物联网与智能建筑

1 前言

近年来，随着全球物联网、新一代移动宽带网、下一代互联网、云计算等新一轮信息技术迅速发展和深入应用，智能建筑向更高阶段的发展已成为必然趋势。

物联网技术下的智能建筑是一个基于信息采集、控制、通信、分析和管理的系统工程，智能建筑中各类资源的采集、整合和智能化处理是物联网建设的基础， 而物联网的应用将大大提升智能建筑整体水平，实现智能建筑各类资源网络化的最大集成和应用。智能建筑的发展将伴随物联网的发展而发展。本文由物联网、智能 建筑、智能建筑物联网应用案例三部分组成。

2　物联网

2．１ 前言

物联网概念最早出现于比尔•盖茨１９９５年出版的《未来之路》一书；１９９８年美国麻省理工学院（ＭＩＴ）提出了“物联网”的构想。１９９９年美国 ＭＩＴ研究ＲＦＩＤ的Ａｕｔｏ－ＩＤ中心主任Ａｓｈｔｏｎ教授提出“Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ”（物联网）这一概念。２００５年，国际电信联 盟（ＩＴＵ）在《ＩＴＵ互联网报告２００５：物联网》中正式提出了“物联网”的概念。在美国（或英文世界），专业人员把物联网称为Ｍ２Ｍ。

奥巴马就任美国总统后，积极回应了ＩＢＭ提出的“智慧地球”的概念。２００９年８月７日，温家宝总理在无锡考察时提出了“感知中国”的理念，指出 “在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。”温家宝在《２０１０年政府工作报告》中也指出“要加快物联网的研发应用”，大大推动了我国物 联网的发展。我国正式成立了传感（物联）网技术产业联盟，工信部成立了一个全国推进物联网的部际领导协同小组即家物联网标准联合工作组，以加快物联网产业 化进程。全国各地纷纷成立物联网管理、研发、产业化机构，如中国物联网产业推进中心，上海物联网中心、天津物联网中心等。

各种形式的物联网技术与应用发展高级研讨班、各种高层论坛也纷纷召开，相关企业则正在采取各种措施加快物联网的产业化。

2．２　物联网的定义

（１）由于物联网概念刚刚出现不久，其内涵还在不断发展、完善，对于“物联网”这一概念的准确定义尚未形成比较权威的表述。另外，业内尚没有物联网 标准，从业人员视角和立场不同，（有的从商业角度）出现了五花八门的解释，归纳起来主要有以下几种定义：１）物联网是传感网而不接入互联网；２）物联网是 互联网的一部分；３）物联网是互联网的补充网络；４）物联网是未来的互联网；５）物联网是互联网的延伸。

（２）物联网是传感网而不接入互联网是早期应用阶段的定义，即物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、信息传感设备等，按约定的协议把任何物体通过网络连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

当时认为，这种网络不接互联网，以内网和专网形式存在。因为互联网是一个“平台”，着重互联网的信息共享，而物联网不同，既然有“物”就有一定产权 和归属权，共享也是有条件的。物联网很多应用更依赖于“无线网络”技术，如各种短距离ＲＦ（包括ＲＦＩＤ和Ｍｅｓｈ等）和长距离（ＧＳＭ和各ＣＤＭＡ）。 无线通信技术是目前物联网产业发展的主要基础设施，并认为物联网就是传感网，这种物联网是“狭义的物联网”。

（３）目前常用的定义：物联网是通过各种信息传感设备和系统（传感网、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器等）、全球定位系统，按约定的通信协 议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。每一个物件都可 以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以控制通信，这种物联网是“广义的物联网”。

（４）国际电信联盟（ＩＴＵ）对物联网的定义，对物联网概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间的互联，无所不在的网络，无所不在的计算。

广义上的物联网，使传感网与互联网的结合发挥更大作用（见图１）。

2．３　物联网的体系结构

（１）感知层：主要功能是信息感知与采集，主要包括二维码标签和识读器、ＲＦＩＤ标签和读写器、摄像头、各种传感器（如温度传感器、声音传感器、振动传感器、压力传感器等）。

