文|南京工業(yè)大學 陸偉良 丁玉林
江蘇省計量科學研究院信息網(wǎng)絡工程質(zhì)量檢驗所 宋舒涵
眾所周知,對于一個企業(yè)和一個國家而言,僅有產(chǎn)值的發(fā)展是不夠的,必須掌握該領(lǐng)域的核心技術(shù)才能立于不敗之地,才能占領(lǐng)制高點。
物聯(lián)網(wǎng)(The Internet Of Things)是信息化和工業(yè)化發(fā)展和融合的必然結(jié)果;是信息技術(shù)和傳感/控制技術(shù)兩者融合的產(chǎn)物;是物理基礎(chǔ)設施(例如:光、機、電設備)和IT基礎(chǔ)設施融合一體的架構(gòu)。
IBM前執(zhí)行官曾提出一個重要觀點,認為計算模式每隔15年發(fā)生一次變革,物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四次計算模式。
第一次計算模式是主機終端模式,第二次是微機網(wǎng)絡模式,第三次是互聯(lián)網(wǎng),第四次就是物聯(lián)網(wǎng)。據(jù)美國IBM公司的十五年周期定律:1965年——大型機;1980年——個人計算機;1995年——互聯(lián)網(wǎng);2010年——物聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計算模式,它是互聯(lián)網(wǎng)計算模式的進一步發(fā)展。
物聯(lián)網(wǎng)來勢迅猛,前景美好,但概念寬泛,認識迥異,尚無較為準確而貼切的學術(shù)定義。
(1)美國MIT的Kevin Ashton 用“Internet of Things”描述把計算機通過網(wǎng)絡連接到真實傳感器網(wǎng)絡的世界(1999)。
(2)國際電信聯(lián)盟(ITU):物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID和智能計算等技術(shù)實現(xiàn)全世界設備互連的網(wǎng)絡(2005)。
(3)百度百科:物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。
(4)《物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究》報告(2010.4.8):物聯(lián)網(wǎng)是由具有自我標識、感知和智能的物理實體,基于通信技術(shù)相互連接形成的網(wǎng)絡,這些物理設備可以在無需人工干預的條件下實現(xiàn)協(xié)同和互動,為人們提供智慧和集約的服務。
(5)中國物聯(lián)網(wǎng)大會(2010.6.29):凡是有傳感器和傳感技術(shù)而感知物體的特性來按照固定的協(xié)議,實現(xiàn)任何時候物與物之間、人和物之間、人與人之間互聯(lián)互通,實現(xiàn)智能化識別,定位跟蹤管理的網(wǎng)絡。
筆者認為第(5)種提法最為客觀全面,對物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵是指物與物、人與物及人與人之間的互聯(lián)互通的全新技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層三層結(jié)構(gòu)組成,如圖1所示。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)
(1)感知層為物件通過傳感或(和)執(zhí)行設備聯(lián)網(wǎng),構(gòu)成傳感/控制網(wǎng)。
(2)網(wǎng)絡層為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧(包括TCP/IP網(wǎng)絡平臺、互聯(lián)網(wǎng)應用協(xié)議)。
(3)應用層為基于Web瀏覽器應用。
圖2為物聯(lián)網(wǎng)的應用方案,感知層是由傳感網(wǎng)及RFID閱讀器組成;網(wǎng)絡層包括接入網(wǎng)和通信網(wǎng);而應用層是由中間件和應用方案組成。應用方案包括綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、城市管理、遠程醫(yī)療、智能家居、智能交通、環(huán)境檢測等八方面組成。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)的組成
1995年,比爾·蓋茨在《未來之路》中提及物聯(lián)網(wǎng),但當時這個新概念沒有引起太多的關(guān)注;1999年,在美國召開的移動計算和網(wǎng)絡國際會議提出:傳感網(wǎng)是下一個世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇;2005年, ITU發(fā)布互聯(lián)網(wǎng)報告2005,即物聯(lián)網(wǎng)。預測物聯(lián)網(wǎng)的建立將帶來10億量級的信息設備、30億量級的智能電子設備、5000億量級的微處理器,萬億以上的傳感器需求,是下一個萬億級信息產(chǎn)業(yè)引擎,為計算機、互聯(lián)網(wǎng)后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。
