蔡柳萍，諶 頏，鐘 健，何韋穎

（1廣州理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 廣東 廣州 510540）

（2廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 511442）

1 引言

樓宇是辦公、教學(xué)、生活的重要場(chǎng)所，是學(xué)校最重要的資產(chǎn)。因此，為了在未來實(shí)現(xiàn)智能校園和教育大數(shù)據(jù)，智能樓宇管理必須是重要基礎(chǔ)之一。目前，學(xué)校建筑的照明系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、空調(diào)等電力設(shè)施的問題都是靠人工管理。具體來說，樓宇、樓層、房間的用電控制管理和用電相互獨(dú)立[1]，沒有統(tǒng)一管理，導(dǎo)致工作量大、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確、浪費(fèi)電量等諸多問題。

2 平臺(tái)研究

2.1 問題陳述

主要問題：本研究的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)和云應(yīng)用技術(shù)的樓宇管理智能控制平臺(tái)。具體而言，需解決以下問題。

（1）利用RFID、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)。

（2）利用無線通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、微信小程序、APP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用管理。

（3）在云中收集和交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)。

（4）解決時(shí)間、地點(diǎn)、時(shí)長(zhǎng)、功耗等數(shù)據(jù)管理和可視化問題。

（5）在PC控制終端或移動(dòng)終端上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能交互控制、統(tǒng)計(jì)和人像。

（6）解決平臺(tái)運(yùn)行過程中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控問題，實(shí)現(xiàn)流量異常預(yù)警，從而避免網(wǎng)絡(luò)流量異常導(dǎo)致設(shè)備控制失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 假設(shè)研究

具體假設(shè)如下。

（1）目前的網(wǎng)絡(luò)中心云計(jì)算服務(wù)器可以滿足平臺(tái)的前期運(yùn)營。

（2）在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有能力對(duì)關(guān)鍵算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）智能電源設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)可以兄弟院校支持。

（4）主流的設(shè)計(jì)工具和開發(fā)方法可以滿足服務(wù)器、Web和移動(dòng)軟件開發(fā)的需求。

（5）項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)良好的研究基礎(chǔ)和團(tuán)隊(duì)合作能力可以保證項(xiàng)目的成功實(shí)施。

（6）項(xiàng)目資金基本能夠滿足本項(xiàng)目的資金需求。

（7）網(wǎng)絡(luò)中心擁有一批高性能計(jì)算機(jī)，良好的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和存儲(chǔ)環(huán)境，滿足項(xiàng)目的軟硬件要求。

2.3 研究意義

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，通信方式從人發(fā)展到了人和物。本項(xiàng)目將研究基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)的智能樓宇管理平臺(tái)，以求實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的分散及集中管理，為學(xué)校員工、學(xué)生、商戶提供良好的用電管理環(huán)境；（2）為學(xué)校各用戶提供更方便、快捷的用電控制管理方法，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用電情況，降低能耗，為學(xué)校降低管理成本；（3）智能控制平臺(tái)增加設(shè)備更容易，改造成本低。

2.4 研究?jī)?nèi)容

本研究主要目的為實(shí)現(xiàn)我校樓宇電氣設(shè)施的智能化管理和運(yùn)行控制。這項(xiàng)研究于2018年10月啟動(dòng)，持續(xù)兩年多，預(yù)計(jì)將于2021年6月完成。項(xiàng)目組成員5人，團(tuán)隊(duì)具有良好的研究基礎(chǔ)和團(tuán)隊(duì)合作能力。下文將從內(nèi)容和覆蓋面兩個(gè)方面介紹本研究的總體內(nèi)容。研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面。

（1）電源適配器控制模塊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以最小的工作量改造現(xiàn)有的電源接口。

（2）設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，優(yōu)化通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，進(jìn)行通信測(cè)試。

（3）開發(fā)數(shù)據(jù)交換接口標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用接口開發(fā)。

（4）設(shè)計(jì)開發(fā)云服務(wù)器軟件和用戶終端軟件，包括云計(jì)算數(shù)據(jù)中心和管理后臺(tái)、Web應(yīng)用、APP等。

（5）設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)采樣、驗(yàn)證、智能控制測(cè)試、優(yōu)化等。

