面向办公建筑的室内电气物联网设备管理系统

刘晓倩张桂青田晨璐李咏潘磊磊

(1.山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101；2.山东省智能建筑技术重点实验室，山东 济南250101)

0 引言

办公建筑是最常见也是占比最大的一类建筑[1]。 随着现代高新技术的发展和生活质量的提升，人们对办公建筑的舒适度、智能化和节能性等方面的要求越来越高。 物联网技术的发展使建筑中物联网电气设备的种类和数量逐渐增多[2]，能够实现建筑中设备的全面感知，在一定程度上增加了建筑的智能化，但在使用过程中，由于管理不当造成了严重的资源浪费[3]。 国外一些发达国家，在物业管理中对设备的管理已经具有标准化的制度和规范，设备管理系统的开发技术相对比较成熟[4]。 国内传统的物联网设备管理没有统一的标准和制度，虽然实现了智能建筑中物联网设备的信息化，但是在设备智能运行和信息管理等方面还存在一些问题。 如建筑在使用过程中，经常会发生空间格局的变化、房间功能的改变、监控点位的增减等，这些变化会引起传感器和执行器位置的改变或者数量的增减，需要在上位机监控软件中相应地修改系统配置，否则这些改动将无法实现，相应设备也就无法正常运作[5]。 系统配置修改的工作对操作人员的技术水平要求较高。 一般来说，智能化系统的日常运维管理人员不具有这样的技术水平，无法完成这类工作，通常会导致系统瘫痪，以致无法使用[6]。 此外，物联网设备涉及到用户的权限和隐私，随着物联网设备的增加，物联网安全问题逐渐受到关注，如何实现物联网设备权限的管理是一个亟待解决的问题[7]。高效地管理建筑中的物联网设备，提高管理水平、降低管理成本、便捷人类生活已成为物联网设备管理的目标。

传统的物联网设备管理已经不能满足现代建筑的发展要求，浪费了人力物力，难以满足用户的舒适度需求，物业人员管理设备的难度较大。 高效的物联网设备管理系统不仅是各物业公司发展的迫切需要[8]，也是实现智慧运维的重要支撑。 文章利用物联网技术，设计了一种面向办公建筑的室内电气物联网设备管理系统，以设备为中心，从用户的角度出发，通过简单易操作的人机交互界面，实现房间虚拟化的设备管理和远程监控，满足用户的个性化需求，设备信息的分析和统计还可以为管理人员提供管理决策支持，保证室内电气设备处于高效、安全、可靠的运行。

1 物联网设备管理系统总体设计

1.1 系统总体架构设计

结合物联网技术架构和设备管理相关技术，系统总体架构分为感知层、数据层、服务层和应用层等4 层[9]，总体架构如图1 所示。

(1) 感知层 包括物联网节点与各种智能模块，采集物联网设备信息，实现全面感知。 其中，智能模块包括环境检测模块、智能开关、智能插座、中央空调控制面板、电气参数检测模块等，实现了设备的控制和数据的采集；而物联网节点是沟通智能模块与服务器之间的桥梁，物联网节点完成数据的传输和协议的转换[10]。

(2) 数据层 主要由实时数据库、关系数据库构成。 实时数据库承担存储实时数据与部分历史数据的功能；NoSQL 用于存储历史数据与部分非格式化的数据，关系数据库中存储有用户、设备、虚拟房间及其关联关系数据，同时用于存储设备运行过程中的历史数据，各类数据库均部署于服务器。

(3) 服务层 主要包括一些面向设备管理业务流程的服务，通过分析应用层的功能需求，提取各类共性业务流程，封装基础的学习算法与数据分析方法[11]，提供用户管理、设备权限管理、设备监测与控制、历史数据提取、人员用能行为分析等智能化服务。

(4) 应用层 包括互联网Web 端和手机端应用软件APP(Application)的人机交互界面，用户通过形象的人机交互界面实现设备的管理，主要包括实时数据和历史数据的查看、虚拟空间的配置、设备操作日志查询、设备分享、设备运行状态统计等功能。

图1 物联网设备管理系统架构图

1.2 物联网设备管理系统功能模块

用户在使用物联网设备管理系统之前，需要完成用户注册，进而通过扫码注册设备获取设备的管理权限，实现物联网设备的远程管理。 物联网设备管理系统的流程如图2 所示。

图2 物联网设备管理流程图

其中，物联网设备管理系统的业务服务功能模块主要分为:用户管理、设备监控管理、设备信息管理和数据分析统计等。

(1) 用户管理

物联网设备管理系统中的用户采用分类管理的方式，用户的身份分为普通用户、物业管理人员和超级管理人员。 超级管理人员是系统的操作人员，拥有所有人员和设备的管理权限，可以任意撤销和赋予用户管理设备的权限。 用户进行注册时，提交注册信息后需要超级管理员确认才可进行设备管理，从而保证系统的安全性和可靠性。 普通用户拥有自己房间中所有设备的管理权限；物业管理人员不仅拥有公共区域房间中设备的所有权限，还具有查看普通用户办公室中设备运行状态的权限。 利用3 种用户身份之间的关系建立相应的数据库模型，从而实现用户权限的管理。

