智能楼宇控制平台的研究与分析

蔡柳萍，谌 颃，钟 健，何韦颖

（1广州理工学院计算机科学与工程学院 广东 广州 510540）

（2广州科技贸易职业学院 广东 广州 511442）

1 引言

楼宇是办公、教学、生活的重要场所，是学校最重要的资产。因此，为了在未来实现智能校园和教育大数据，智能楼宇管理必须是重要基础之一。目前，学校建筑的照明系统、实验设备、空调等电力设施的问题都是靠人工管理。具体来说，楼宇、楼层、房间的用电控制管理和用电相互独立[1]，没有统一管理，导致工作量大、数据统计不准确、浪费电量等诸多问题。

2 平台研究

2.1 问题陈述

主要问题：本研究的总体目标是设计一个基于物联网和云应用技术的楼宇管理智能控制平台。具体而言，需解决以下问题。

（1）利用RFID、ZigBee等物联网技术实现电器设备的互联网。

（2）利用无线通信、移动互联网、微信小程序、APP等技术实现移动应用管理。

（3）在云中收集和交互数据，实现信息关联。

（4）解决时间、地点、时长、功耗等数据管理和可视化问题。

（5）在PC控制终端或移动终端上实现实时智能交互控制、统计和人像。

（6）解决平台运行过程中网络数据传输的监控问题，实现流量异常预警，从而避免网络流量异常导致设备控制失败的风险。

2.2 假设研究

具体假设如下。

（1）目前的网络中心云计算服务器可以满足平台的前期运营。

（2）在现有研究的基础上，项目团队有能力对关键算法进行优化设计。

（3）智能电源设计和网关设计可以兄弟院校支持。

（4）主流的设计工具和开发方法可以满足服务器、Web和移动软件开发的需求。

（5）项目团队良好的研究基础和团队合作能力可以保证项目的成功实施。

（6）项目资金基本能够满足本项目的资金需求。

（7）网络中心拥有一批高性能计算机，良好的网络计算和存储环境，满足项目的软硬件要求。

2.3 研究意义

随着物联网和云计算技术的飞速发展，通信方式从人发展到了人和物。本项目将研究基于物联网和云平台技术的智能楼宇管理平台，以求实现以下功能：（1）实现节能控制的分散及集中管理，为学校员工、学生、商户提供良好的用电管理环境；（2）为学校各用户提供更方便、快捷的用电控制管理方法，可以实时监控用电情况，降低能耗，为学校降低管理成本；（3）智能控制平台增加设备更容易，改造成本低。

2.4 研究内容

本研究主要目的为实现我校楼宇电气设施的智能化管理和运行控制。这项研究于2018年10月启动，持续两年多，预计将于2021年6月完成。项目组成员5人，团队具有良好的研究基础和团队合作能力。下文将从内容和覆盖面两个方面介绍本研究的总体内容。研究内容包括以下几方面。

（1）电源适配器控制模块的设计和优化，以最小的工作量改造现有的电源接口。

（2）设计物联网网关，优化通信标准协议，进行通信测试。

（3）开发数据交换接口标准和应用接口开发。

（4）设计开发云服务器软件和用户终端软件，包括云计算数据中心和管理后台、Web应用、APP等。

（5）设备调试、数据采样、验证、智能控制测试、优化等。

（6）楼宇管理智能控制平台集成及验收测试。

2.5 最终产品

本研究的最终产品分为软件和硬件两部分。软件包括Web管理端、微信Mini Program或APP、运行在云服务器上的应用接口。硬件包括智能电源、智能网关和智能门锁。本研究将基于IPv6网络通信，将远程物联网设备数据上传到数据中心的方法采用TCP连接，数据包采用JSON格式[2]。下行数据通过HTTP连接，为远程客户提供数据查询、统计、分析等应用，数据包也是以JSON格式传输。另外，在目前网络规模比较小的情况下，研究数据中心前端采用网络虚拟化技术，后期在网络规模比较大的情况下，采用TRILL技术进行改造，即目前的网络中心云计算服务器可以满足前期运营[3]。软件开发采用面向服务的SOA开发模式。最后，智能供电设备的样本必须满足工业应用的要求，必须利用JSON和XML的混合技术建立数据交换标准。集成测试时，应选择2～3个房间作为试点，测试平台的硬件和软件，优化集成方案。

3 用户需求分析

为了开发出真正满足用户需求的软件产品，需要明确了解用户的需求。当前大部分的用户对计算机的操作仍然不是很熟悉，对于计算机能做什么不能做什么没有明确的概念，而开发人员对用户所在的领域也不是很熟悉，因此用户与开发人员之间对问题就会存在理解的差异。因此，如何进行充分有效的沟通至关重要。为了实现学校楼宇设施的智能化管理，在需求分析阶段，必须明确系统相关人员的需求，因此我们的调查对象包括电教室管理员、实验室管理员、各办公室主要负责人、图书管理员、学生、宿舍管理员、学校管理领导等，基本覆盖全校各类人员。由于涉及的人员规模较大，我们根据不同的工作从每个岗位随机抽取一名受访者，共有12名受访者接受了我们的一对一访问。