（6）樓宇管理智能控制平臺(tái)集成及驗(yàn)收測(cè)試。

2.5 最終產(chǎn)品

本研究的最終產(chǎn)品分為軟件和硬件兩部分。軟件包括Web管理端、微信Mini Program或APP、運(yùn)行在云服務(wù)器上的應(yīng)用接口。硬件包括智能電源、智能網(wǎng)關(guān)和智能門鎖。本研究將基于IPv6網(wǎng)絡(luò)通信，將遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心的方法采用TCP連接，數(shù)據(jù)包采用JSON格式[2]。下行數(shù)據(jù)通過HTTP連接，為遠(yuǎn)程客戶提供數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等應(yīng)用，數(shù)據(jù)包也是以JSON格式傳輸。另外，在目前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小的情況下，研究數(shù)據(jù)中心前端采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，后期在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大的情況下，采用TRILL技術(shù)進(jìn)行改造，即目前的網(wǎng)絡(luò)中心云計(jì)算服務(wù)器可以滿足前期運(yùn)營[3]。軟件開發(fā)采用面向服務(wù)的SOA開發(fā)模式。最后，智能供電設(shè)備的樣本必須滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，必須利用JSON和XML的混合技術(shù)建立數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。集成測(cè)試時(shí)，應(yīng)選擇2～3個(gè)房間作為試點(diǎn)，測(cè)試平臺(tái)的硬件和軟件，優(yōu)化集成方案。

3 用戶需求分析

為了開發(fā)出真正滿足用戶需求的軟件產(chǎn)品，需要明確了解用戶的需求。當(dāng)前大部分的用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的操作仍然不是很熟悉，對(duì)于計(jì)算機(jī)能做什么不能做什么沒有明確的概念，而開發(fā)人員對(duì)用戶所在的領(lǐng)域也不是很熟悉，因此用戶與開發(fā)人員之間對(duì)問題就會(huì)存在理解的差異。因此，如何進(jìn)行充分有效的溝通至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)校樓宇設(shè)施的智能化管理，在需求分析階段，必須明確系統(tǒng)相關(guān)人員的需求，因此我們的調(diào)查對(duì)象包括電教室管理員、實(shí)驗(yàn)室管理員、各辦公室主要負(fù)責(zé)人、圖書管理員、學(xué)生、宿舍管理員、學(xué)校管理領(lǐng)導(dǎo)等，基本覆蓋全校各類人員。由于涉及的人員規(guī)模較大，我們根據(jù)不同的工作從每個(gè)崗位隨機(jī)抽取一名受訪者，共有12名受訪者接受了我們的一對(duì)一訪問。

3.1 需求獲取方法

獲取需求的方法有很多種，本次我們采用的是一對(duì)一的面談法。面談法是讓開發(fā)人員與用戶進(jìn)行一對(duì)一的面談，從而相對(duì)準(zhǔn)確地了解到用戶的想法。由于本系統(tǒng)涉及的用戶多種多樣，所以我們必須根據(jù)用戶的身份特點(diǎn)來進(jìn)行提問，從而獲取我們想要的信息。面談法具有一定的私密性，讓開發(fā)人員與受訪者可以直率交流，非常適用于在初步理解整體概念的情況下討論和交流一些細(xì)節(jié)問題，而且研究者能夠限制受訪者在本研究范圍內(nèi)進(jìn)行回答，可以挖掘到更深層次的用戶需求。

3.2 數(shù)據(jù)收集

（1）我們走訪了實(shí)驗(yàn)室老師和宿舍管理人員，了解了目前的管理情況，收集了相關(guān)人員對(duì)設(shè)備和電源管理的要求。

（2）我們參觀了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，了解了供電、用電設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化管理的現(xiàn)狀和需求，決定與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同設(shè)計(jì)該研究系統(tǒng)的電源適配器和智能電箱。

3.3 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過與受訪者的訪談，我們獲取了相關(guān)需求，并對(duì)需求進(jìn)行了分析。由此可知，本研究中的智能樓宇系統(tǒng)主要包括用電監(jiān)控、自動(dòng)開關(guān)控制、窗簾智能管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能安防、人體感應(yīng)、視頻監(jiān)控、門鎖控制等功能。

3.3.1 用電監(jiān)控系統(tǒng)

具有電氣參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常事故報(bào)警、事件記錄打印、統(tǒng)計(jì)報(bào)表整理打印、電能成本管理、負(fù)荷監(jiān)控等綜合功能。配電智能監(jiān)控管理系統(tǒng)使供電系統(tǒng)運(yùn)行更加安全、合理、經(jīng)濟(jì)，提高了供配電系統(tǒng)的可靠性。

3.3.2 自動(dòng)開關(guān)控制系統(tǒng)

自動(dòng)開關(guān)控制系統(tǒng)使用照明控制面板、無線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)樓宇照明的自動(dòng)開關(guān)等智能控制。（1）使用遠(yuǎn)程照明管理方法，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)照明、自動(dòng)開關(guān)、定時(shí)切換等功能。（2）手動(dòng)照明控制模式，人工對(duì)照明控制面板進(jìn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)手動(dòng)的控制各照明開關(guān)。

3.3.3 窗簾智能管理系統(tǒng)