(2) 设备监控管理

用户管理设备之前，首先需要进行设备注册，可以通过APP 扫码注册或Web 端填写设备验证码的方式进行注册。 注册的设备与该用户建立确认关系，获得对设备的所有管理权限，包括设备开关控制、定时控制、历史数据查询、实时数据监测、设备删除等。 服务器将用户与设备的确认关系存到数据库，以确保其他用户无法再注册该设备。 其他用户若想要获取该设备的管理权限，只能通过设备所属用户分享设备的某些权限获取该设备的管理权限。设备权限分享示意图如图3 所示。 该系统设计了一种新颖的管理模式监控设备，以“房间”为单位，通过系统创建虚拟房间，在每个虚拟房间中可以任意添加或删除设备，添加后的设备调用设备模型信息在人机界面中显示，可以查看设备基本信息并下发设备对应的操作权限命令，方便用户操作。

图3 设备分享示意图

(3) 设备信息管理

设备信息管理 主要包括设备基本信息管理、设备报警信息管理和设备操作日志管理。

设备基本信息管理 主要包括设备名称、设备类型、设备ID、设备上行和下行数据、设备权限，设备位置、设备生产厂商等基本信息。 通过设备基本信息对设备进行分类管理，搭建各类设备的模型库，以各设备ID 作为设备模型的标识码。 系统中其他模块需要使用到设备基本信息时，可以任意调用设备在系统中的标识码获取相应信息[12]，具有较高的适用性和拓展性。 设备基本信息是在整个设备管理中最根本的底层数据，设备信息的构建对其它模块功能的实现和系统完整性起着非常关键的作用[13]。

设备报警信息管理 系统运行期间一旦发生报警，报警信号会通过物联网节点将报警信息上传到数据库进行存储管理。 用户通过人机交互界面查看设备报警信息，主要包括设备名称、报警类型、报警时间、设备位置、报警处理状态等信息。

设备操作日志管理 操作日志通过报表的形式展示，包括设备的操作时间、操作事件、运行状态、操作用户等信息。 管理设备的操作日志有助于物业管理人员统计分析系统的运行情况和运行数据，找出设备运行过程中出现的问题，对设备进行追溯管理。

(4) 数据分析统计

将采集的设备运行状态和数据通过系统的人工智能业务服务模块进行统计和分析，主要包括设备运行状态的统计、设备能耗对比分析以及人员用能行为分析等，该模块为物业管理人员提供设备管理智能化的数据支持，从而推动智慧运维的发展。

2 数据库的设计与搭建

2.1 设备模型库的设计

建筑中物联网设备复杂多样、种类繁多，将设备进行分类管理，归纳每一类设备的工作特性，建立各类设备的模型库，是物联网建筑中设备管理的核心。建立设备模型库存储设备信息，通过数据库与上位机通信实现数据的动态交互，克服传统设备管理中设备变动后需要在上位机监控软件中修改系统配置的缺点，可扩展性强，节省开发成本。 文章将每一类设备模型库归纳统一，主要包括设备ID、设备类型、设备图标、设备运行数据、设备权限等信息，数据库中的设备模型表见表1。

表1 设备模型表

2.2 设备管理E-R 模型设计

针对物联网设备管理的应用需求，需要对数据库中的设备信息表、用户信息表和虚拟空间信息表之间的关系进行结构化拓展设计，设备管理结构实体-联系E-R(Entity-Relationship)模型如图4 所示。

物联网设备管理系统的数据结构模型也是建立在以设备为中心的基础上，用户、设备、虚拟空间表之间的互相调用提供应用层的业务服务数据。 由图4 可知，设备管理模型以设备信息表为中心，由核心表中的设备ID 作为主键PK(Primary Key)向外扩展，有关设备工作状态信息的数据表均以设备ID 作为外键FK(Foreign Key)存储查询，数据分类清晰，易于使用管理。 同时，设备信息模型与空间虚拟化模型、用户模型之间也是通过关联信息表进行连接的，由各个模型之间的结构关系可知，用户、设备、虚拟空间之间的关系贯穿整个物联网设备管理系统的历史数据模型。

