基于物联网技术的智能小区设计与研究

陈 琳

(福建信息职业技术学院 计算机工程系, 福建 福州 350003)

基于物联网技术的智能小区设计与研究

陈 琳

(福建信息职业技术学院 计算机工程系, 福建 福州 350003)

介绍了物联网概念和关键技术，指出传统智能小区存在的缺陷，对智能小区进行需求分析，针对基于物联网技术的智能小区进行了设计和研究.

物联网; 智能小区; 智能家居

0 引言

智能小区的概念是建筑智能化技术与现代居住小区相结合而衍生出来的．目前国内智能小区的建设水平已有了长足的进步,智能小区在低碳、节能方面优势突出,同时为人们生活带来更多舒适体验．但是由于各地之间经济水平差别较大,居民的经济能力也有较大差异,国内多数的居民小区开发仍停留在科技含量较低的水平,还远未达到完全的智能化．随着国民经济的快速发展,中国智能小区建设将是必然趋势,无论是开发商、系统集成商还是设备供应商,都将受益于其广阔的市场前景．

本课题对现有智能小区现状和功能需求进行分析,结合我国住宅小区的特点,设计了智能小区的体系架构,通过对系统功能进行分析,实现了家庭智能化、小区出入管理和综合服务等功能．

1 物联网时代的智能小区

1.1 物联网的定义

1999年麻省理工学院Ashton教授最早提出物联网概念,其理念是在互联网的基础上,构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网．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[1]．物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互,其基本特征可概括为全面感知、可靠传送和智能处理．

1.2 关键技术

1.2.1 RFID技术

射频识别技术(RFID)是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的目的[2],较其他技术明显的优点是电子标签和阅读器无须接触便可完成识别,其基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后,由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理,所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路,最后通过天线发回给读写器．RFID技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军事用途方面有着广泛的应用．

1.2.2 无线传感网络技术

无线传感网络是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统[3],其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息,并发送给观察者或者用户,成为当前国际上备受关注的多学科交叉研究热点领域,它具有分布式处理带来的高监测精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点,这使得它在军事、智能农业和环境监测、医疗健康、紧急和临时场合、家庭、空间探索等领域具有广阔的应用前景．

1.2.3 Zigbee技术

人们对无线个人区域网的需求催生了一个先进的低成本、低速率、低功耗、小范围的无线网络新标准(Zigbee技术),该技术能够嵌入到多种设备之中,很适合运用到自动控制领域[4]．Zigbee技术功耗低、成本少、时延短、可靠性及安全性高、网络容量大等特点使其适合用在通信距离短以及对通信速率要求不高的各类电子设备之间,它所传输的数据类型较典型的有3种:间歇型数据、周期型数据和反复短时间型数据.所以在以无线通信为基础的控制领域应用广泛．

1.3 现有传统智能小区存在的缺陷

1)感知信息单一,不能为应用层提供丰富的信息,导致服务管理系统功能受限,不能为居民提供有效的服务．

2)网络层的传输介质成本高或无线传输受限,采集的传感信息是通过电缆或者局域网传输至管理系统,这种传输信息的方式对物理传输介质的可靠性要求高,且存在布线施工不便的缺点．随着各类无线通信方式应用的成熟化,无线通信方式逐渐被应用到短距离、低功耗、低数据率传输要求的移动终端设备中,大大优化了系统的网络结构．虽然无线网络在数据采集中存在一定的优点,但是其通信对环境的要求较高,受障碍物的影响将会降低传输距离甚至传输失败．

3)应用层功能不足,或者各功能相对独立,缺乏系统协同能力．操作繁琐,缺乏反馈控制,居民在获得相应的服务时,往往需要按照一套规则顺序操作各个设备或按下相应的按钮,完全类似于机械操作,并且不能根据人们的意愿自动进行反馈控制,消除隐患．

