基于物联网的智能楼宇管理系统

目前，在智能建筑中使用无线传感器网络面临着网络连接和能源效率问题. 本文设计的系统充分考虑了建筑物管理系统本身的特征. 通过选择自组织的网络拓扑并使用基于能量广播和通信开销的路由方法，在确保网络连接的可靠性的基础上，它降低了网络能耗并延长了整个网络的生命周期. 如何在平台级别设计一个完美，高效的第三方应用程序接口，将是与基于物联网的智能建筑管理系统的推广和应用相关的重要问题.

简介

建筑物是现代城市的主要建筑，也是人们生活和工作的主要场所. 现代建筑不仅应为人们提供安全，舒适和亲密的友好环境，而且还应具有高效，快速和节能的特点.

智能建筑（Intelligent Building）最早出现在西方发达国家. 在最近的几十年中，智能建筑管理系统（IBMS）的发展经历了五个阶段: 中央监控系统（CCMS），分布式控制系统（DCS），开放式逐步控制系统（ODCS），网络集成式建筑物监控系统（WIBMS）和无线建筑物监控系统（WBMS）近年来兴起.

当前的智能建筑管理系统的设计主要是有线网络，包括以太网和局域网. 有线组网技术具有技术成熟，结构简单，可靠性和稳定性好的特点. 但是必须保持物理连接，布线困难，成本高昂，给产品升级改造带来很大困难.

将物联网技术与智能建筑相结合是现代建筑发展的必然结果. 在促进智能建筑应用的同时，也将带动动物网络技术的研究与实践.

物联网

物联网将通过多个具有传感功能的传感设备，按照约定的协议，形成一个自组织的智能传感器网络. 然后，通过智能计算和互连技术的支持，进行信息的聚集，集成，共享和智能处理.

物联网是在互联网基础上的扩展和扩展. 其技术架构主要分为感知层，网络层和应用层三个层次.

感知层主要通过接触和非接触传感技术，微波和射频无线通信技术以及传感器网络技术来实现数据感知和收集. 它是物联网的基础. 网络层将传感器网络与Internet技术和移动通信技术结合在一起，以实现可靠的传输和收集数据的广泛互连. 应用层主要由各种应用系统组成. 通过收集和分析收集的数据，它可以为用户的特定应用程序提供有效的支持.

智能建筑

传统的建筑物管理通常涉及数十个甚至数十个独立的子系统. 这些系统具有不同的功能. 他们的“烟囱”运维管理不仅运维成本高，效率低，而且缺乏系统联动. 形成“信息孤岛”容易，难以及时有效地判断和处理复杂情况，服务水平落后.

智能建筑以通信技术为基础，并使用系统集成方法将计算机技术，网络技术，自动控制技术，软件工程技术和建筑艺术设计有机地结合在一起，以突破各种孤立系统之间的信息障碍，从而使建筑成为信息通信的智能主体，实现了建筑的智能管理和信息资源的有效利用[3].

智能建筑管理系统的核心应该是一个通用平台，该平台应集成信息汇总，信息汇总和智能分析等功能. 它从信息交换和共享的角度看待智能建筑，将特定的建筑管理系统与底层设备分开，并为第三方应用程序和设备子系统之间的信息交换和共享建立渠道. 这样，设备子系统被视为连接到楼宇管理系统的应用程序，而不是像第三方应用程序那样被集成. 这个概念有利于设备制造商为网络社会开发更智能，更适合的设备子系统，也可以促进其他应用程序的开发人员开发更多更好的相关应用程序[4].

智能建筑管理系统

（1）总体系统架构

基于物联网的智能楼宇管理系统的总体架构如图1所示，分为三层: 基础设施层，通用平台层和智能应用层.

基础设施层，用物联网中的无线传感设备代替原来的有线传感设备，更便于部署，维护和改造. 该层主要负责初始数据的收集和聚合，包括终端设备，聚合设备和传输链路. 终端设备是感知节点，例如访问控制扫描仪，智能仪表，烟雾传感器，温度传感器等，它们在部署区域中收集各种监视指标并将其定期传递给聚合设备；汇聚设备是汇聚节点（例如基站）），它们汇总覆盖范围内的传感节点的数据并将其传递给上层服务器.