2.3 数据库的搭建

物联网设备管理系统通过搭建MySQL 关系数据库来管理用户、设备和虚拟空间之间的数据。 利用图形化管理工具SQLyog 对数据库进行连接管理操作。 SQLyog 软件是数据库管理软件，其可视化的操作界面简化了数据库的管理，能够用简单的方式创建数据库和组织数据库以及访问数据库，支持触发器、存储过程、函数、事件、视图、管理用户同时可以导入、导出、备份、还原、报表创建工具，设计符合开发人员的需要[14]。

使用PHP 脚本语言编写创建数据库，其关键代码如下:

＜? php

＄sql-host＝‘3306’； / / mysql 数据库服务器主机地址

＄sql-user ＝‘root’； / / mysql 数据库服务器名称

＄sql-pass ＝‘123456’； / / mysql 数据库服务器密码

＄conn ＝sql_con ( ＄sql-host， ＄sql-user， ＄sql-pass)； / / 连接数据库服务器服务器

＄sql＝‘CREATE DATABASE RUNOOB’； / /

创建数据库

＄sql _query(connection， query， resultmode)； / / 创建数据表

＄sql＝"SELECT* FROM ‘xxx’"； / /数据库中数据查询

? ＞创建完成的数据库主界面如图5 所示。

3 室内电气物联网设备管理系统应用实例

以山东建筑大学被动实验楼作为室内电气物联网设备管理系统的实验平台，通过接入智能开关、智能插座、电气参数检测模块等智能设备识别办公室中电气设备的运行状态，并将数据上传到本地服务器中的数据库中进行存储。 应用层开发Web 和APP 实现简单操作的人机交互界面，为了实现数据通信的实时性，采用C＃编写WebService 接口，通过部署WebService 接口提供前端对业务服务功能的访问，与后台数据库实现实时通信[15]。

Web 端人机交互界面如图6 所示。 用户根据自己的身份权限登录室内电气设备物联网管理系统管理设备，需要通过APP 扫码注册设备或者在Web端填写设备验证码完成注册，添加设备后进行设备管理。 用户通过设备列表查看所有注册设备的基本信息，如图6(a)所示。 系统为用户提供修改信息的功能，根据用户的需求可以自定义修改设备信息，保存后的修改信息通过数据接口与数据库通信，实现设备信息的同步更新。

该系统主要包括设备远程监控、事件与报警管理、数据分析3 个模块，如图6(b)所示。 系统首页采用生动形象的图表展示用户名下所有设备的运行状态和历史数据，可以很容易看到设备的总体运行情况，以便于用户进行管理操作。

为了方便用户实现设备监控，采用空间虚拟化的方式对设备进行分组管理，根据用户的需求自由创建“房间”并定义名称，每个“虚拟房间”添加哪些设备、虚拟房间的增加和删除、背景图片的修改、设备位置的移动等都可以根据用户的个性化需求进行配置。 虚拟化配置完成后能够完成设备实时数据的查看和设备的控制，Web 端界面如图6(c)所示。 用户可以将自己的设备权限分享给系统中的其他用户，并可以随时收回设备权限，在设备分享模块可以进行设备分享并查看设备的分享记录，包括分享用户名称、分享设备、分享设备的权限等信息，如图6(d)所示。

办公建筑中拥有大量的物联网设备，为了方便用户查找设备的操作记录，该系统设置了搜索功能，用户输入需要查看的设备编号，该设备的操作记录以报表的形式展示，通过“一键导出”功能将设备的操作记录导出，为物业管理人员对设备运行分析提供数据支撑。 设备的报警记录以同样的形式展示，如图6(e)所示。

将设备历史数据通过图形化形式进行对比分析，让用户直观的看到设备运行数据之间横向和纵向对比，包括设备在线离线统计、设备能耗统计、设备历史数据查询等功能，Web 端设备运行统计界面如图6(f)所示。 通过分析统计设备运行数据和设备能耗数据，可以进行设备故障预测、人员用能行为的预测和能耗预测等方面的研究，为物业管理人员提供智能决策。

4 结语

为方便用户管理，提高物联网设备的管理效率，文章基于物联网技术设计并开发了一种面向办公建筑的室内电气物联网设备管理系统，完成了系统整体架构的设计、功能模块的设计、数据库的设计与开发、应用层人机交互界面的实现。 该方案将用户和设备绑定关系实现设备信息的动态管理，搭建数据库模型和设备模型，确保服务层与数据层的实时通信。 系统能够实现设备扫码注册、设备分享、虚拟化空间配置、设备监控、设备操作记录和报警记录查询、历史数据动态展示等功能，改正了传统物联网设备管理方式灵活性差、拓展性差、成本高等缺点，极大地方便了人们的生活，为建筑节能提供数据支撑，具有非常广阔的发展前景。