2009年,奧巴馬就任總統(tǒng)后,1月28日與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次圓桌會議,IBM首席執(zhí)行官首次提出“智慧地球”概念。這一概念提出以后,受到美國各界高度關(guān)注。
物聯(lián)網(wǎng)真正引起中國公眾關(guān)注是從2009年8月份開始。溫家寶總理到中科院無錫高新微納傳感工程技術(shù)研發(fā)中心考察表示:在傳感網(wǎng)發(fā)展中,要早一點謀劃未來,早一點攻破核心技術(shù)。提出“感知中國”的重要論點,引起世界關(guān)注。
溫家寶總理在2009年11月3日發(fā)表題為《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的重要講話,把物聯(lián)網(wǎng)列為國家五大信息產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略之一。
2010年3月5日,溫家寶總理在人大和政協(xié)“兩會”政府工作報告中指出,要加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應用,物聯(lián)網(wǎng)首次被寫進政府工作報告,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進入了國家層面的視野。據(jù)悉,中國已經(jīng)規(guī)劃在2020年之前投入3.86萬億元資金用于物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)。
工信部:物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展成為2010年我國信息產(chǎn)業(yè)的三大發(fā)展目標之一;由工信部和國標委領(lǐng)導,成立物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)合工作組;三大電信運營商、國家廣電總局等均制定物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃。
(1)傳感器網(wǎng)絡技術(shù)
該技術(shù)將無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過Ad hoc方式連接起來,各節(jié)點能根據(jù)環(huán)境的變化自主地完成網(wǎng)絡自適應組織和信息的傳遞;節(jié)點間采用多跳方式進行通信,傳感器網(wǎng)絡的信息通過接入網(wǎng)關(guān)傳遞到承載網(wǎng)絡。
(2)射頻識別技術(shù)
射頻識別(RFID)系統(tǒng)主要包括標簽、閱讀器(含天線)、中間件。RFID是通過電磁耦合原理來實現(xiàn)通信,方式上有主動式、被動式和半主動式。由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成。RFID與移動信息化實現(xiàn)了有機結(jié)合,有助于物流、資金流、信息流的三流合一,應用范圍非常廣泛。
(1)接入網(wǎng)關(guān)技術(shù)
接入網(wǎng)關(guān)完成應用末梢各節(jié)點信息的組網(wǎng)控制和信息匯集,及完成向末梢節(jié)點下發(fā)信息等轉(zhuǎn)發(fā)功能。由于末梢各節(jié)點的組網(wǎng)和通信協(xié)議往往不同,在相當長的時間里,接入網(wǎng)關(guān)還起到私有協(xié)議和標準協(xié)議的轉(zhuǎn)化功能。
(2)IPv6技術(shù)
IPv6地址長度為128bit,地址空間增大了2的96次方倍,徹底解決了IPv4地址不足的難題,基本滿足每個物體都接入互聯(lián)網(wǎng)的需求。同時,IPv6使用更小的路由表,增強了對組播的支持和對流的支持,增加了對自動配置的支持。
(3)ONS技術(shù)
域名解析服務(DNS)是將一臺計算機定位到因特網(wǎng)的某一具體地點的服務。在物聯(lián)網(wǎng)里,對象名解析服務(ONS)是一個自動的網(wǎng)絡服務系統(tǒng),提供把一個物體定位到物聯(lián)網(wǎng)的某一具體地點的服務。
(1)情景感知技術(shù)
情景感知(Context Awareness)技術(shù)賦予物聯(lián)網(wǎng)中的物體檢測和感知它所處環(huán)境或狀態(tài)變化的能力。該技術(shù)可以幫助各智能系統(tǒng)更好地跟蹤環(huán)境和狀態(tài)變化,以提供優(yōu)質(zhì)的服務。
(2)云計算技術(shù)
云計算技術(shù)是分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)。該技術(shù)把分散在各地的高性能計算機用高速網(wǎng)絡連接起來,以Web界面接受各地科學工作者提出的計算請求,并將之分配到合適的結(jié)點上運行。對于用戶,可以像使用水電一樣地使用隱藏在物聯(lián)網(wǎng)背后的計算和存儲資源,強大而方便。
