基于WF-IoT的智能建筑物联网工程解决方案

文 海，孙长征

（西安优势物联网科技有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

智能建筑是通过对建筑物的结构、系统、服务和管理进行最优组合，为人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境[1]。而物联网工程则是物联网系统在智能建筑上合理部署所涵盖的工程实体，是智能建筑向人们展现其智能的基础。现行智能建筑物联网工程通常采用平台化解决方案[2-3]，底层设备之间不能直接互联互通，末端设备的采集处理和控制执行依赖综合布线和平台功能，比如智能照明、楼宇控制、暖通空调管控、水电气管控、火灾报警、入侵报警、视频监控、门禁等大多是相互独立的系统，只能在平台层集成。由于复杂的系统架构不能横向互联，资源和信息难共享，智能建筑物联网系统普遍存在工程造价高、技术整合难、使用成本大、系统扩展难等缺点。特别是随着信息技术的快速发展，以无线通信为主要特征，具有自组织、自决策、自执行的末端智能已成为当今潮流[4]。智能建筑物联网工程迫切需要一种全新的解决方案。

1 智能建筑对物联网的需求分析

智能建筑因其安全、舒适和便利等特点而深受人们青睐。基于物联网技术构建智能建筑，理想目标是使建筑内众多设备具有语境感知能力，使其真正成为智慧城市的细胞。因此，智能建筑对物联网的需求主要有：

（1）终端设备智能化，使终端设备由被动静止转变为能动智能；

（2）海量终端连通性，随着建筑等级的提高，终端数量显著增加且遍布整个建筑，实现各类终端互联互通，既要解决不同接口类型终端的底层连接问题，还要解决终端的跨界或跨网信息交互问题；

（3）简易化和节能化，需要系统架构更加柔性、扁平，使物联网工程的建设和维护简便易行，将设备能耗变成可控数据，为建筑节能奠定基础。

目前，以无线通信为特征的物联网技术[5]，常见的有3类：

（1）蜂窝物联网以运营商为主，如GPRS、NB-IoT、3G/4G/5G等。由于每个节点需借助付费的运营商网络通信，对拥有大量终端的智能建筑而言连接方式极不经济。

（2）短距物联网如WiFi、蓝牙、ZigBee等，均属私有网络，其应用以家庭、办公场所等小型区域为主，难以满足商业建筑、公共建筑等海量节点、大空间的广域环境需求。

（3）广域物联网其私有网络大多采取LoRa、SigFox等低功耗网络搭建，虽支持海量节点连接，但数据传输速率低，只能满足频度低、数据量小的应用。然而，智能建筑需要物联网连接的终端设备数量众多、种类复杂，既有频度低、数据量小的应用，也有频度高、数据量大的应用，甚至还有实时响应的应用。现有物联网技术均难同时满足上述需求。

2 WF-IoT概述

中高速广域融合物联网技术（Wide Area Fusion Internet of Things, WF-IoT）能较好满足智能建筑物联网的上述需求。WF-IoT是在单个物联网芯片上融合了商用照明、识别定位和无线传感等功能的新型物联网技术[6]。其主要技术特性包括如下几个方面：

（1）自组网通信，节点之间无线通信距离可达80 m，添加增益设备后可达300 m；

（2）每个子网是去中心的网格化拓扑结构，支持不少于256个分组（分区）控制，最多可接入65 535个节点；

（3）工作频率为国家标准规定的780 MHz或2.45 GHz等免费频点；

（4）节点的数据传输速率可达2 Mb/s；

（5）节点搭载轻量级、低功耗系统，传输数据功耗仅为毫瓦级，正常待机功耗为微瓦级；

（6）节点支持属性和逻辑的软定义，每个节点支持不少于64个场景控制功能。

WF-IoT系统主要包括节点设备、边缘服务器和平台软件。其中：节点设备包括WF驱动器（如模拟量驱动、开关量驱动等）、WF感知器（如照度感知、温湿度感知、人体动作感知、视频感知等）、WF人机交互终端（如动能开关、遥控器、场景面板、触屏控制器等）、WF控制器（如时间控制器、场景控制器等）、WF通信器（如物联网关、网络透传器、耦合器、协议集成器等）等智能节点，主要解决各类终端设备的接入和通信传输问题；边缘服务器用于大量终端设备的协同控制以及终端与云端通信；平台软件用于终端的统一管理，提供与其他业务系统进行无缝集成的API接口[7]。

3 WF-IoT方案

3.1 系统架构

基于WF-IoT构建的物联网系统是一种云边端协同架构，包括末梢层、传输层、平台层和安全构件等四部分，具体如图1所示。

图1 基于WF-IoT的物联网系统架构

（1）末梢层面向终端设备提供网络接入，实现现场感知、计算处理、就地控制、驱动执行等功能，主要包括人机交互终端、物联网关、感知器、驱动器、控制器、协议集成器、网络透传器、智能设备等，它们通过无线自组网组成一个或多个物联网络；