（２）接入层：接入层即接入网由汇聚节点及接入网点组成，负责数据转发交换（大量多种类传感器节点组成的自治网）。

（３）网络层：即核心承载网，承载物联网接入层和信息服务系统之间的数据通信部分。主要包括２Ｇ、３Ｇ/Ｂ３Ｇ、４Ｇ移动移动通信网；ＷｉＦｉ、ＷＩＭＡＸ、无线城域网；互联网。

（４）应用层：各种应用服务器为用户提供物联网应用接口，包括用户设备（如ＰＣ机、手机、客户端浏览器）。对用户数据转换、筛选、分析处理以及对末端节点进行控制时，由服务器系统发出指令（见图２）。

广义的物联网网络有四种：

短距离有线通信网（包括十多种现场总线）；
长距离有线网（广电、电信、互联网）；
短距离无线网（ＲＦ、ＺｉｇＢｅｅ、ＨｏｍＲＦ等）；
长距离无线通信网（ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＴＤＣＤＭＡ）。

2．４　物联网的无线通信与ＺｉｇＢｅｅ网络

（１）物联网的无线通信

１）无线个域网：ＷＰＡＮ，根据短距离（几米之内）通信需求，近年来出现了个人区域网络ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎｄ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）和无线 个人局域网的概念，采用ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准。个域网通信技术有很多，如ＺｉｇＢｅｅ、蓝牙等。其中，ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的近距离、低速率、 低功耗的双向无线通信技术（见图３）。

２）无线局域网（ＷＬＡＮ）：ＷＬＡＮ覆盖半径一般约为１００ｍ，采用ＩＥＥＥ８０２．１１标准系列。

３）无线城域网（ＷＭＡＮ），覆盖范围从几千米至几十千米，采用ＩＥＥＥ８０２．１６标准系列，是一种宽带无线接入技术，如ＷｉＭＡＸ，具有宽带、移动、覆盖范围大等特点，可以填补ＷｉＦｉ的不足。

４）无线广域网（ＷＷＡＮ）：是为了满足超出一个城市范围的信息交流和网际接入的要求，在无线广域网中一般采用蜂窝网络技术，例如，ＧＳＭ、ＧＰＲＳ、ＧＰＳ、ＣＤＭＡ和第三代移动通信３Ｇ。

（２）ＺｉｇＢｅｅ网络系统的特点：

低功耗；低成本（协议简单，需存储空间小）；时延短（１５～３０ｍｓ）；传输范围小（一般为１０～７５ｍ）；数据传输速率低（２０～２５０ｋｂ/ｓ）；数据传输可靠（例如采用碰撞避免机制等）。

2．５ 物联网软件平台的组成

软件平台是物联网的神经系统，一般物联网软件平台建立在分层的通信协议体系之上，通常包括：
①数据感知系统软件；
②物联网中间件系统软件；
③网络操作系统软件；
④物联网信息管理系统软件。

2．６　物联网的关键技术

（1）节点感知技术
①电子标签ＲＦＩＤ；
②新型传感器：从传统传感器向智能传感器发展；
③智能化传感网节点技术。

（2）节点组网及通信网络技术
①传感网技术；
②核心承载网通信技术；
③互联网技术。

（3）数据融合与智能技术
①数据融合与处理；
②海量数据智能分析与控制。

（4）云计算技术

3　智能建筑

3．１　智能建筑的概念

（１）什么是智能建筑（智能大厦）

1）智能建筑——Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ即为直译过来的术语；
2）“智能建筑”是指建筑物中采用由计算机进行综合管理的建筑物；
3）“建筑智能化系统”是指建筑物中的智能化管理系统；
4）自动化领域中的“智能控制”：将“人工智能”（Ａｒｔｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）用于自动控制（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　 Ｃｏｎｔｒｏｌ），来控制生产过程、运动机械、机器人等。“人工智能”的两个分支：１）利用强大的计算机，运用一些逻辑推理以解决专家才能解决的问 题；２）利用阀值神经元模型组成“神经网络”，试图模拟动物和人脑的感知和学习能力。目前智能建筑中的“智能”≠智能控制中的“智能”。

