物联网技术在智慧城市中的应用*

权 炜

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院, 陕西 西安 710055)



物联网技术在智慧城市中的应用*

权 炜

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院, 陕西 西安 710055)

介绍了物联网体系结构模型,从智能建筑、智能电网、智能交通、智能医疗、智能物流方面分析了物联网技术在智慧城市中的应用。提出智慧城市只要能攻克核心技术问题,同时解决行业统一规范标准、成本造价等问题,满足各类用户的综合性要求,物联网技术就能得到进一步的发展。

物联网; 智慧城市; 智能建筑; 智能电网

权 炜(1975—),男,高级工程师,博士,研究方向为智慧城市、物联网、模式识别。

0 引 言

物联网是在互联网、移动通信网等通信网络的基础上,针对不同应用领域的需求,利用具有感知、通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息,将所有能够独立寻址的物理对象互联起来,实现全面感知、可靠传输、智能处理,构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统[1]。其目的是实现人与人、物与人、物与物、所有物品与网络的连接,方便识别、管理和控制,以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护,进而实现计算、通信、控制、协同、自治一体化。

物联网逐步向感知设备多样化、网络多样化、感控相结合多样化的方向发展,对传统分离的物理世界与信息世界实现互联、融合。

1 物联网技术体系结构模型

物联网体系结构模型如图1所示。

(1) 感知层处于物联网体系结构的最底层,是物联网感知和识别物体、采集和捕获信息的来源,是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带。感知层的设备是能够自动感知外部物理物体与物理环境信息的设备,包括传感器、智能家电、智能机器人等以及人工生成信息的智能电子设备,包括智能手机、计算机等。感知层的设备根据所应用的环境决定了是否同时具备感知能力和控制、执行能力。

(2) 网络层建立在现有网络的基础上,主要包括各种通信网络与互联网形成的融合网络、物联网管理中心、信息中心、云计算平台,以及专家系统对各种感知信息进行挖掘、分析、处理的部分。网络层分为接入层、汇聚层和核心交换层。接入层通过各种接入技术,连接最终用户设备;汇聚层聚合接入层的用户流量,实现数据路由、转发与交换;核心交换层为物联网提供高速、安全和保证服务质量的数据传输环境。汇聚层与核心交换层的网络通信设备、通信线路构成了传输网。

(3) 应用层将物联网技术与行业专业技术相结合,制定各种所需功能,包括各种应用支持和服务平台,实现智能化应用的解决方案,以便提供更好的服务。物联网应用层可分为管理服务层和行业应用层。

图1 物联网体系结构模型

① 管理服务层位于传输层与行业应用层之间,通过中间软件实现感知硬件与应用软件物理的隔离与逻辑的无缝连接,通过数据挖掘、智能数据处理与智能决策计算,为行业应用层提供安全的网络管理与智能服务。管理服务层提供信息安全、隐私保护、网络管理功能。

② 行业应用层由多样化、规模化的行业应用系统构成。物联网可以用于智能电网、智能交通、智能物流、智能数字制造、智能建筑、智能农业、智能家居、智能环境监控、智能医疗保健、智能旅游等领域。

2 物联网技术在智慧城市中的应用

智慧城市是指基于互联网、物联网和无线网以及各种网络组合,利用云计算、大数据、各类社交网络、各类用户终端、综合集成法及其他各种技术、工具和方法,对城市中交通、电网、物流、医疗、建筑和学校等方面关键信息进行感知、测量、分析和整合,从而对有关民生、工商业服务、公共安全和城市服务等需求给予智能的反馈和响应,来营造可实现全方位感知、宽带互联及综合控制的现代化、信息化、网络化和智能化的城市[2]。

物联网是智慧城市的重要组成部分,通过互联网把植入城市设备和设施的智能化传感器连接起来,实现对物理城市的全面感知以及数字城市与物联网的融合,并给出控制信息、各种应用需求,做出智能化响应和智能化决策支持。

2.1 智能建筑

智能建筑为了实现安全、高效、便捷、节能、环保和健康的建筑环境,利用各种通信与计算机技术,将楼宇中的建筑设备集成于自动化系统中,如安防、消防、供配电、供水和门禁等。将各实物的信息综合掌握并控制是智能建筑的必要功能。物联网技术的特点是将人与物、物与物相联通。智能建筑在发展中都渗透着物联网的基本思想。物联网与智能建筑的发展相辅相成、相互促进[3]。

