物联网在居住建筑中的运用策略、途径与方法

李景明，于少侨

(广州大学建筑与城市规划学院)



物联网在居住建筑中的运用策略、途径与方法

李景明，于少侨

(广州大学建筑与城市规划学院)

【摘要】物联网是今后信息技术发展的一个重要方向，论文探讨的正是使用仿生学、树状神经结构以及建筑信息模型的物联网技术，在居住建筑中的运用策略、途径与方法。通过组建这种模式的物联网系统，利用大数据的综合管理，不但能对居住建筑中各种电子仪器设备乃至建筑构造部件实现监测以及控制，还能让居住建筑实现节能最大化，有助于提升人们的居住生活品质，对节能降耗以及低碳减排具有重要意义。

【关键词】物联网；信息技术；建筑设计；居住建筑；建筑节能；仪器设备

1 引言

物联网是信息技术迅猛发展的产物，它极大地提高了人与物质世界交互的能力，促进了经济社会的可持续发展。如今，物联网也逐渐开始应用于居住建筑中，并且继续发展壮大。在建筑节能领域，应用物联网技术实现信息的采集、传输和数据融合处理，对于提高居住建筑的智能化水平，实现建筑能耗的细粒度的监测，推进建筑节能和减排，具有重要意义[1]。

如今，物联网系统在居住建筑中的运用尚处于初级阶段，大部分居住建筑的智能化系统运作模式依然较为混乱，特别是楼宇自动化设备互相之间的协议、编码和规范不一致，没有形成高效统一的体系，即没有形成统一协调的协议和规范。因此，为了满足居住建筑的舒适性和高效性，就需要合理地探索出一种适于居住建筑的智能一体化物联网。

2 使用树状神经结构的策略

2.1 居住建筑的物联网结构

这种智能一体化的物联网，是基于树状神经结构策略的，这种物联网结构让居住建筑，变成了一个拥有生命的可以呼吸的建筑物。那么，究竟如何做才能够实现这种模式呢？

图1　居住建筑物联网的基本结构

如图1所示，首先，可以把物联网中的控制管理中心，看作是神经系统当中的大脑，而有线或无线的网络通路，可以看作是神经系统中的神经线路，而居住建筑中各种电子仪器设备乃至建筑构造部件，则可以分成感受器大系统以及效应器大系统。例如，防火系统是居住建筑中的一个大系统，里面包含了防火感受器大系统以及防火效应器大系统。防火感受器大系统包括烟雾报警系统、温度监测系统、图像监测系统等这些小系统；防火效应器大系统则包括喷水系统、灭火剂系统、电力系统、报警系统等小系统，实现逻辑自动化。

换句话就是说，所有的仪器设备乃至建筑细部构件的数据信息，统统可以汇聚到这个物联网控制管理中心去，而形成一种类似树状的神经结构，这属于仿生学原理的一种。

2.2 居住建筑的数据库系统

而在这个物联网控制管理中心，也存在着一个数据库，该数据库能够把居住建筑内部各种感受器及效应器的数据信息统统收集起来，这就好比是人的大脑也可以分为记忆功能区域及分析计算区域一样，而这个数据库就是记忆功能区域，它在物联网中是不可或缺的。利用数据库，就可以方便地对居住建筑中的各种数据进行各种类型的处理分析。

这样，物联网就可实现对数据信息的过滤、整合、储存、运算和分析等一系列工作。

3 使用仿生学的策略

3.1 内外互动的策略

根据仿生学原理，大脑中枢神经系统不仅可以自行调节生命体的内部，还可以与外界的环境进行互动。因此，这个位于居住建筑中的物联网，也应当自行调节建筑物内部各种电子仪器设备乃至建筑构造部件，并且与外界环境进行互动；而这种与外界的互动，又可分为各种电子仪器设备乃至建筑构造部件与外界的互动，以及物联网控制管理中心与外界的互动。