通用平台层用于屏蔽底部设备和上部应用程序. 它采用B / S架构，以方便移动访问. 它主要实现与基础设施层的融合和适应，并从基本设备层执行数据收集. 标准化处理，跨系统关联，每个子系统提供的功能的标准封装以及上层应用程序的外部接口.

智能应用层，主要功能是使用公共平台层提供的接口来开发建筑物管理所需的特定应用，例如建筑物统一报警应用，建筑物能源管理应用和统一设备信息管理等；并依靠较低的平台提供跨子系统数据，以进行跨子系统管理以及运营和维护.

（2）系统设计计划

（1）无线联网模式

在智能建筑中使用无线传感技术存在许多困难. 首先，无线传感器节点依赖电池电量，电池电量有限且覆盖范围小. 其次，建筑物的内部结构很复杂，不仅被门，墙等遮挡，而且还受到诸如手机和路由器之类的无线设备的干扰，从而在建筑物中产生无线信号. 传输变得难以控制，继而影响上层应用程序的服务质量. 由于无法保证每个传感器都可以直接有效地与基站通信，因此传统的点对点或基于基站的单跳无线联网方法不再适用. 本文设计的系统采用Ad hoc模式无线网络. 系统网络部署方案如图2所示.

（2）无线通信协议

为了节省能源，大多数无线感应设备使用短距离无线连接技术. 当前主流的短程无线连接技术包括无线局域网（Wi-Fi），IEEE 802.15.1（蓝牙），短程通信（NFC），IEEE 802.15.4（ZigBee）和超宽带（Ultra Wide）乐队）[5]. 其中，Wi-Fi，NFC和超宽带均使用基于基站的单步工作模式，不适用于无线传感器，而ZigBee和蓝牙均支持Ad hoc模式. 经过比较（如表1所示），ZigBee更适用于智能建筑中的无线传感器. 它需要更少的系统资源，具有更快的访问设备，支持更多的设备并且具有极低的功耗.

（3）无线路由协议

在无线传感器网络中，数据路由是网络开销中最不必要的部分，而传统的网络路由协议无法满足低能耗，高信任度和对复杂环境的适应性要求.

本文设计的系统采用基于能量广播和通信开销的路由方法（ECCR）[6]. 该方法使用节点的剩余能量和通信成本作为拓扑权重来竞争集群头节点（即聚合节点），并选择集群中能量较高的节点作为聚合节点现存的物联网络,传感器网络中的分布式计算的作用?，彼此竞争平衡平均集群能耗的时间；同时，利用连接可靠性和跳数建立拓扑结构，使节点每次发送消息的平均成功率和平均能耗期望值最小，集群可以当网络环境不是很好时可以有效地减少. 头节点的能耗. 与传统的基于能量的路由算法（如DECEC（基于能耗和链路转发路由协议））相比（参见图3），该路由算法不仅可以节省能源，而且可以确保拓扑连接的可靠性和有效性. 它延长了网络的生命周期，非常适合在智能建筑中使用无线传感器网络.

（3）系统功能

与现有的智能建筑管理系统相比，本文提出的系统架构具有以下特点:

（1）基础架构层使用IoT设备并形成一个易于部署，维护和修改的无线传感器网络. 设备信息具有统一的数据格式，这为不同子系统之间的互连提供了基础. 同时，无线传感器网络采用合适的组网方法，传输协议和路由协议. 基于无传感器网络的优势，它可以节省网络能量并延长网络生命周期.

（2）公用平台层使用设备信息的互操作性将底层设备与上层特定应用程序分离. 每个子系统不再独立运行，这促进了不同子系统之间的链接和管理. 而且，在网络环境允许的情况下，您可以将公共平台层放入云中，以管理不同建筑物，不同公园甚至不同城市中的建筑物. 通过数据挖掘和横向比较，制定更高效，节能的管理策略.

（3）利用公共平台层提供的跨系统标准化数据现存的物联网络,传感器网络中的分布式计算的作用?，智能应用层可以针对特定的建筑特征实现个性化的管理应用定制，从而有利于在云统一管理下实现差异化应用.

以上，鉴于当前的总线型建筑物管理系统中子系统相对隔离，缺乏系统链接以及转换和扩展困难等原因，智能建筑物和物联网技术已经成为人们关注的焦点. 研究. 基于现代智能建筑的需求，一种基于物联网的智能建筑系统架构，重点分析了智能建筑应用中物联网的无线联网，无线通信协议和无线路由协议. >

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