物联网在智能建筑中的应用主要体现在以下方面[4-5]:

(1) 设备监控。智能建筑中包含照明、空调、给排水、供配电等多个子系统,这些子系统由不同的建筑设备组成。采用物联网技术,可以通过设备现场的传感器、自动化仪表、控制器、执行器等设备,实时掌握系统中建筑设备的运行情况和控制设备的起停及工作模式;通过监控系统中的控制程序,实现系统的自动优化运行,且在系统中某个设备发生故障时,能及时上传报警信息。

(2) 环境监测。采用物联网技术,通过分布在建筑中的光照、温/湿度、噪声等各类环境参数监测传感器,将建筑室内的环境参数信息实时地传输到智能建筑管理平台或各类显示终端,使管理者或工作人员实时掌握建筑内的环境质量状况,同时与智能建筑中的空调系统实现联动,改善建筑室内环境质量。

(3) 节能管理。低能源消耗是衡量智能建筑的一项重要指标。物联网技术为智能建筑的节能降耗提供了技术支撑。采用物联网技术,通过分布在建筑中的智能能耗计量仪表,分别对用电、用水、用气、供暖、供冷等消耗进行分类分项采集、统计和分析,掌握建筑的能耗状况和能耗指标,并可通过数据挖掘、系统辨识等方法建立建筑的用能模型,达到对建筑用能的科学预测,对建筑的节能改造提供措施支持。

(4) 安防管理。将物联网技术应用于智能建筑安防系统的特点是有效、快速及准确率高。智能建筑安防管理的内容包括进出口控制、防入侵、视频监控、家庭安防、电子巡更等。家庭安防是智能建筑安防系统的重要子系统。在家庭中布防红外线感应器、门磁、玻璃碎裂传感器、感烟探测器及燃气泄漏传感器等,可有效保障家庭安全。在家庭出现非法侵入、煤气泄漏等事故时,安防系统将自动发出报警信号,同时通过移动网络将报警信息发送至业主的手机终端。

2.2 智能电网

智能电网是将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网，充分满足用户对电力的需求和优化资源配置，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性，保证电能质量，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

物联网在智能电网中的作用可以归结为以下方面:

(1) 深入的环境感知。随着物联网应用的深入,未来智能电网从发电厂、输变电、配电中可以使用各种传感器对从电能生产、传输、配送到用户使用的内外部环境进行实时的监控,从而快速地识别环境变化对电网的影响;通过监控各种电力设备的参数,及时、准确地实现对从输配电到用电的全面在线监控,实时获取电力设备的运行信息,及时发现可能出现的故障,快速管理故障点,提高系统安全性;利用网络通信技术,整合电力设备、输电线路、外部环境的实时数据,通过对信息的智能处理,提高设备的自适应能力,实现智能电网的自愈能力。

(2) 全面的信息交互。物联网技术可以将电力生产、输配电管理、用户等各方连接起来,通过网络实现对电网系统中各个环节数据的自动感知、采集、汇聚、传输、存储,全面的信息交互为数据的智能处理提供了条件。

(3) 智慧的信息处理。基于物联网技术组建的智能电网系统,可以提取从电能生产、配电调度、安全监控到用户计量计费全过程的数据,这些数据反映了从发电厂、输变电、配电到用电全过程状态,管理人员可以通过数据挖掘与智能信息处理算法,从大量的数据中提取对电力生产、电力市场智慧处理有用的数据,实现对电网系统资源的优化配置,达到提高能源的利用率、节能减排的目的。

2.3 智能交通

智能交通系统基于信息技术、数据通信传输技术、控制技术及计算机技术,提高了交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能,减低了能源消耗对环境的负面影响。

物联网在智能交通系统中主要应用在以下几个方面:

(1) 城市交通智能诱导系统。城市交通智能诱导系统将人、车、路作为一个有机的整体来综合考虑,根据车辆的起点向驾驶员提供优化路径的引导指令,或者通过发布实时交通信息,帮助驾驶员找到从出发点到目的地的最优路径。通过诱导驾驶员的出行行为来改善路面交通状况,阻止交通阻塞的发生,减少车辆在道路上的逗留时间,最终实现交通流量在交通路网中各个路段上的合理分配。交通诱导信息系统涉及交通信息采集、信息处理与控制、诱导信息发布的全过程。