3.1 需求获取方法

获取需求的方法有很多种，本次我们采用的是一对一的面谈法。面谈法是让开发人员与用户进行一对一的面谈，从而相对准确地了解到用户的想法。由于本系统涉及的用户多种多样，所以我们必须根据用户的身份特点来进行提问，从而获取我们想要的信息。面谈法具有一定的私密性，让开发人员与受访者可以直率交流，非常适用于在初步理解整体概念的情况下讨论和交流一些细节问题，而且研究者能够限制受访者在本研究范围内进行回答，可以挖掘到更深层次的用户需求。

3.2 数据收集

（1）我们走访了实验室老师和宿舍管理人员，了解了目前的管理情况，收集了相关人员对设备和电源管理的要求。

（2）我们参观了华南农业大学电子工程学院，了解了供电、用电设备和环境监测数字化管理的现状和需求，决定与华南农业大学共同设计该研究系统的电源适配器和智能电箱。

3.3 数据分析

经过与受访者的访谈，我们获取了相关需求，并对需求进行了分析。由此可知，本研究中的智能楼宇系统主要包括用电监控、自动开关控制、窗帘智能管理、环境监测、智能安防、人体感应、视频监控、门锁控制等功能。

3.3.1 用电监控系统

具有电气参数实时监控、异常事故报警、事件记录打印、统计报表整理打印、电能成本管理、负荷监控等综合功能。配电智能监控管理系统使供电系统运行更加安全、合理、经济，提高了供配电系统的可靠性。

3.3.2 自动开关控制系统

自动开关控制系统使用照明控制面板、无线网络等设备，实现楼宇照明的自动开关等智能控制。（1）使用远程照明管理方法，实现临时照明、自动开关、定时切换等功能。（2）手动照明控制模式，人工对照明控制面板进行操作，可以实现室内手动的控制各照明开关。

3.3.3 窗帘智能管理系统

窗帘智能管理系统使用无线网络、窗帘电机、导轨等设备，实现楼宇内窗帘的智能控制。窗帘控制具有远程控制功能，可以远程切换窗帘。还可以通过人工对窗帘控制面板进行操作，手动的控制窗帘的开和关。

3.3.4 空调智能管理系统

空调智能管理系统使用智能遥控器，对楼宇内空调、投影仪等红外遥控设备进行智能化控制。智能遥控器与室内温度、湿度传感器等设备实现联动，实现自动打开或关闭各红外遥控设备（空调、投影仪等）。

3.3.5 环境监测

主要实现对温湿度、PM2.5、照度等的监测。在空间中，特别是对于实验室的温度和湿度监测，可以通过设定阈值来实现报警功能。

3.3.6 智能安防系统

智能安防系统包含声光报警器、摄像头、温度湿度传感器、人体检测传感器、烟雾传感器、应急按钮等设备。各设备协同工作，一旦检测到异常现象，自动启动安防系统，对楼宇内机房、办公室等房间实施安全监控。

3.3.7 门禁管理系统

门禁管理系统实现楼宇内机房、教室、办公室门的远程开启与远程关闭。基于TCP/IP网络的远程启闭模式，可实现教室门禁定时自动启闭、授权人员远程启闭、自动报警开启等[4]。RFID高频卡授权模式的使用，使授权管理人员可以使用RFID高频卡对出入境日志进行统计管理。

4 研究方法分析

4.1 研究方法

计算机项目的研究不同于社会科学项目的研究，研究方法主要采用结构化方法，遵循软件工程原理。本项目的研究方法主要包括理论和技术研究、调查、讨论、建模、样本开发、设备调试、算法设计、程序设计、实验分析等。

4.2 系统设计

本研究旨在研究一套可应用于照明、实验设备、电源等电气设施智能管理以及关键环境参数监测的技术方法和解决方案。研究人员遵循软件工程的开发步骤来收集数据和研究具体问题。第1步是进行可行性研究，确定是否开发该项目。第2步是分析需求，确定系统的功能性和非功能性需求。第3步是系统设计。在概要设计阶段，确定模块的划分和模块之间的关系。在详细设计阶段，确定各个模块的具体算法，设计数据库。第4步通过编码实现软件。第5步测试软件，同时发现并纠正错误。第6步是项目软件的操作和维护。

该系统主要由设备电源监控、物联网网关、控制云平台3个部分组成，见图1。教学设备监控部分主要包括RFID电子标签、设备适配器（包括RFID读卡器、单片机系统、ZigBee节点、电量采集和继电器单元）；物联网网关主要包括ZigBee、Wi-Fi、以太网口等模块；控制云平台主要包括云服务器、PC终端和移动终端。

图1 系统组成图

其中，本项目关键技术方案设计包括：（1）功率检测和控制设计。（2）物联网主控模块设计方案。（3）楼宇管理智能控制平台（教室、实验室）建设方案。（4）楼宇管理智能控制平台的基本方案。（5）楼宇管理智能控制平台样本方案建设及调试报告。

5 结语

本研究完成了楼宇管理智能控制平台基本方案的制订，确定了网络通信方案，制订了通信协议，完成了产品的试制，在6-203（多媒体教室）和11-610（非线性编辑实验室）两个房间进行安装、调试和试运行。2020年11月至2021年5月，一直在进行软件的优化调试和程序的优化。