（2）传输层搭载在现有IP网络上，为末梢层与平台层间的信息交互提供传输和协调功能，主要包括边缘服务器；

（3）平台层搭载在现有信息基础设施上，提供节点设备的配置管理、运行监测、信息处理与交互等功能，主要包括WF-IoT平台软件；

（4）安全构件针对物联网系统的末梢层、传输层和平台层分别提供技术及管理安全措施。

上述架构可根据实际应用需求进行裁剪。必要时，可以不含传输层和平台层，由终端设备组成的末梢网络形成独立运行的物联网系统，可就地实现传感、处理、控制等功能。

3.2 主要思路

基于WF-IoT的上述物联网系统架构，实现智能建筑物联网工程的主要思路：

（1）智能建筑各类末端设备的接入。对于照明设备，既可以采用全新的一体化智能灯具，也可以为普通灯具配置WF驱动器；对于支持模拟量或开关量等信号驱动的末端设备，配置WF驱动器；对于具备CAN、RS 232、RS 485、ZhaGa或DMX512等通信接口的末端设备，配置耦合器、协议集成器等WF通信器。

（2）在终端设备层构建末梢网络。在智能建筑中，照明设备是数量最多、分布最广、能耗较大的设备，以其为基础，可构建一个覆盖整个智能建筑范围且独立于IP网络的基础网络，接入末端设备；根据无感控制需求配置WF感知器；根据就地控制便利性配置WF人机交互终端和WF控制器；根据本地节点设备的协同控制或接入其他网络（如IP网络或红外通信）的需要，配置物联网关；根据增加通信距离或接入其他末梢网络的需要，配置网络透传器。上述节点设备均以无线自组网方式通信，组成智能建筑末梢网络，既可以实现灵活多样的本地控制，也可以实现无感智能的自动控制。

（3）实现大规模物联网系统。针对智能建筑的海量终端，在现有IP通信网络上部署适量边缘服务器，不仅就近解决了终端设备的协同控制问题，还可协调末梢层与平台层间的通信问题；在私有云或公有云上部署WF-IoT平台软件，可统一管理海量的终端设备，且智能建筑的系统集成中心SIC也可通过开放接口对WF-IoT系统实现跨业务系统集成[8]。

3.3 技术亮点

基于WF-IoT构建的智能建筑物联网系统，主要有以下4个技术亮点：

（1）完全自主可控：系统所有物联网节点设备均基于自主可控的国产物联网芯片—【唐芯】构建，从节点设备到相关软件和协议，我国拥有完全知识产权。

（2）大规模自组网：系统可以极为方便地构建一个节点达数万的大规模物联子网，可以满足大空间智能建筑的组网控制需要，可以为业主搭建一个覆盖整个建筑物的中高速私有无线网络，支持数据采集、设施控制、安防报警等功能和规模的快速扩展。

（3）节点级雾智能：系统支持多达64个场景的节点级无感智能，无需复杂费力的跨系统集成，即可实现全功能融合，达到现场级的全自动自适应控制，可满足智能建筑日益增长的智能化需要。

（4）云边端协同架构：系统所有产品采用模块化组合设计，可根据应用需求将各项功能任意组合成符合需求的解决方案，复制、推广、应用极为便捷。

4 实际应用情况

目前，基于WF-IoT的智能建筑物联网工程解决方案已在中电彩虹光电·智慧工厂、中国建材·植物工厂、多地中小学健康光环境改造、东莞协同创新中心、陕西省体育训练中心、济北·智造小镇、成都国金中心、西安国税大夏等多个项目中得到应用，其全无线极简架构、全自动无感智能、一键式极简智能等特点深受业主或用户好评。特别是随着智能建筑物联网系统的持续运行，WF-IoT的全无线、无感智能和自适应控制可以在满足用户舒适体验需求的同时，使整个建筑的使用能耗、管理运营成本得到极大下降[9]。

5 结 语

WF-IoT为传统的终端设备赋予了智能属性，在终端设备层上直接打通了信息壁垒，形成了互联互通的末梢网络，实现了以往依靠多套系统才能实现的功能，极大降低了新建建筑智能化和存量建筑智能升级的成本。由于末梢网络采用去中心化网格化拓扑、系统采用云边端协同架构，系统设备故障均不会导致系统失效。同时，系统还可以通过末梢网络获得现场设备的所有信息，向能源中心的优化运行提供实时控制数据。WF-IoT系统的设计建设、操作使用、管理运维简单，在智能建筑物联网工程中具有广阔的应用前景[10]。