这种内外互动，还包括居住建筑中物联网控制管理中心的数据库对内部和外部各种数据信息的收集。图2所示是一种使用仿生学策略的居住建筑物联网结构，下面进行分析。

3.2 分析除杂的策略

根据仿生学原理，生物会对外界信息进行分析除杂。在居住建筑中，由于大数据的信息多样性的特点，需要对各种各样的外部信息进行分析除杂，还要保障传输速度和准确性。

4 使用建筑信息模型BIM的策略

4.1 使用虚拟现实模型的居住建筑

由于这种物联网系统，可以自行调节建筑物内部各种电子仪器设备乃至建筑构造部件，因此需要有一套三维空间的编码与坐标，来让物联网系统去自动地识别各种电子仪器设备乃至建筑构造部件，并且自动地根据编码和坐标来触发各种不同的事件。换句话说，一个虚拟现实的VR模型，需要在这个物联网的控制管理中心里面建立起来。

而这个虚拟现实的VR模型，就是BIM，它在建筑的整个生命周期中被充分利用。

4.2 独特编码坐标的建筑构造部件

在这种环境下，居住建筑各种电子仪器设备乃至建筑构造部件，在物联网控制管理中心的建筑信息模型中，就拥有了属于自己的独特编码与坐标。因此，最关键的是要让这些建筑设备的制造商，采用统一的通讯协议，而且需要让不同的编码，在统一通讯协议下运作。

只有这样，物联网控制管理中心才能够直接读取和控制各种不同的建筑设备，从而在居住建筑当中形成统一集中的自动化管理，自动地去管理各种不同的建筑构造以及建筑设备[2]。

4.3 建筑信息模型与建筑数据分析

像这样，物联网控制管理中心利用数据库及建筑信息模型，就可以进行居住建筑的相关建筑分析，例如日照分析、照度分析、温度分析等，进而触发控制建筑中的各种电子仪器设备乃至建筑构造部件，或是触发对外界物联网系统的连接与信息发送。而具体的计算以及分析的方法，都需要由软件工程师来完成，来实现居住建筑中物联网软硬兼施的结合。

5 使用控制与反馈的内部运作途径

5.1 物联网的控制管理中心

至于运作途径，要从居住建筑的物联网控制管理中心开始说起，它让建筑中各种电子仪器设备乃至建筑构造部件联系在一起，就像人的大脑一样，可以通过数据库以及建筑信息模型，实行数据综合处理、统计分析以及统一的高效控制，并且通过物联网的有线或无线网络，来协调居住建筑中各种大系统和小系统间的关系。

5.2 感受器件以及效应器件

而感受器，则是控制的关键终端，可以采用太阳能电池供电，它是接收外界信息的传感器，可以周期性地采集各种外界信息数据，例如环境的温湿度、太阳光线的强度等，并把各种信息转化为电信号，传输到物联网控制管理中心中。然后，物联网控制管理中心在虚拟现实的建筑信息模型中结合数据库，对数据进行分析处理与整合，得出应该触发控制哪些效应器大系统和小系统的结论；接着被控制的系统也需要时刻作出反馈，以让物联网控制管理中心监视，看看各大系统是否运行正常。这就是使用控制与反馈的物联网运作途径。

5.3 对小偷入侵的应对举例

打个比方，小偷入侵时，相关传感器就会把各种各样的数据传输给物联网控制管理中心，触发安防设备报警及视频录制系统。不但如此，各种防盗传感器及安防系统，会把数据信息传输给物联网控制中心，控制中心会根据编码和坐标，迅速触发居住建筑中那个位置附近的报警装置，并触发邻居通知装置及小区保安系统，从而达到捕捉小偷的目的。

6 使用发送与接收的外部运作途径

6.1 发送接收的外部运作途径分析

居住建筑的物联网系统控制管理中心，不但需要对内部各种电子仪器设备乃至建筑构造部件进行控制，接收来自它们的反馈，还需要储存和处理海量的数据。最关键的是能够与居住建筑小区的控制管理中心实施联网，时刻发送与接收各种信息，并实现云计算功能，从而形成外部运作的途径。例如，物联网控制管理中心还可以对外发送居住建筑中电能表以及水表的数值，实现智能远程抄表，从而实现居住建筑与外部各种要素之间的网络通信关系。

物联网控制管理中心还可利用云系统，实时监测和接收位于居住建筑外的停车场数据，确定哪里还有停车位，并通过物联网中的墙幕或显示器显示出来，方便业主出门后寻找车位。

6.2 居住建筑与城市管理部门交互

此外，城市居住建筑管理部门还可以接收来自居住建筑物联网的非隐私部分的系统运作信息。例如，储存在物联网控制管理中心的数据库中的空气环境信息、地理环境信息、房屋结构信息、地基基础信息、温度照度信息、地价房价信息、邻近建筑信息等的非隐私可公开的信息；还有市民对于城市各大管理部门的一些诉求，管理部门通过数据信息挖掘和处理计算，分析各居住建筑的运行状态以及各市民所想表达的诉求，并对市民以及居住建筑发送各种维护信息或者政策信息，及时发现并处理居住建筑中发生的各种问题。