（２）智能建筑（智能大厦）的定义

美国研究机构认为，将建筑物的结构、系统、服务和管理四项基本要素及它们之间的内在关系进行最优化，来提供一个投资合理、具有高效、舒适、便利环境的建筑物。

日本研究机构认为，是指兼备信息通信，办公自动化信息服务以及楼宇自动化各项功能的，便于进行智力活动需要的建筑物。

我国通常认为，建筑物中的楼宇自动化系统，办公自动化系统，通信自动化系统通过结构化布线和计算机网络进行集中管理、统一管理，实现舒适、安全、节能、高效。

（３）智能建筑的组成

二十世纪九十年代国外普遍认为由以下系统组成：

1）通讯自动化ＣＡ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）（通信与网络）；
2）楼宇自动化ＢＡ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）；
3）办公自动化ＯＡ（Ｏｆｆｉｃｅ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）（信息管理）；
4）结构化综合布线ＳＣ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　Ｃａｂｌｉｎｇ）３Ａ＋ＳＣ.

（４）目前我国制定的智能建筑设计标准ＧＢ/Ｔ５０３１４－２００６规定智能化系统的组成。
1）智能化集成系统
2）信息设施系统
3）信息化应用系统
4）建筑设备管理系统
5）公共安全系统
6）机房工程
7）建筑环境系统
系统详细组成见图４.

3．２　智能建筑的最新发展

（１）智能建筑的类型不断扩展

传统的智能建筑主要是写字楼和酒店，新兴的智能建筑包括几个部分。

1）机关、企业单位办公用建筑的智能化；
2）数字化图书馆；
3）数字化医院；
4）数字化校园；
5）数字化博物馆、会展中心；
6）数字化体育场馆；
7）智能化小区及数字化社区。

我国２００６年制定的《智能建筑设计标准》ＧＢ/Ｔ５０３１４－２００６已经规定应用到以下十类建筑：

1）办公建筑＜商务、行政、金融＞；
2）商业建筑＜商场、宾馆＞；
3）文化建筑＜图书馆、博物馆、会展中心、档案馆＞；
4）媒体建筑＜剧（影）院、广播电视业务＞；
5）体育建筑＜体育场、体育馆、游泳馆等＞；
6）医院建筑＜综合性医院、专业性医院＞；
7）学校建筑＜普通全日制高等学校、高级中学和高级职业中学、初级中学和小学和幼儿园＞；
8）交通建筑＜空港航站楼、铁路客运站、城市公共轨道交通站、社会停车库（场）＞；
9）住宅建筑＜住宅、别墅＞；
10）通用工业建筑。

（２）智能建筑由单体向建筑群智能化发展

随着数字化城市的发展，城市公用信息平台的形成，因而目前对建筑群智能化和信息化的要求越来越多。办公、居住、商用、厂房等多种建筑物群形成的数字 化街区、数字化园区、数字化建筑群不断涌现，使智能建筑由单体的智能建筑走向建筑群的智能化、数字化：如北京中关村软件园数字化工程、哈尔滨软件园数字化 工程、烟台开发区建筑群智能化工程、武汉经济技术开发区数字化工程等。因此，形成以信息服务、信息应用为核心建筑群数字化系统不仅在规模上、系统配置上、 功能上，而且技术难度上都远远超过传统的智能大厦。

（３）智能化建筑传统的理念概念正在不断更新

１９８４年美国康涅狄格州（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ）哈特福（Ｈａｒｔｆｏｒｄ）市建成世界上第一座“智能大厦”——“都市大厦”（Ｃｉｔｙ　 ｐｌａｃｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ），美国智能型建筑学会（ＡＩＢＩ）等学术团体提出的智能大厦的有关理念及概念一直延用至今。随着ＩＴ技术的发展，其理念和 概念进行了发展和更新。特别是国家信息化的要求，智能大厦、智能化居民小区已成为数字城市的一个信息节点，对传统的智能大厦，智能化居民小区的理念、概念 产生新的挑战。

