物联网及其在建筑电气设计中的应用

彭松龙

(北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京 100048)

0 引言

物联网(Internet of things，简称“IoT”)被称为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业新浪潮。 各国均对其发展进行了规划，如美国的智慧地球、日本的I-Japan、韩国的U-Korea 及欧盟的物联网研究路线图等计划。 我国也高度重视物联网的发展，被列为重点发展新兴产业。 《国家中长期科学与技术发展规划》和“新一代宽带移动无线通信网”等专项设立“物联网安全关键技术研究”“面向物联网的网络技术发展研究”和“物联网环境下的协同控制研究”等国家自然科学基金。

1 物联网的简介

1.1 定义

国际电信联盟在《ITU 互联网报告2005:物联网》中正式提出定义:通过射频识别、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，使物具备自动标志、智能感知能力，实现物理世界与虚拟数字世界相联；通过物的智能接口实现与信息网络的无缝结合，进行信息交换与通信，从而达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，最终达到任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联，实现无所不在的网络和无所不在的计算。

简而言之，物联网即是物物相连的互联网。 此网络中，物能彼此“交流”，无需人的干预。 其实质是利用RFID(radio frequency identification)技术，通过网络实现物品自动识别和信息互联与共享。

1.2 架构组成及关键技术

下面简单介绍物联网的内容，包括架构、关键技术和布局。

(1)基本架构

物联网基本架构可分为三层:感知层、传输层(网络层)和应用层。 1)感知层:是识别物体、采集信息的来源。 由各种传感器构成，包括温湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、红外线、GPS 等感知终端；2)传输层(网络层):是物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。 由互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等各种网络组成；3)应用层:是和用户的接口，与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

(2)物联网应用的三项关键技术

1)传感器技术:大部分计算机处理的是数字信号，需要传感器把模拟信号转换成数字信号；2)射频识别技术:是一种通信技术，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景；3)嵌入式系统技术:是综合计算机软硬件、传感器、集成电路、电子应用等为一体的复杂技术。

(3)物联网开展的主要步骤

1)标识物体属性，包括可直接存储在标签中的静态属性，和需要传感器实时探测的动态属性；2)识别设备对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心，完成物体通信的相关计算。

1.3 优势

相对传统互联网，物联网具有:一网多用、一物多能的特点；智能化应用成本极大降低，不依赖于云端；大数据的源头更经济、可靠、安全、实用；数据采集精准灵活、可监可控。

物联网用途广泛，遍及智能交通、环保监控、个人健康及平安家居、智能建筑等多个领域。

2 现有物联网类型及其性能比较

(1)现有物联网类型:1)WF-IoT:融合物联网；2)NB-IoT:窄带蜂窝物联网；3)LPWAN:低功耗广域网；4)Zigbee/802.15.4:紫蜂/无线传感网。

(2)现有物联网性能比较见表1 和图1。

现有物联网性能参数比较 表1

图1 现有物联网覆盖范围及传输速率比对曲线

3 物联网在建筑电气设计中的应用

物联网在建筑电气设计中的应用主要包括:智能照明、安防管控、门禁管控、能耗管控、空调管控、人员定位等系统，但鉴于篇幅，本文仅就物联网智能照明系统详细说明。

随着人口的增加与生活方式的改变，人类正处在严峻的能源消耗与沉重的环境压力中。 据统计，全球照明耗电量约占总发电量的20%以上，利用物联网技术，对照明进行智慧控制，在实现“按需照明”、改善生活的同时，还可以大幅减少能源消耗。

物联网智能照明系统，可自动从各种传感器中采集数据，并对控制器进行实时调节以适应不同需求，具有以下作用与意义。

(1)全自动调光:灯具效率和墙面反射率会随时间衰减，设计照度是寿命期内的平均值；若初始照度高于所需照度，会导致后期照度不足，不仅前后不均，还会造成浪费。 采用智慧照明控制后，可智能调光，自动保持所需的恒定照度。

(2)充分利用自然光源:可随天气变化自动调节，保证室内照度维持预设值。 可通过控制百页窗角度、窗帘开合，及用导光管和光导纤维将外部自然光导入室内并进行调节，实现对自然光源的充分利用。

(3)节能:系统能对多数光源(白炽灯、LED 灯、无极灯、可调光荧光灯、配调光控制器的钠灯、金卤灯等)进行智慧调光，及时关掉不需要的灯具，用最少的能源保证照度，节电可达30%以上。

(4)延长光源寿命:光源和电器损坏的主要原因是电网的浪涌电压和过电压，系统可抑制电网浪涌电压，还具备电压限定和轭流滤波等功能，避免过电压和欠电压对光源的损害。 用软启动和软关断技术，可避免冲击电流对光源的损害，延长2 ～4倍光源寿命，同时减轻了更换灯管的工作量，降低运行费用，简化管理维护难度。

(5)改善工作环境，提高效率:良好的工作环境是提高效率的必要条件。 设计中合理选用光源、灯具及优良的照明控制系统，能提高照明质量，改善工作环境。 以调光控制面板代替传统开关控制灯具，可解决频闪效应，并有效控制各房间内照度，提高照度均匀性。

(6)实现多种照明效果:不仅满足视觉的明暗需求，更具备多种控制方案，使建筑更生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。