通过这种大数据综合分析处理，还可在城市规划上形成建筑与城市环境的协调发展机制。

6.3 在老年人居住建筑中的作用

面对老龄化越来越加剧的社会，人们还可以坐在家中，通过这种居住建筑中的物联网，来召唤社区当中的便捷服务及养老健康服务，这不但方便了群众，也促进了相关产业发展。

而在具体的建筑设计中，则应该强调产品与系统的开放性，使得智能建筑自动化系统得以完善，从而满足系统物联网信息共享的要求，让居住建筑实现全面智能的自动化[3]。

6.4 数码产品与物联网的相互通信

今后，甚至可以让手机或平板电脑与家中的物联网实现系统兼容与信息共享。这样，人们就可以使用手机或平板电脑，来监测和控制家中的物联网系统，监控各种运行数据状态以及记录信息，实时地用三维图像的方式了解到各种建筑设备的状态，甚至可以远程操控家中窗帘的打开与关闭，设置人工手动或者自动。例如，在旅行的时候，可以通过物联网看到住宅内的一切情况，配合物联网对家中的设备进行控制，这样就建设了一套智能化的内外协调的集成物联网系统，实现了居住建筑的全局一体化综合管理。更重要的是，这种物联网应该是可持续动态的发展过程，也就是说该系统可以满足不断扩大的建筑设备要求。

7 三大运作方法

7.1 使用条件判断的运作方法

从下例来看看这种使用条件判断的运作方法是如何实现的。在安装有这种使用仿生学以及树状神经结构的物联网技术的居住建筑中，如果火灾发生时，防火系统中那些带着编码坐标的烟雾报警系统、温度监测系统、图像监测系统等感受器，探测到火灾发生的时候，能够通过网络线路，自动地结合物联网控制管理中心的三维建筑信息模型，快速调动位于居住建筑中的另外一些需要用到的效应器。这些系统也是同样带有空间坐标的，例如喷水系统、灭火剂系统、电力系统、报警系统、风机系统等，实现实时控制与反馈，迅速地根据三维空间坐标，关闭风机系统下属的风机阀门，打开距离火灾发生地点最近的喷水系统装置；同时，物联网控制中心也通过信息的发送与接收，连接到位于居住建筑外部的大系统，告知那些业主通知系统、邻居通知系统、消防局通知系统等。

但是，要知道的是，连接并不等于必须触发，因为每一个系统的触发，都需要在物联网控制管理中心的软件系统中，分析触发这些系统的条件，这就被称之为条件的判断。

那么，应该如何进行条件的判断？当火情发生后，物联网的控制管理中心，将会时刻通过烟雾报警系统、温度监测系统、图像监测系统等感受器，监测火势是否已得到控制，以决定是否还需要触发消防局通知系统。如果火势变小的话，则继续使用喷水系统和灭火剂系统就可以了，而不再需要通知消防局了，这就是条件判断典型例子。

7.2 使用逻辑先后次序判断的运作方法

仅仅使用条件判断是不够的，还需要进行逻辑先后次序的判断分析。这些大系统，还可以继续被分成一些小系统。比如，业主通知系统可以进一步分为数据图像传输系统、声音传输系统等，把数据图像声音等信息通过IPAD或手机等设备发送给业主；电力系统也可以进一步分为后备UPS电源系统、应急断电系统等，当火灾发生时，这个物联网控制管理中心，可以先启动后备的UPS电源系统，以给物联网控制管理中心提供足够的电力，然后启动断电系统的操作，以断掉连接外部的220V市电。这就保证了物联网的正常运行，同时也防止火势所造成的严重破坏，进一步实现了智能自动化。要实现这种建筑智能自动化，就需要在软件程序算法上设计一系列的条件以及逻辑先后次序分析体系。