2 智能小区的具体构建

2.1 智能小区的需求分析

根据住建部《居住小区智能化系统建设要点与技术指导》,结合小区的实际情况,对智能小区的功能需求进行分析．

1)安全性．智能小区要能够实现对小区周界、重要场所及业主家庭情况进行实时监控,一旦发现偷盗、火灾等情况能够及时制止或解决以减少业主损失．

2)舒适性．对小区、家庭环境及设备进行监测,通过一个快速的决策管理平台,对其实现远程控制,营造舒适空间．

3)高效性．智能小区必须有一个良好的物业管理服务系统,高效、可靠的小区内部信息传输网络,实现智能小区的管理、服务的高效化．

4)便利性．为了能够方便地实现与外界的沟通,智能小区要能方便高效地连接互联网．

2.2 智能小区的设计目标

针对传统智能小区存在的不足,利用物联网技术的优点,根据人们对小区服务管理的智能化需求,探索构建一种符合现代管理服务需求的小区智能感知系统,随时随地为小区居民提供所需的服务．本项目的主要设计目标是基于“普适计算”理念,应用物联网技术探索智能小区架构,使小区居民能够感受到“无处不在”的信息服务．

2.3 智能小区的体系架构

根据智能小区的功能需求及物联网自身的特点,基于物联网的智能小区主要由三个层次构成．

1)感知层: 通过各类传感器的协作实时监测、感知和采集各种监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将感知信息传送到接入层的基站节点和接入网关,最终到达用户终端,在一定范围内实现物品的信息集中和互通,为智能小区的应用提供基础．

2)异构网络通信层: 通过移动通信网络、Internet、无线传感网络等主要网络形态以及涉及的IPv6、Wifi等关键技术,将感知层感知到的数据高可靠性、无障碍、高安全性地进行传送,解决的是感知层所获得的数据在一定范围内,尤其是远距离地传输问题．

3)小区综合应用层: 该层把感知和传输来的信息进行分析和处理,做出正确的控制和决策,实现智能化的管理、应用和服务,主要解决信息处理和人机界面的问题．通过数据的融合、挖掘与分析,完成家庭与小区信息的监测与远程操控,实现智能家居、出入管理和小区综合服务等功能．

2.4 智能小区的功能分析

智能小区是一个多功能协同工作的系统,本文选择了智能小区中从室内到室外具有代表性的领域:家庭智能化控制、小区出入管理和小区综合服务．

2.4.1 家庭智能化控制

利用ZigBee模块和传感器采集数据,实时监测室内环境中的可燃气体、有害气体、温湿度,并采集非法入室等信息,CO传感器用于家用热水器CO含量检测,可燃气体传感器用于厨房可燃气体检测,一旦超过设定值,启动报警．人体感应用于窗户或者门口,有人非法进入即报警．光敏用于阳台的窗帘控制,控制室内的采光,联合温度传感器控制空调的开关．火焰传感器用于室内火灾报警,如果室内出现火灾,启动报警并且打开自动喷水装置．Android平板用户接受ZigBee传感器数据和控制继电器开关,通过程序利用WiFi模块将数据发送到服务器数据库并在物业管理系统上显示报警信息,户主接到通知后也可进行远程人工家电控制．为了更好地消除家庭环境中的不安全因素,打造一个舒适的居家环境,在环境感知的基础上需要构建一个智能闭环控制系统,根据监测指标是否超过安全阈值来判断是否自动启动有关装置,直到室内环境调节到安全舒适状态为止,具体流程如图1所示．

图1 家庭智能管理流程

如果采用有线方式实现感知设备组网通信,布线难度较大、成本较高,因此应采用无线通信方式．由于一般家庭面积有限,多个设备之间的最大通信距离小于50 m即可,同时由于室内空间较为复杂,信号衰减较大,因此需要通信形式能够实现多节点多跳自组织通信,而对于家庭智能终端设备,作为网关设备,不仅需要将信息无线传输至小区物管平台,同时还应与居民具有较好的信息交互方式,便于居民在线了解家庭状况、控制智能家电．

2.4.2 小区出入管理

采用身份识别与视频检测相结合的多模态监控模式,对小区的车辆和人员进行识别管理,提高出入口管理的可靠性与信息的多样性．通过安装远距离电子标签阅读器,无需停车即可完成信息验证,记录通行时间,抓拍车辆图片,实现不停车进出小区,避免出入高峰期时造成小区出入口拥塞．小区居民需要注册相关信息到小区服务器数据库,出入小区的时候通过RFID标签开启小区门禁系统,在居民刷卡的时候摄像头截取图像上传到小区服务器数据库中,在保安亭的监控室可以利用摄像头监控,根据需要截取视频以供查询,并能自动生成提示或欢迎信息显示在入口处的LED屏幕上或音响播报语音．在小区的单元门安装单独的门禁系统和视频监控系统,使用的RFID标签和小区一致,刷卡的同时将出入时间、视频监控等信息上传到服务器数据库,具体出入管理流程如图2所示．

