基于物联网的建筑设备 CPS体系结构的构建

张瀛日 1 张敬 2 纪昕洋 3

沈阳和广房地产开发有限公司 2.沈阳铧恒置业有限公司 3.沈阳城市建设学院 沈阳 110000

　　摘要：控制网络出现打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局，为工业数据的集中管理与远程传送，为自动化系统之间的沟通创造了条件。控制网络跟办公网络和Internet的结合拓宽了控制系统的视野与作用范围，为实现企业的管理控制一体化、实现远程监视与操作提供了基础条件。

关键词:智能建筑；CPS；物联网

引言

对比物联网的最初概念，通俗意义上讲物联网就是在工业控制网络基础上将单个的控制系统通过通信技术将其连接到互联网中，指连接物品到物品的网络，实现物品的实时管理和智能化识别。

1 物联网功能结构

物联网也可以看作是物理空间与信息空间的结合.将连接在一起的事物数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境间实现高效信息交互方式，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界^[1]。

2 CPS概述及体系构架

信息物理融合系统(CPS)是物理环境和工程系统的结合，通过计算和通信来对该系统进行监控、协调、控制和集成。正如互联网改变了人与人之间的沟通方式，CPS将改变我们与围绕在我们周围物质世界的作用形式。交通、卫生保健、制造业、农业、能源、国防、航天和建筑物等重要的经济领域要想真正实现网际互联，CPS系统还存在着许多重大的挑战。随着CPS概念的出现，它的设计、结构和实行也随之而来并带来了大量的技术挑战，这些难题必须由来自不同领域的研究者和教育者共同努力来解决^[2]。

3智能建筑监控的CPS构建

3.1基于CPS的智能监控系统的总体设计

现代建筑系统是由相互作用的供电系统、换热系统和供水系统组成的。宏观上，统计分析建筑物的用电量约为总用电量的70%，40%的温室气体都是由建筑物排放出来的。根据来自SMART2020报告可知，在不远的将来是可以减小温室气体的排放量，而这种可能性就在于构建智能电网系统和智能建筑系统。目前研究者将目光聚焦在刚刚出现的物理融合系统，建筑智能化领域的带头人这是一个很好的机会建立一个基于CPS的智能建筑体系。无论是能源使用还是能源优化，CPS一定会实现对建筑能耗的实时监控。

根据SMART2020会议预测，2020年在工作和家庭中个人计算机和笔记本的能源使用量将大大超过所有数据中心的能耗使用量。当将人类的活动空间与计算机技术、通信技术和控制技术结合在一起，这对实现建筑的智能化是十分重要的。要想实现建筑节能与环保的目标唯一的选择就是利用建筑智能化技术。因此，建筑智能化的前景是十分广阔的。一方面是通过构建基于CPS构架的能耗监控系统对建筑环境参数及空调、照明、给排水、电梯等设备进行实时监测与控制，在条件满足的前提下，优化设备运行和资源配置，节约能源，减少电厂大气污染物的排放，保护环境。保证资源的有效使用和动态配置，减少资源浪费，实现资源的可持续发展。

3.2 现场采集及协议处理层设计

数据采集网络在整个建筑监测系统中处于一个非常重要的位置，在建筑中每个采集模块将对电表、水表或其他需要监控设备上的数据进行采集，并将采集到的数据传送到数据采集中心。目前采集网络主要有两种形式，一种是总线型网络另一种是无线网络。随着传感器技术的发展，传感器网络越来越多的被应用到数据采集网络中，虽然无线网络安装比较简单，不用像总线型网络那样进行布线，但是无线网络毕竟是最近几年新型的，其可靠性和技术成熟度还没有达到理想中的要求。

总线控制系统把集散型控制系统中的集中与分散相结合的概念变成了新型的全分布式测控系统。作为工厂数字通信网络的基础，现场总线控制系统沟通了生产过程现场控制设备之间以及与更高控制管理层之间的联系：它向下深入到现场的每一台仪表、执行机构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面。目前，现场总线技术主要用于过程从工业控制自动化推广到制造自动化、楼宇自动化等领域，在无线传感网络技术发展如此盛行的时代，总线技术依然占据着重要的地位。目前的总线技术提高了系统的精度和自诊断功能，现场设备也具有了智能和自治的特点。

协议处理层设计也是本文研究的主要内容，由于能耗监测系统的数据采集网络所使用的采集方式不同，例如总线形式不同、采用不同的无线采集网络，因此传输网络中所使用的通信协议也是不同的，当采集数据传输到数据处理中心时，那么计算机就要对大量的数据进行处理，这就对计算机的处理能力提出了更高的要求。因此，为降低计算机需要处理的数据量，主要研究了协议处理层，该层包括协议识别技术和中间件技术。

协议识别起到协议分类的作用，将不同类别的协议进行分类。协议识别的算法主要有基于端口、基于负载、基于测度等基本的算法，目前也有一些新的方法如基于正则表达式的协议分类算法。但事实证明基于端口、负载和测度的算法已经过时不再适用于现在的网络，而通过正则表达式来进行分类的算法则显得过于复杂。在本文的协议处理层中的协议识别算法则使用基于决策树的决策算法。

中间件的作用是实现对不同传输协议使用XML描述语言进行描述，将不同形式的数据内容进行统一化，这样可以实现不同建筑监控系统中数据的相互调用，同时也提高的数据的准确程度，例如对同一个供电回路的监控可以使用总线形式和无线形式两种相结合的方式，那么这两种传输数据所采用的方式就不同，如何将这两种数据融合并通过对这些数据综合有效的分类来达到对现场的准确控制，这是中间件技术所要完成的任务。

4小结

本文主要是通过对CPS的研究背景、挑战和系统结构的分析来构建智能建筑的监测系统。在CPS的体系构架下并结合现代对建筑能耗监控的需求，设计了智能建筑监控系统。建筑监控系统的物理层采用比较成熟的总线技术来完成数据的采集工作，在异构网络环境背景下，对建筑环境中异构网络中的协议处理设计了基于协议识别和中间件的中间处理层了，协议识别实现对不同的协议进行分类，中间件对分类的数据进行统一处理。这个系统也许只是未来CPS体系中的一个很小的部分，但它却对CPS的发展有着重要的意义。

参考文献

[] 孙其博，刘杰，范春晓. 物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010,第33卷(3)：1-9.

[2] 沈苏彬，范曲立，宗平等. 物联网的体系结构与相关技术的研究[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2009，第29卷(6)：1-11.