图3　物联网控制管理中心在建筑节能中的控制

7.3 使用紧急保险措施的运作方法

可见，这种策略的物联网在居住建筑当中的运作方法，是使用一种类似仿生学以及树状神经结构模式的，同时也是与BIM这个虚拟现实的建筑模型互相结合起来的。

不过，如果这个物联网系统当中的某个部位发生故障的话，那就要启动紧急的保险措施。首先是在数据库中生成检测记录以及维修记录，发出警报，并启动物联网中发生故障的那个部位本身自带的一套备用程序，然后采取自带的紧急措施，以防止造成严重后果。

8 在居住建筑节能方面的运用举例

如前所述，物联网控制管理中心的三维建筑信息模型，早已包含居住建筑所有关于建筑节能的各种设备空间坐标，每种设备也用独特编码来代表，对应数据库还包含设备相关信息。

比如，在物联网系统中，这个居住建筑的光强度感受系统是一个大系统，其中，分布了许多位于不同空间坐标位置的小系统，而小系统的坐标位置，也已经在虚拟现实的建筑信息模型中提前设定好了。现在，当某个空间坐标位置的光传感器的这个小系统，感受到室外太阳光强度发生变化时，将会把光强度信息转化为电信号，然后通过光感受大系统以及物联网络送达物联网控制管理中心。

首先，物联网控制管理中心按照建筑信息模型中的空间坐标去处理数据，然后开始触发位于建筑信息模型中其他坐标位置的大系统：好比如是玻璃幕墙这个大系统，内里包含了不同区域玻璃幕墙的小系统，被物联网控制中心根据空间坐标时刻监控着，且可以让某一块或某个区域的中空玻璃幕墙里面的液体浓度发生变化，或是改变某一块或某个区域智能玻璃幕墙的颜色，或玻璃幕墙的透明度。可见，物联网控制中心能够时刻控制这些玻璃幕墙，从而改变被太阳光透射的程度，对进入室内的照度进行自行的智能化调节。如图3所示。

除了玻璃幕墙这个大系统外，物联网控制管理中心还可以同时触发控制屋面太阳能电池板的大系统，并进一步控制太阳能电池板的转向小系统，时刻根据太阳的角度，控制电池板的转向，以实现对太阳光能量的最大捕捉，最大程度地智能化提高光伏发电的效率。

物联网控制中心还可以根据三维建筑信息模型BIM中那些带编码及坐标的光照度和强度传感器传来的信息，进一步触发控制室内照明设备的大系统，控制室内不同区域灯具的启闭与照度，来达到建筑节能的目的。例如，在太阳光线较为强烈的地方，灯光可以暗一些，并且调节到一种对人眼睛最好的平衡状态。

物联网控制中心还可根据三维建筑信息模型中那些带坐标的光照度和强度传感器等传来的信息，通过分析和计算，同时触发控制外立面遮阳挡板的大系统，从而自动控制居住建筑不同部位遮阳挡板的启闭与旋转角度，并自动地与其他系统协调，合理地找出一个最舒适而且最节能的最佳平衡点。这种最佳平衡点对居住建筑来说意义重大，可充分实现节能。

可见，物联网控制管理中心不但可控制各种建筑构造部件及建筑设施，还可以时刻监视居住建筑中的各种参数状态，并根据条件和逻辑先后次序触发各种事件，控制其他的大系统或者小系统，实现对建筑中的各种大系统以及小系统的自我调节，从而实现建筑节能[4]。

9 在太阳能技术方面的应用举例

要让太阳能技术应用在居住建筑的物联网系统中，首先需要在居住建筑的周围布置各种各样的传感器，这些传感器不但存在于真实的世界中，同时也被虚拟设定在建筑信息模型BIM中，并且是使用编码表示的，这是一种虚拟现实VR的技术，然后这些同时存在于真实和虚拟世界的传感器，就可以连接到物联网控制中心里面，从而实现全方位的智能化控制。

由此可见，整个系统是一个动态的计算模拟与信息反馈系统，分布在建筑周围的太阳能热压、风力及风向传感器，采集到风力强度和角度的变化后，就会通过物联网的网络系统传输进带有建筑信息模型的物联网控制中心里。控制中心根据居住建筑信息模型各个方位传感器所接收到的太阳能热压、风力强度和角度等信息进行计算分析，然后进一步实时地控制室外导风板、导风筒及智能光伏捕风器，实施角度上的全方位调节，从而确保通风效率的最大化，增加系统运行的可靠度和性能，让建筑可根据变化多端的气候环境进行自动化调节。