传统的智能建筑通常认为智能大厦的智能化系统是以楼宇自控系统为核心组成。当前很多专家认为，智能大厦作为数字化城市中的信息节点，应以信息系统为 核心，而传统的楼宇自控、消防、安防等子系统应作为一般必要的配置。智能化居民小区的智能化系统通常认为以安防为核心，当前很多专家认为在数字城市发展的 今天，应成为信息系统为核心的数字化社区，安防、物业管理等设备应作为一般必要的配置。

3．３　国外智能建筑现状

２００５年１１月２７日~１２月６日，笔者受英国ＩＢＧ的邀请赴英国伦敦进行学术交流及项目考察，出席了英国ＩＢＧ与智能专委会的学术交流会以及英 国ＩＢＧ与ＢＳＩ共同举办的国际智能建筑研讨会，考察了Ｃｉｓｃｏ、ＣＤＣ公司以及ＢＲＥ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｒｅａｄｉｎｇ，参观了 Ｃｏｕｎｔｒｙ　Ｈａｌｌ、Ｂｌｕｅ　Ｗａｔｅｒ、Ｓｗｉｔｈ　Ｈａｍｍｅｒ智能化工程，Ｃｈｉｓｗｉｃｋ　ｐａｒｋ　Ｌｏｎｄｏｎ节能建筑，受到了英国 专家的热情接待，体会到英国等国家在某些技术上领先于好几年，发现有一些新的观念值得我们学习。

（１）网络建筑

Ｃｉｓｃｏ公司的Ｎｉｃｋ　Ｍａｉｎ先生介绍了通过ＩＰ网络在智能建筑中将信息整合在一起，借助于ＩＰ网络实现了语音、数据、视频的传输，使人们能 在办公楼内的ＰＣ机上方便地上网，打ＩＰ电话，收看各种视频信息，特别值得一提的是参观Ｃｉｓｃｏ的全球安全设施操控中心（ＳＦＯＣ）收获很大，ＳＦＯＣ 可以操控９０个国家４００套出入口控制器和闭路监控摄像机。 英国是欧洲的ＥＭＥＡ监控中心，可以把欧洲、非洲国家的所有分公司及办事处的信号集成，通过数字摄像机可以看到非洲某处犯罪作案的录像回放，清晰度高，而 音像的连续性只有４帧/秒，完全可以看清作案过程。Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　Ｄａｔａ公司的Ｍａｒｋ　Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ先生则提出，网络是智能建筑的核心， 网络融合是发展方向，Ｃｉｓｃｏ公司提出的网络建筑，ＩＰ建筑等新理念值得我们思考。

（２）ＩＴ技术

目前，ＩＴ技术正不断渗入到ＩＢ技术中，国外有的专家把智能建筑称为ＩＴ建筑或者建筑ＩＴ.从考察中可以看到，英国人正在充分地应用ＩＴ的技术资 源，采用网络办公的方式，以节省公司的运营成本。例如ＣＩＳＣＯ公司的部分雇员采用家庭网络办公的方式，这在ＮＩＣＫ的报告中也谈到，如果ＣＩＳＣＯ的全 体员工都来公司办公楼上班，那么公司要增加一个新的办公楼，这就需要增加投资约４．５亿英镑。这些情况均对我们也有所启发。

（３）系统集成

参观访问英国ＣＤＣ公司时，该公司总裁Ｍｉｋｅ　Ｗｉｌｌｉａｍｓ先生介绍了集成商应如何在建筑物中挑战多重系统——传统大楼中各种智能化的系统使 用其各自专用通信网络自成一体，分割建筑物管理，复杂重复，技术重叠，成本高，解决方法是利用ＴＣＰ/ＩＰ通信协议进行开放、可靠宽带的信息管道建设从而 实现系统整合（系统集成）这种整合要进行系统集成设计，系统界面管理，成本控制。他们的经验认为，最佳的集成不仅是各子系统技术整合而且是管理流程的技术 整合，人员的技术整合三方面缺一不可，伦敦市政大厦（Ｃｏｕｎｔｒｙ　Ｈａｌｌ）实现了ＩＰ网对安防、消防、楼宇控制的系统集成，这些经验值得学习。