從目前來看,我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展速度很快,但是離掌握物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)還有很大差距。我們不能只滿足于應用,還要在開發(fā)掌握核心技術(shù)上下功夫。
所謂綠色智能建筑,就是用綠色的觀念和方式進行的規(guī)劃、設計、開發(fā)、使用和管理,執(zhí)行統(tǒng)一的綠色建筑標準體系,并由獨立的第三方進行認證和管理的建筑。綠色建筑是節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)建筑的總稱,智能化包括BA、OA、CA、FA、SA等5A技術(shù)。
由筆者在國內(nèi)首次提出的綠色智能建筑組成三角形,如圖3所示,綠色建筑是總綱、方向和目標,智能化是技術(shù)、方法和手段。
圖3 綠色智能建筑組成三角形
筆者認為綠色智能建筑四大核心技術(shù)為:智能建筑集成技術(shù)、智能建筑控制技術(shù)、綠色節(jié)能技術(shù)、綠色機房技術(shù)。
4.2.1 智能建筑集成技術(shù)
智能建筑的核心是系統(tǒng)集成,是提高智能建筑運營管理和增值服務競爭力的關(guān)鍵。老版《智能建筑設計標準》(GB/T 50314-2000)提出的智能化系統(tǒng)集成包括:系統(tǒng)與信息集成、功能集成、網(wǎng)絡集成、軟件集成等內(nèi)容。智能化系統(tǒng)集成目標是:信息共享、網(wǎng)絡融合、功能協(xié)同;提供樓宇信息增值功能和服務,提高物業(yè)及設施管理的效率和效益。
新版《智能建筑設計標準》(GB/T 50314-2006)提出了集成技術(shù)這個新概念。智能化集成系統(tǒng)(IIS)將各種不同的建筑智能化系統(tǒng),通過統(tǒng)一的信息平臺實現(xiàn)集成,以形成具有信息匯集、資源共享及優(yōu)化管理等綜合功能的系統(tǒng)?!爸悄芑到y(tǒng)構(gòu)成宜包括智能化系統(tǒng)信息共享平臺建設和信息應用功能實施”,新標準中指出智能化系統(tǒng)配置應符合以下要求:
(1)應具備對各智能化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信、信息采集和綜合處理的能力。
(2)集成的通信協(xié)議和接口應符合相關(guān)技術(shù)標準。(3)應實現(xiàn)對各智能化系統(tǒng)進行綜合管理。(4)支撐工業(yè)業(yè)務系統(tǒng)及物業(yè)管理系統(tǒng)。(5)應具備可靠性、容錯性、易維護性和擴展性。
兩層次網(wǎng)絡與集成界面:
(1)IBMS第一層次網(wǎng)絡與集成界面——實現(xiàn)智能樓宇管理的功能為主。
(2)BMS第二層次網(wǎng)絡與集成界面——實現(xiàn)智能樓宇各實時監(jiān)控子系統(tǒng)的集成,以服務功能為主。
(3)分兩層次集成界面組成結(jié)構(gòu)的一個最大優(yōu)點是用戶可采取先上BMS系統(tǒng),在有條件時再擴展和提升BMS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)為IBMS集成系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),以利于用戶分階段實施。由系統(tǒng)集成(SI)到集成系統(tǒng)(IS)是質(zhì)的提升。
4.2.2 智能建筑控制技術(shù)
(1)BAS系統(tǒng)在節(jié)能中的作用
BAS 在采集樓宇數(shù)據(jù)、分析樓宇狀況的數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,對樓宇實施管理,從而提出節(jié)能方案。
①能源管理和測量的方案
采用流量、溫度等傳感器及數(shù)字能源檢測器對能源測量后進行集成,在分析過程中可以查看多個設備負荷的綜合報表、能耗報表、成本定位報表等,這些數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng)頁查看,可對系統(tǒng)的運行及計劃進行分析并提出控制方案,控制內(nèi)容包括:峰值需求限制、優(yōu)化重設、日程表、VAV、VVVP等。
②節(jié)能優(yōu)化(SSTO)控制
通過可變時間設備(系統(tǒng)開始和終止時間依賴內(nèi)部或外部溫度)、最佳開始時間和基于系統(tǒng)計算等三種形式,確定系統(tǒng)開始和終止時間,以獲得節(jié)能效果。
③峰值需求限制(PDL)
降低系統(tǒng)的峰值需求也是一種節(jié)能的形式,智能大樓對峰值需求限制的功能可以實現(xiàn)降低電力負荷的效果。如家庭取暖的高溫限制,當室內(nèi)太熱時應該關(guān)閉燃燒器,這樣既避免危險又起到節(jié)能的作用。
(2)VVVP系統(tǒng)節(jié)能
VVVP的定義是變風量(Variable Volume)與變壓力雙重控制。
① VAV系統(tǒng)(Variable Air Volume)
