物联网与智能建筑

Our Eyes 本期关注Intelligent Building & City Information 20111No.170#Intelligent Building & City Information 20111No.170#物联网与智能建筑文丨清华大学计算机科学与技术系张公忠【摘要】本文介绍了物联网产生的背景、定义、关键组成、国内外发展概况，以及物联网时代智能建筑技术特征，并讨论了建筑设备监控系统的物联网结构以及智能建筑展望等内容。【关键词】物联网智能建筑设备监控Intelligent Building & City Information 20111No.170#Intelligent Building & City Information 20111No.170#1 物联网时代到来物联网时代的到来，标志着信息化推动 工业化发展到了一个新的阶段，促进了数字 城市建设的深入发展，也给智能建筑技术未 来发展和应用指明了方向。1.1 物联网产生的背景物联网（The In ternet of thi ngs）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。20世纪90年代中期开始，信息化进入 到“互联网计算模式”时代，计算机信息从 此摆脱孤岛”环境，越向全球，进入到全 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 了传感/控制网络， 进入到“工业自动化“时 代。随着传感 /控制技术以及工业化和数字 城市需求的不断发展，控制领域信息的应用 也必须面向开放，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 /控制网协议的结构在互联网计 算模式中脱颖而岀。这就是新的计算模式一一 “物联网计算模式”。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。1.2 物联网的定义综上，物联网就是利用开放的互联网协议以及该协议所支持的应用，搭载了工业化 的传感、控制信息，从“孤岛”迈向城市和 区域，乃至全球的一种应用架构，这种应用 架构既可适用于“孤岛”，又可面向“群”和远的应用环境。因此，可以确切地认为：物联网是通过传感、控制设备，按约定的协议，将物件信息或（和）物件间互动的信息与互联网连接起来，进行信息交换和通信，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。1.3 物联网关键组成与应用架构物联网是物物相连的互联网，在物联网中具有两类网络协议：互联网协议和传感/控制网协议。包括以下三层内容：物联网是在互联网基础上延伸和扩展的应用架构；物联网的用户终端面向物件（设备），实现物件与物件之间的信息交换和通信;物联网也实现了人与物件的联系。对于智能建筑物联网主要由以下三部分组成：（1）物件通过传感或 （和）执行设备联网， 构成传感/控制网。（2）互联网协议栈（包括 TCP/IP网络平台、互联网应用协议）。（3）基于 Web浏览器应用。感知层、联接层和应用层构成了智能建筑物联网应用架构，如图1所示。联网图1智能建筑物联网应用架构图2 物联网发展概况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。1999年，在美国召开的移动计算和网络 国际会议提岀，传感网是下一个世纪人类面 临的又一个发展机遇。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、5000亿级的微处理器、万亿以上传感器需求，是下一个万亿级 信息产业引擎，为继计算机、互联网后的第 三次信息产业浪潮。美国权威咨询机构FORRESTER预测，至U2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人 通信的业务相比，将达到30:1，因此，“物联网” 被称为是下一个万亿级的通信业务网络。奥巴马就任美国总统后，于2009年1 月28日与美国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岀“智慧 地球”。此概念一经提岀，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为美国的国家战略。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岀一个 重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。而物联网确是继互联网后的第四代 计算模式（20世记60年代中期开始的“终端一 主机”称第一代计算模式；80年代初发展的“微机一服务器”称第二代计算模式；90年代中期以后发展的“互联网”称第3代计算模式）。在中国，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、 研究所和企业已经承担了物联网的有关课题 （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。“物联网”真正引起中国公众关注，则是从2009年8月开始。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， 要早一点谋划未来，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，物 联网被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 作报告中指岀，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 发展进入了国家最高层的视野。