(7)照明管理和设备维护更简单:系统以模块式自动控制为主、手动控制为辅，照明预置场景的参数以数字形式存储在EPROM 中，信息设置和更换方便。

下面通过工程实例，形象展示建筑电气设计中物联网智能照明的效果。

4 物联网车库智能照明系统工程实例及分析

4.1 系统介绍

通过工程调研，收集大量车库照明的使用数据，综合全面需求作为研究基础。 按照当前政府主管部门以旧城改造为主的规划原则，针对很多使用中的地下车库没有智能化设计、存在使用不便及能耗大等情况，提出推广物联网车库智能照明系统改造的解决方案。 无需施工布线、更改原设计，只用“物联网灯”替换原光源，且在照明配电箱旁安装智能照明控制器(以下简称控制器)，即可把每盏灯联接起来，构成一套集信息传感、通信、处理等技术于一体的物联网车库照明管理系统。 系统拓扑图、系统结构及功能见图2～3。

图2 物联网车库智能照明系统拓扑图

图3 物联网车库智能照明系统结构及功能

经评测，实际应用符合《建筑照明设计标准》《公共建筑节能检验标准》《绿色建筑评价标准》等要求。

车库物联网照明具有以下优势、特点:(1)超越普通感应灯，是一套功能强大的照明系统；(2)节能方式更优，可获得舒适、经济、科学管理、少维护的照明系统；(3)可靠耐用，系统保修5 年；(4)多种照明模式自由设定，可调亮度、开关时间，可电脑、手机远程控制、采集数据；(5)经济回报率高，仅从节电和省灯这两项估算，2 年左右可收回投资，具体见如下工程实例详细数据。

4.2 车库物联网智能照明系统改造工程实例

以北京经济技术开发区某车库物联网智能照明系统改造设计为例进行分析。

4.2.1 系统组成

本工程系统构成见图4。 其工作原理为通过数据采集器设置控制器和物联网灯的运行参数，实现可通讯、控制的“智慧照明”模式。 采用电力载波和无线技术进行信号传输，把采集到的人或车进入探测区的信号，发送给控制器进行分析、处理，并对相应区域灯具下达指令，实现各灯具的开、关及调光。

图4 本工程系统构成

其中，(1)物联网LED 灯:由集成通讯模块、感应器和LED 光源组成，采用无线通讯，可无极调光，每盏灯自带地址码；(2)网关:仅需18 个网关即可全覆盖，通过无线/有线连到云端；(3)后台管理:可在后台登录进行管理和设置；(4)布线:不改变现有线路；(5)实施周期:安装、调试各7 天。

4.2.2 系统功能

该系统具有多种照明模式:微亮，全亮，二亮一循环等，实现按需照明，节能且可远程控制、实时读取数据。 全自动实现如下功能。

(1)人或车:进入车库时，同一设定区域的车道灯自动点亮，产生开阔、明亮的照明效果，车位灯不亮；进入车位时，该车位物联网灯点亮，也可与同组车道灯联网点亮。

(2)人或车离开后，车位灯灭，车道灯切换为二亮一、三亮一等循环亮的节能模式，每隔30min(1 ～90min 可选)自动更换点亮灯具，既保证基本照度，又可节电；灯具轮流点亮，使每盏灯都得到休息，减少发热及光衰，延长寿命。

(3)车位灯实行单独点亮模式，人或车进入该区域，车道灯全亮，车位灯不联网点亮；仅当进入车位时，该车位灯才亮，离开后10s(10 ～30s 可选)自动熄灭。

(4)车库出入口设置:值班灯全天亮；出口灯7:00～17:00点不亮，17:01 ～6:59 点恢复车道灯功能，也可感应自然光自动调整。

(5)对不同时间、环境的点亮方式、照度，按需要进行精确设置和人性化管理。

(6)辅助安全监控:人或车所到之处，物联网灯自动感应点亮，配合视频监控，可提示监控中心人员有人进入。

(7)远程监控:灯具出现故障时控制器报警，通过平台或是手机APP 通知物业维修；每天控制器统计各区域用电量，上传云服务器形成图表，用户可查看。

(8)采用单灯控制，与回路无关。

(9)容错能力强:整个系统分级控制；无网络及控制器或无线转发模块故障时，灯具正常运行，但不能远程监控；单个灯故障，不影响其他灯具运行。

4.2.3 物联网灯与普通感应灯的照明效果对比

普通感应灯与物联网智能照明的照明效果见图5～6。

图5 普通感应灯的照明效果

图6 物联网智能照明效果

4.2.4 物联网车库智能照明与其他运行方式的成本比较

通过对本改造工程的各项数据进行统计、分析，比较三种车库照明运行方式，证明物联网车库智能照明是节约成本、高效运营、灵活使用的最佳方案，具体数据见表2。

三种车库照明运行方式对比分析(项目按照1 430 盏灯具预估，做对比分析) 表2

5 结束语

总结工程实例，物联网智能照明系统通过传感器及微处理控制，能“感知”环境变化并作出相应解决方案；还可学习用户习惯，省去设定操作，使用起来更人性化；如果用户习惯改变，系统随之产生新的设定。 节约能源，同时为用户提供最适宜的照明。

随着社会的发展和人们对于照明要求的不断提高，智能照明系统的设计和应用将会有更多的创新，会有更多的物联网技术被应用。