10 居住建筑的物联网安全问题

安全问题非常关键，要防止黑客的攻击，控制数据信息的访问权限是非常重要的；同时，为自己的居住建筑物联网系统设置足够的加密措施也是非常必要的，这样可保证居住建筑网络的私密性。

此外物联网的安全，也与居住建筑本身的高效安全的物联网防火墙有关，我们必须注意修复物联网中各种各样的漏洞，以保证居住建筑中物联网的私密性。

11 展望未来

11.1 高效配合建筑信息模型

展望未来，物联网控制管理中心还要懂得配合三维建筑信息模型来收集与分析数据，统计与监测建筑的能耗、结构健康、日照环境、地震监测、空气环境等数据，对各种数据进行预测性分析，并努力寻找出各种大系统或小系统间的节能平衡点，不断地自我学习及完善[5]。

11.2 连接到城市信息模型中

随着信息技术的迅速发展，提升建筑管理智能化水平，建设以数字化、网络化、智能化为主要特征的智慧城市，已成为我国重要的城市发展战略之一[6]。展望未来，居住建筑的物联网还需要连接到智慧城市的大数据云计算物联网以及城市信息模型CIM中，让智能城市中的物联网大系统能够时刻分析处理不同区域的建筑环境信息，进而对个别单独的居住建筑作出反馈，为居住建筑提供维护服务，对推动城市的信息化和智慧化，具有非常重要的意义。

11.3 应用于人类开发太空居住建筑中

日后，这种物联网技术还可以应用于太空的居住建筑当中去，从而建立一座可持续发展的全面实现自给自足的智能化太空建筑，此外，还能够通过物联网的智能自动化操控，从而实现自转产生人工重力，因为所有的建筑设备以及建筑细部构造都整合到物联网中去了[7]。

12 结束语

本文通过这种使用仿生学、树状神经结构以及建筑信息模型的物联网技术，配合上数据库系统以及建筑信息模型，采用基于控制与反馈的内部运作途径及发送与接收的外部运作途径，使用条件判断、逻辑先后次序判断和紧急保险措施的运作方法，让居住建筑当中各个位置的各类传感器都可以发挥出各自最大的威力，大大提高了居住建筑的舒适性、安全性、有效性以及建筑节能的效果，让先进的物联网充分发挥了其前所未有的威力。

当前，我国居住建筑智能化水平依然相当落后，采用这种物联网技术，将把居住建筑整合成一个带有呼吸的内外协调的人机交互的智能生命体，为人们提供快捷通信，安全舒适，信息灵通及生活方便的服务。望日后能够制定相关规划，拓展物联网在居住建筑中的应用。

参考文献

[1]王忠锋.张连领.李力刚.黄剑龙.物联网技术在建筑节能中的应用研究[J].仪器仪表学报,2010,31(8):20-22.

[2]王海涛.智能建筑中楼宇自动化设计及其应用[J].现代物业,2015,14(6):30-32.

[3]高建华.胡振宇.物联网技术在智能建筑中的应用[J].建筑技术,2013,44(2):136-137.

[4]苏会卫.何原荣.聂菁.张念.基于物联网的绿色建筑在城市碳减排的应用研究[J].自然灾害学报,2014,23(6):88-94.

[5]呙丹.杨晓华.苏本良.物联网技术在现代建筑行业中的应用[J].山西建筑,2011,37(26):255-256.

[6]何愉舟.韩传峰.基于物联网和大数据的智能建筑健康信息服务管理系统构建[J].建筑经济,2015,36(5):101-106.

[7]李景明.关志业.太空建筑的人居环境探索[J].山西建筑,2016,42(3):21-22.

The Application Strategy, Approach and Method of the Internet of Things in Residential Buildings

LI Jing-ming, YU Shao-qiao

(College of Architecture and Urban Planning, Guangzhou University)

【Abstract】Networking is the important development direction of the information technology. This paper is based on Bionics, tree neural structure and building information modeling technology of the Internet of things, through the formation of this mode of networking system that use the comprehensive management of large data, not only can monitor or control the various electronic instruments and equipment in the residential buildings, but also can achieve maximum energy efficiency of the residential buildings. It is helpful to improve people’s living quality, it has important significance to energy saving and emission reduction and low carbon consumption.

【Keywords】networking; information technology; architectural design; residential building; building energy efficiency; equipment