（４）可持续发展

关于建筑的发展有所谓“健康建筑”、“智能建筑”、“绿色建筑”、“生态建筑”等说法，无论名词如何表述，有一点是肯定的，那就是建筑的发展一定要 符合可持续发展的原则。智能化系统的建设也必须服从于这一原则，可持续建筑的发展也为智能化技术的发展提出了更新、更高的要求。除满足建筑物传统意义上的 安全、舒适、便捷的要求外，还必须为建筑减少能源消耗、减少环境污染，提高运行效率提供保障。

例如对于智能围护结构的运行控制，对自然通风与自然采光调节，对个性化送风的控制，对自然能源利用系统的运行控制，以及建筑物能源智能化管理都需要 智能化系统进行高度“智能”的控制。可以说，离开了智能化系统，生态建筑的生态效益就无法得到实现。但目前在国内来说，楼宇设备自控系统（ＢＡＳ）的运行 状态以及所发挥的作用在所有智能化的系统中可能是问题最多，运行效果不理想，因而急需提高。

4 智能建筑物联网应用

（１）物联网的应用案例

目前，智能建筑中物联网的应用只是局部的，而且大部分还是使用ＲＦＩＤ的物联网。

1）案例１：香港东区医院——２００８年采用ＲＦＩＤ医院综合管理系统，系统包括ＲＦＩＤ婴儿防盗系统、ＲＦＩＤ药品管理系统、ＲＦＩＤ资产管理系统。

2）案例２：江苏省监狱——ＲＦＩＤ人员识别定位系统、ＲＦＩＤ资产管理系统、ＲＦＩＤ停车场管理系统、ＲＦＩＤ门禁一卡通系统，实现监狱的智能化管理。

3）案例３：ＲＦＩＤ会议签到系统——基于在会议室出入口设置ＲＦＩＤ识别装置，对参会人员派发电子参会证（ＲＦＩＤ卡），系统会通过ＲＦＩＤ读写 器进行自动身份识别，可通过网络在会场显示、座位引导、会后统计参会人员数量和参会人员信息，便于组委会统计分析真正意义上的智能会议管理。

4）案例４：上海跨国采购中心——其中五角世贸商城采用ＲＦＩＤ贵宾引导系统、ＲＦＩＤ节能控制系统、ＲＦＩＤ会议签到系统、ＲＦＩＤ人员识别定位系统、ＲＦＩＤ停车场管理系统、ＲＦＩＤ门禁一卡通系统。

5）案例５：ＲＦＩＤ楼宇节能控制系统——ＲＦＩＤ楼宇节能控制系统利用前端ＲＦＩＤ传感网络采集数据，统计人员进出数据及无人进入的时间，远程自动控制区内空调、灯光等设备节约能源。

6）案例６：ＳＡＦＴＯＰ智能建筑物联系统（见图5）——构建了一个开放式架构的统一平台，可以实现多系统免集成，多系统混合组网，硬件联动，简单操作，即插即用免调试，智能化无需事先规划，事后易变通。

（２）物联网应用将大大提升智能建筑整体水平

１）采用物联网技术实现了有线和无线相结合的网络，大大降低布线的工程造价及施工难度

２）对设备参数检测和监测设备运行情况，可以提高设备寿命，也可以降低设备能耗。

３）物联网的应用可以对系统全方位监测和控制：　　采用物联网技术对建筑物结构进行全方位的监测，在进行土木工程时，把各种智能传感器嵌入到建筑物 的各个关键部位，可以实时感知建筑物本身的各种变化，如温度、湿度、震动、摆动、压力、张力、裂变等，可以及早发现和预防建筑物结构状态，及时采取措施， 预防各种灾害，延长建筑物寿命。

物联网技术：采用智能传感器及无线技术改造和提升原有的智能化系统，从根本上提高智能化水平，使智能建筑变为“智慧”，及早、逐步集成到智慧城市中，成为智慧城市的一个智慧单元。