早期的VAV系統(tǒng)對空調(diào)的控制是對各系統(tǒng)的各個Box相互影響,系統(tǒng)極易發(fā)散,對擾動調(diào)節(jié)能力差,經(jīng)改進的VAV系統(tǒng)為壓力無關(guān)型、風受靜壓恒定系統(tǒng)的控制為風受靜壓控制和VAV Box溫度控制兩個獨立部分,且解決了系統(tǒng)發(fā)散以及對擾動調(diào)節(jié)能力差的問題,因而定靜壓VAV是比較節(jié)能的,但實際能耗要大于現(xiàn)設值。而且,仍然存在只能應用于小型VAV系統(tǒng)、對擾動調(diào)節(jié)時間長、線性反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。
最大風門變靜壓控制不能用于大型VAV系統(tǒng)。
② VVVP系統(tǒng)
VVVP系統(tǒng)(變風量與變壓力的組合)能用于大型VAV系統(tǒng),系統(tǒng)穩(wěn)定好,對于擾動調(diào)節(jié)時間短。因此它是一個在應用上優(yōu)化的VAV系統(tǒng),是一個帶有VSD風機控制和分布式BAS的系統(tǒng)。
VVVP系統(tǒng)減少風機能耗的示意圖,如圖4所示。
VVVP的運行原理為:
◆建立風管壓力模型,用于計算末端需要的最大壓力;
◆對于給定的風量設定點,模型實時得出需要的壓力需求;
◆風機控制器選定最大壓力需求作為風力控制的設定點。
③節(jié)能效果
以西雅圖的一個醫(yī)療研究中心為例:原先采用VAV系統(tǒng),雙風機,每個50馬力帶調(diào)節(jié)錐,改裝為VVVP后,風機使用VSD,年度總節(jié)能20萬kWh。
圖4 VVVP風機控制圖
4.2.3 綠色節(jié)能技術(shù)
綠色節(jié)能技術(shù)包括:冰蓄冷空調(diào)技術(shù)、太陽能熱水及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、風力發(fā)電技術(shù)、地熱泵空調(diào)技術(shù)等。
(1)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導體材料的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由以下幾個部分組成:
①光伏組件:一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置,幾乎全部以半導體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。
②控制器:連接太陽電池組件、各種用電設施和蓄電池組的中心。通過對系統(tǒng)輸入輸出功率的調(diào)節(jié)與分配,實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的各種控制。
③蓄電池或蓄電池組:光伏系統(tǒng)的儲能裝置。
④逆變器:將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?,提供交流負載使用的電氣設備。
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢:無噪音、無污染、永不枯竭、安全系數(shù)極高、不受資源分布的地域限制、無需消耗燃料或鋪設輸電線路等。
(2)風力發(fā)電技術(shù)
把風的動能轉(zhuǎn)變成機械動能,再把機械動能轉(zhuǎn)化為電力動能,這就是風力發(fā)電。風力發(fā)電的原理,是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn),再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升,來促使發(fā)電機發(fā)電。風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大,全球的風能約為2.74×109MW,其中可利用的風能為2×107MW,比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。中國風能儲量很大、分布面廣,僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。
自2004年以來,全球風力發(fā)電能力翻了一番,2006年至2007年間,全球風能發(fā)電裝機容量擴大27%。2007年已有9萬兆瓦,2010年16萬兆瓦。預計未來20~25年內(nèi),世界風能市場每年將遞增25%。2006年,中國風電累計裝機容量已經(jīng)達到260萬千瓦,成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。2008年8月,中國風電裝機總量已經(jīng)達到700萬千瓦,占中國發(fā)電總裝機容量的1%,位居世界第五,這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。
風力發(fā)電的優(yōu)點:清潔,環(huán)境效益好、可再生,永不枯竭、基建周期短、裝機規(guī)模靈活。
(3)地源熱泵技術(shù)
地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源(也稱地能,包括地下水、土壤或地表水等),既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。通常地源熱泵消耗1kW的能量,用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上的冷量,所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分為三部分:室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。