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，国内有关物联网的动Intelligent Building & City Information 20111No.17015Our Eyes 本期关注Intelligent Building & City Information 20111No.170#Intelligent Building & City Information 20111No.170#作主要如下：（1） 由工信部和国标委领导，6月8日 正式成立物联网标准联合工作组。（2）北京、上海、广州、深圳等各大城 市相继举行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）国家相关的部、委相继举行了物联网应用高峰论坛，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 市中成立有关机构。3 物联网时代智能建筑技术特征3.1 当前智能建筑技术现状（1） 智能建筑包括了2030个子系统。（2） 子系统分成两大类：常规与专业应用。（3）绝大部分常规类、几乎全部专业应用类子系统均为网络化或IP网络化架构。（4）建筑设备监控、安防、一卡通等 已构建成TCP/IP 网络架构上的集成融合 子系统。（5）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”。（6）智能建筑遍及整个城市，是构建数 字城市的重要组成部分。（7）智能建筑技术是构建绿色建筑的重 要技术。（8）标准与规范日趋完善。3.2 物联网对智能建筑技术发展的影响物联网对智能建筑技术的影响无处不在， 表现如下：（1）设备经传感器联网比比皆是。（2）TCP/IP网络平台支撑了大部分子系统。可以说，很多子系统已经是准物联网形 态或已是物联网形态，例如智能家居、建筑 设备监控、安防、一卡通、三表远传、电子 配线管理、智能照明、公共广播、会议以及 专业应用等系统。智能建筑设备传感/控制联网方式涉及以下五个因素：（1）开关量/模拟量。（2）单向/双向。（3）单路/多路。（4）TCP/IP 支持的网， TCP/IP不直接支 持的网。（5） 设备间无互动/设备间互动。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、智能家居等系统涉及的传感/控制联网就归于此类情况。3.3 建筑设备监控系统的物联网结构建筑设备监控系统目前常用的是三层结 构：管理层一控制层一现场总线层。系统机 电设备经传感器联网的特点如下：（1）物与物、人与物互动。（2）多10、实时、面向现场总线，如 Lonwork/BACnet/Modbus/ 其中 包括互 联网协议栈不能直接支持的网络。建筑设备监控系统的物联网结构如图2所示。要实现物联网应用，必须完成以下几 项工作：（1）控制器是核心设备，内嵌Web Server 功能。（2）首先在控制器中形成设备互动的物 理功能。（3）转换成互联网协议栈上运行的逻辑 功能。（4） 基于浏览器B通过 Web Server 实 现管理和监控功能。Intelligent Building & City Information 20111No.170#1控 制 器4.2智能建筑与数字城市融合数字城市的物联网框架如图5所示。ModbusBACnetTCP/IP 以太网联接层感知层图2建筑设备监控系统的物联网结构图4智能建筑展望4.1智能建筑物联网框架的变迁基于物联网 B/S访问模式，建筑设备监 控系统物联网框架如图3所示。在浏览器上对系统进行故障分析、能耗管理、设备监控 和物业管理等。智能建筑集成系统的物联网框架如图4所示。浏览器通过互联网协议栈对各个子系 统进行监控和管理。故障分析能耗管理设备监控物业管理互联网协议栈空调暖通 给排水2-电梯盘照明.供配电能耗计量图3建筑设备监控系统物联网框架图集成管理互联网协议栈楼控 安防一-通 智能照明三表计量I.家居智能 公共广播专业应用图4 智能建筑集成系统物联网框架图数字城市按物联网架构实施，浏览器通 过互联网协议栈对城市各个行业的物联网 括智能建筑）进行监控和管理。设备管理（包生产管理服务管理能耗管理库存管理图5智能建筑与数字城市融合框架图保健交通4.3自主创新和产业发展大好机遇中国物联网产业链产值2009年已突破1000亿元，据预测，2010年产值将超过 2000亿元。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。这 些行情必定会促进我国物联网产业的大发展。近一年来，国内几起自主的智能家居的物联网系统已推向市场。但是我国智能建筑物联网标准应该先行，需要住建部、工信部、 公安部、广电总局等各个相关部门共同努力。物联网时代的来临，这是产品、系统结构、维管模式等自主创新的大好机遇，具体 体现在：（1）传感器微芯化，特别是中高档的传感器，嵌入到设备中。（2） 产品数字化，就可实现系统TCP/IP 网络的支撑，最终实现物联网结构。（3）资源网站化，控制器、一体化终端等设备可内嵌 Web Server，采用 B/S访问模 式，开发物联网应用。（4）物联网应用架构支持了维管服务社会化，有助于发展智能建筑第三产业。（5） 物联网搜索引擎产业得到发展。圧Intelligent Building & City Information 20111No.17017