时根据用户的当前位置和状态，智能地控制室内各种设备，调节室内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五个层次：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”室内的点点滴滴。

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。接入层终端通过了楼宇网关（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内定位系统

本系统包括以下主要功能模块：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处设置隐藏式通道，如果有非法人员或外来人员未经登记的进入楼层通道后，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/IEC14443 type A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，完成人员进出管理、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内人员，如果该访客到达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性。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三个方面：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内的任何点发送的信号可以被三个或者三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 1 分钟）。同时，另外一个工作人员记录下来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。可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。该方法可以有效的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，对楼宇内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。只需利用智能手机，就能管理控制楼宇内部的各种设备，例如照明、空调、窗帘等（见图1）。管理简单、方便、省时又灵活。

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内主控单元互联互通（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内的各种电器，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、融合服务层三个层面。

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：主要包括楼宇内部网络和骨干网络接入两个部分。楼宇内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范的互联互通互操作，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

室内环境监测系统主要用于室内环境等相关监控。可以监控的参数有温、湿度，光照，粉尘，辐射、二氧化碳等。

环境感知系统包括以下四大部分：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，区域内系统配置；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。图2系统框架

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TI MSP430F1611，具有48kB ROM、10kB RAM、1MB Flash。 射频芯片采用TI CC2420，利用2.4～ 2.483 5 GHz 频段，实现250 Kbps通信速率，室内40 m左右，室外100 m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。其功能服务模块可分为以下两个：

1） 全天视频监控；

2） 智能视频数据中心；

无线视频监控设备，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TI MSP430F5137，具有32KB ROM、4KB RAM、1MB Flash，射频芯片采用TI CC1100，利用433 MHz ～ 915 MHz 频段，实现500 ～ 600 m（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结束语

物联网技术在国家大力推动下发展迅速，而且在各行各业得到了应用。智能楼宇在近些年来得以较快发展。物联网技术与智能楼宇的结合，必定将加快智能楼宇的发展，同时也推动物联网技术本身的进步。本系统已在智能楼宇信息化中得到了应用，效果良好。

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