地源空調(diào)的特點:
①環(huán)保作用突出:無污染物排放;對地下水資源沒有損耗、污染;對地質(zhì)結(jié)構(gòu)不會造成影響。
②節(jié)能效果顯著:制冷系數(shù)在6以上,制熱系數(shù)在5以上,比傳統(tǒng)的中央空調(diào)高40%左右;一機多用,一套設備可以滿足制冷采暖需求,又可以提供衛(wèi)生熱水。
地源熱泵可利用的低位熱源水有地下水、海水、城市污水、洗浴廢熱水、江河湖水等。
4.2.4 綠色機房技術(shù)
新一代的綠色機房,是從社會發(fā)展和環(huán)保節(jié)能的角度提出的,指機房各系統(tǒng)均遵循最大能源節(jié)約及最低環(huán)境影響的設計原則,同時采用先進的技術(shù)與策略。
綠色機房建設不僅僅是局限在機房的某一個節(jié)能的設備上,它包含了整個機房的建設。它是一個系統(tǒng)工程,貫穿在機房的前期規(guī)劃選址,中期的設計施工,后期運維管理等整個機房的生命周期。單靠購買某個或者成套的數(shù)據(jù)中心設備并不能實現(xiàn)完整意義上的綠色機房。
能源使用效率PUE(Power Utilization Efficiency)是一個當前業(yè)界普遍認可的衡量機房運營、管理水平,是綠色、節(jié)能、環(huán)保的重要指標。
PUE是一個大于1的比率,越接近1表明機房能效水平越好。
當前,還未有任何政府部門或綠色環(huán)保組織對綠色機房制訂出評判標準。業(yè)內(nèi)僅根據(jù)當前機房現(xiàn)實情況和本身的認識,給綠色機房從依據(jù)PUE值方面定了個標準,其PUE值必須要在2以下。目前國內(nèi)可達2.5~3.5,而國外先進技術(shù)可達1.15。
綜上所述。我國在綠色智能建筑核心技術(shù)上只是部分掌握,還需要努力,希望引起主管部門的重視。
基于物聯(lián)網(wǎng)B/S訪問模式,在瀏覽器上對系統(tǒng)進行故障分析、能耗管理、設備監(jiān)控和物業(yè)管理等。瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧對各個子系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理。
數(shù)字城市按物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實施,瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧對城市各個行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)(包括智能建筑)進行監(jiān)控和管理。
中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值2009年已突破1000億元。據(jù)悉,中國已經(jīng)規(guī)劃2020年之前投入近4萬億元資金用于物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)。這些行情必定會促進我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。
近年來,國內(nèi)幾起自主的智能家居的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已推向市場。但是我國智能建筑物聯(lián)網(wǎng)標準應該先行,需要住建部、工信部、公安部、廣電總局等各個部門共同努力。
物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨,這是產(chǎn)品、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、維管模式等自主創(chuàng)新的大好機遇,具體體現(xiàn)在:
(1)傳感器微芯化,特別是中高檔的傳感器,嵌入到設備中。
(2)產(chǎn)品數(shù)字化,就可實現(xiàn)系統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡的支撐,最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
(3)資源網(wǎng)站化,控制器、一體化終端等設備可內(nèi)嵌Web Server,采用B/S訪問模式,開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應用。
(4)物聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)支持了維管服務社會化,有助于發(fā)展智能建筑第三產(chǎn)業(yè)。
(5)物聯(lián)網(wǎng)搜索引擎產(chǎn)業(yè)得到發(fā)展。
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