窗簾智能管理系統(tǒng)使用無線網(wǎng)絡(luò)、窗簾電機(jī)、導(dǎo)軌等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)窗簾的智能控制。窗簾控制具有遠(yuǎn)程控制功能，可以遠(yuǎn)程切換窗簾。還可以通過人工對(duì)窗簾控制面板進(jìn)行操作，手動(dòng)的控制窗簾的開和關(guān)。

3.3.4 空調(diào)智能管理系統(tǒng)

空調(diào)智能管理系統(tǒng)使用智能遙控器，對(duì)樓宇內(nèi)空調(diào)、投影儀等紅外遙控設(shè)備進(jìn)行智能化控制。智能遙控器與室內(nèi)溫度、濕度傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開或關(guān)閉各紅外遙控設(shè)備（空調(diào)、投影儀等）。

3.3.5 環(huán)境監(jiān)測(cè)

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、PM2.5、照度等的監(jiān)測(cè)。在空間中，特別是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度監(jiān)測(cè)，可以通過設(shè)定閾值來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

3.3.6 智能安防系統(tǒng)

智能安防系統(tǒng)包含聲光報(bào)警器、攝像頭、溫度濕度傳感器、人體檢測(cè)傳感器、煙霧傳感器、應(yīng)急按鈕等設(shè)備。各設(shè)備協(xié)同工作，一旦檢測(cè)到異?，F(xiàn)象，自動(dòng)啟動(dòng)安防系統(tǒng)，對(duì)樓宇內(nèi)機(jī)房、辦公室等房間實(shí)施安全監(jiān)控。

3.3.7 門禁管理系統(tǒng)

門禁管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)機(jī)房、教室、辦公室門的遠(yuǎn)程開啟與遠(yuǎn)程關(guān)閉?；赥CP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程啟閉模式，可實(shí)現(xiàn)教室門禁定時(shí)自動(dòng)啟閉、授權(quán)人員遠(yuǎn)程啟閉、自動(dòng)報(bào)警開啟等[4]。RFID高頻卡授權(quán)模式的使用，使授權(quán)管理人員可以使用RFID高頻卡對(duì)出入境日志進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理。

4 研究方法分析

4.1 研究方法

計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的研究不同于社會(huì)科學(xué)項(xiàng)目的研究，研究方法主要采用結(jié)構(gòu)化方法，遵循軟件工程原理。本項(xiàng)目的研究方法主要包括理論和技術(shù)研究、調(diào)查、討論、建模、樣本開發(fā)、設(shè)備調(diào)試、算法設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析等。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究旨在研究一套可應(yīng)用于照明、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電源等電氣設(shè)施智能管理以及關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法和解決方案。研究人員遵循軟件工程的開發(fā)步驟來收集數(shù)據(jù)和研究具體問題。第1步是進(jìn)行可行性研究，確定是否開發(fā)該項(xiàng)目。第2步是分析需求，確定系統(tǒng)的功能性和非功能性需求。第3步是系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在概要設(shè)計(jì)階段，確定模塊的劃分和模塊之間的關(guān)系。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，確定各個(gè)模塊的具體算法，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。第4步通過編碼實(shí)現(xiàn)軟件。第5步測(cè)試軟件，同時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。第6步是項(xiàng)目軟件的操作和維護(hù)。

該系統(tǒng)主要由設(shè)備電源監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、控制云平臺(tái)3個(gè)部分組成，見圖1。教學(xué)設(shè)備監(jiān)控部分主要包括RFID電子標(biāo)簽、設(shè)備適配器（包括RFID讀卡器、單片機(jī)系統(tǒng)、ZigBee節(jié)點(diǎn)、電量采集和繼電器單元）；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要包括ZigBee、Wi-Fi、以太網(wǎng)口等模塊；控制云平臺(tái)主要包括云服務(wù)器、PC終端和移動(dòng)終端。

圖1 系統(tǒng)組成圖

其中，本項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計(jì)包括：（1）功率檢測(cè)和控制設(shè)計(jì)。（2）物聯(lián)網(wǎng)主控模塊設(shè)計(jì)方案。（3）樓宇管理智能控制平臺(tái)（教室、實(shí)驗(yàn)室）建設(shè)方案。（4）樓宇管理智能控制平臺(tái)的基本方案。（5）樓宇管理智能控制平臺(tái)樣本方案建設(shè)及調(diào)試報(bào)告。

5 結(jié)語

本研究完成了樓宇管理智能控制平臺(tái)基本方案的制訂，確定了網(wǎng)絡(luò)通信方案，制訂了通信協(xié)議，完成了產(chǎn)品的試制，在6-203（多媒體教室）和11-610（非線性編輯實(shí)驗(yàn)室）兩個(gè)房間進(jìn)行安裝、調(diào)試和試運(yùn)行。2020年11月至2021年5月，一直在進(jìn)行軟件的優(yōu)化調(diào)試和程序的優(yōu)化。