图2 小区出入管理流程

图3 小区出入管理网络拓扑结构

2.4.3 小区综合服务

1)小区环境监控

在小区各处安装环境监测设备,不仅可实时显示社区环境状况,让居民了解温度、湿度、噪音等环境信息,便于业主在小区内安排活动时间,同时可向环保部门环境监测系统提供数据．

2)小区路灯智能化管理

将物联网技术应用于道路照明控制系统,可以精确地控制每盏路灯运行,做到按需照明,实现自动节能功能,通过系统可以清晰地掌握每盏路灯的运行情况,路灯损坏将自动报警,可以在地图上显示每盏灯的位置、电压、电流、功率和节能情况等,通过光线强度感知、红外线感知、远程遥感控制等技术做到“天暗亮灯、天明灭灯、人多灯亮、人少转暗”,改变了此前路灯不能按需调光造成无谓浪费的状况,明显改善照明质量和运行效率．

3)快递收发管理

根据需要实现快递员投递、临时寄存、用户取件等服务．快递员投递时系统可以用短信通知客户尽快领取包裹,对于长期滞留或拒收的货物快递员可以取回,用户取件时可以通过二维码或登录密码来提取包裹．

3 智能小区的发展趋势

智能小区在我国有着广阔的发展前景,伴随着中国社会老龄化的趋势,小区住户老年人的数量也会快速上升,年老弱者的求助会成为一个新的热点,将远程医疗技术应用到智能小区系统中,实现老人健康状况监测与紧急求助,使智能小区更加全方位地为小区用户服务．

智能小区中智能应用将渗透到居民生活的各个方面,智能家居通过多功能智能控制器、互联网和物联网络可以实现远程控制,设备与传感器结合,根据环境变化自动变换状态．智能停车场系统统一管理小区内的车辆停放,保持小区内的道路、过道、电梯等平面及垂直交通的畅通．通过智能垃圾回收系统,清洁人员定时定点或接到智能垃圾箱报警后及时收集和清运垃圾,保持社区及周围环境的干净、整洁．电子商务、远程医疗与救助服务、一站式政务服务等智慧化服务不断丰富和完善,使小区居民生活方式更加智能、更加便捷．

4 结束语

本文立足智能小区应用背景,通过多模态感知、有线与无线相结合的混杂网络、跨平台的应用开发等物联网技术将智能家居、小区出入管理、小区综合服务三个领域的功能蕴含在计算环境中,让人们在更好享受服务的同时减少对所提供服务设备的操作．选择在智能家居业务中进行重点突破,从家居安全性与舒适性两个方面,构建了智能感知环境,并通过基于Android的智能家庭多媒体终端进行环境信息处理与设备控制,从而构建一个完整的闭环控制系统．同时,智能家庭多媒体终端还充当网关设备,将家庭信息通过WiFi与GPRS模块上传至小区物业管理平台与居民手机,居民可通过手机对家庭环境信息进行访问以及对家中电器进行远程控制．

物联网模式下的智能小区,开放性更好,能够从技术、运营及发展的层面上解决智能小区现阶段存在以及将来可能遇到的问题,优势明显．

[1]王志良,石志国.物联网工程导论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011:8-10.

[2]刘云浩.物联网导论[M].北京:科学出版社,2010:23-29.

[3]王汝传,孙力娟.无线传感器网络技术导论[M].北京:清华大学出版社,2012:6-15.

[4]王权平,王莉.ZigBee技术简析[J].通讯世界,2003(4):41-43.

[责任编辑：蒋海龙]

ResearchandDesignofIntelligentCommunitybasedonInternetofThingsTechnology

CHEN Ling

(Department of Computer Engineering, Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou Fujian 350003, China)

This paper introduces the Internet of Things technology and its key technologies,points out the defects existing in the traditional intelligent community,analyses the requirement for intelligent community,gives a designing and research on Intelligent Community based on Internet of Things technology.

internet of things; intelligent community; intelligent home

2015-02-10

国家科技支撑计划项目(2012BAF12B15)

陈琳(1981-),女,福建福州人,讲师,硕士,研究方向为计算机技术与应用． E-mail: kaixin-chen@163.com

TP273

: A

: 1671-6876(2015)02-0125-05