(2) 不停车收费系统。目前,物联网技术广泛应用于高速公路不停车收费系统和道路自动收费系统中。当安装有车载无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)标签的车辆进入ETC车道时,RFID读写器自动唤醒有源RFID标签,并实时向RFID标签写入入口站的位置标志信息。在出口站,ETC车道的RFID读写器根据入口站与出口站的距离,计算出应缴费用,并写入RFID标签,后台计算机存储RFID标签中的数据,作为不同路段费用分配的依据。

(3) 车载网。车载网是应用于智能交通的一种无线自组网络,不仅能够支持道路交通查询、多媒体信息共享等,更重要的是通过对道路与车辆等客观环境的实时感知,实现紧急情况下自动报警,主动保护驾乘人员的人身和财产安全。车载网主要包括智能驾驶、车辆辅助驾驶、车辆导航与娱乐等。

2.4 智能医疗

智能医疗是将物联网应用于医疗领域,实现感知技术、计算机技术、通信技术、智能技术与医疗技术的融合,大型医院、专科医院与社区医院的融合,将有限的医疗资源提供给更多的人共享,把医院的作用向社区、家庭以及偏远农村延伸和辐射,提升全社会的疾病预防、疾病治疗、医疗保健与健康管理水平。

在智能医疗体系中,要建设公共卫生系统和健康档案。公共卫生系统利用物联网及互联网将公共卫生系统中人员、药品和医疗设备等方面的信息进行资源整合,合理应用与管理,以应对各种医疗突发事件。通过建立个人健康档案,实现个人健康信息的共享。目前,无线传感器和RFID电子标签在智能医疗中也得到了广泛的应用。

2.5 智能物流

智能物流利用条形码、RFID技术、传感器、全球定位系统等物联网技术,通过信息处理和网络通信技术平台,广泛应用于物流业运输、仓储、配送、包装、装卸等基本活动环节,实现货物运输过程的自动化运作和高效率优化管理,提高物流行业的服务水平,降低成本。物联网为物流业将传统物流技术与智能化系统运作管理相结合提供了一个很好的平台,能够实现智能物流的信息化、智能化、自动化、透明化。

物联网技术覆盖智能物流运行的全过程。未来的智能物流需要利用RFID与传感器技术,获知物品从采购、入库、调拨、配送、运输等环节的准确信息,将制造、采购、库存、运输的成本降到最低,同时将各个环节可能造成的浪费降到最低,利用信息流精确控制物流过程,使利润达到最大化。

3 结 语

本文介绍了物联网关键技术的特点,分析了物联网技术在智慧城市中的应用。基于物联网技术的智慧城市是一个具有划时代意义的发展进程,积极地推动了传统产业与新兴的物联网产业的融合。虽然目前物联网还没有全面实现和推广,但只要能在大力攻克核心技术问题的同时,解决行业统一规范标准、成本造价等问题,满足各类用户的综合性要求,就能在智慧城市中得到进一步的发展。

[1] 吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].北京:机械工业出版社,2014.

[2] 卢倩楠,赵亚萍,高超.物联网技术在智慧城市与智能建筑中的应用[J].电气时代,2014(7):32-34.

[3] 任淑曼,王刚厂.物联网技术在智能建筑中的应用[J].中国科技博览,2014(2):367-367.

[4] 徐静,陈秀万.我国智慧城市发展现状与问题分析[J].科技管理研究,2014(7):23-26.

[5] 谢永华,裴龙龙,吴彤.物联网在智能家居中的应用[J].仪表技术,2015(3):46-49.

Application of Internet of Things Technology in Smart City

QUAN Wei

(School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

This paper introduced the structure model of internet of things,and analyzed the applications of internet of things technology in smart city,in aspects of intelligent building,smart grid,intelligent transportation,intelligent healthcare and intelligent logistics,etc.If smart city can achieve the core technologies and solve the problems of unified professional standards and cost,which meets the comprehensive requirements of all kinds of users,the internet of things technology will get further development.

internet of things; smart city; intelligent building; smart grid

陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2016JM6021)；西安建筑科技大学校人才科技基金项目(RC1521)

TU 855

B

1674-8417(2016)10-0010-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.004

2016-09-18