基于WF-IoT的智能建筑物聯網工程解決方案

文 海，孫長征

（西安優勢物聯網科技有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

智能建筑是通過對建筑物的結構、系統、服務和管理進行最優組合，為人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環境[1]。而物聯網工程則是物聯網系統在智能建筑上合理部署所涵蓋的工程實體，是智能建筑向人們展現其智能的基礎。現行智能建筑物聯網工程通常采用平臺化解決方案[2-3]，底層設備之間不能直接互聯互通，末端設備的采集處理和控制執行依賴綜合布線和平臺功能，比如智能照明、樓宇控制、暖通空調管控、水電氣管控、火災報警、入侵報警、視頻監控、門禁等大多是相互獨立的系統，只能在平臺層集成。由于復雜的系統架構不能橫向互聯，資源和信息難共享，智能建筑物聯網系統普遍存在工程造價高、技術整合難、使用成本大、系統擴展難等缺點。特別是隨著信息技術的快速發展，以無線通信為主要特征，具有自組織、自決策、自執行的末端智能已成為當今潮流[4]。智能建筑物聯網工程迫切需要一種全新的解決方案。

1 智能建筑對物聯網的需求分析

智能建筑因其安全、舒適和便利等特點而深受人們青睞。基于物聯網技術構建智能建筑，理想目標是使建筑內眾多設備具有語境感知能力，使其真正成為智慧城市的細胞。因此，智能建筑對物聯網的需求主要有：

（1）終端設備智能化，使終端設備由被動靜止轉變為能動智能；

（2）海量終端連通性，隨著建筑等級的提高，終端數量顯著增加且遍布整個建筑，實現各類終端互聯互通，既要解決不同接口類型終端的底層連接問題，還要解決終端的跨界或跨網信息交互問題；

（3）簡易化和節能化，需要系統架構更加柔性、扁平，使物聯網工程的建設和維護簡便易行，將設備能耗變成可控數據，為建筑節能奠定基礎。

目前，以無線通信為特征的物聯網技術[5]，常見的有3類：

（1）蜂窩物聯網以運營商為主，如GPRS、NB-IoT、3G/4G/5G等。由于每個節點需借助付費的運營商網絡通信，對擁有大量終端的智能建筑而言連接方式極不經濟。

（2）短距物聯網如WiFi、藍牙、ZigBee等，均屬私有網絡，其應用以家庭、辦公場所等小型區域為主，難以滿足商業建筑、公共建筑等海量節點、大空間的廣域環境需求。

（3）廣域物聯網其私有網絡大多采取LoRa、SigFox等低功耗網絡搭建，雖支持海量節點連接，但數據傳輸速率低，只能滿足頻度低、數據量小的應用。然而，智能建筑需要物聯網連接的終端設備數量眾多、種類復雜，既有頻度低、數據量小的應用，也有頻度高、數據量大的應用，甚至還有實時響應的應用。現有物聯網技術均難同時滿足上述需求。

2 WF-IoT概述

中高速廣域融合物聯網技術（Wide Area Fusion Internet of Things, WF-IoT）能較好滿足智能建筑物聯網的上述需求。WF-IoT是在單個物聯網芯片上融合了商用照明、識別定位和無線傳感等功能的新型物聯網技術[6]。其主要技術特性包括如下幾個方面：

（1）自組網通信，節點之間無線通信距離可達80 m，添加增益設備后可達300 m；

（2）每個子網是去中心的網格化拓撲結構，支持不少于256個分組（分區）控制，最多可接入65 535個節點；

（3）工作頻率為國家標準規定的780 MHz或2.45 GHz等免費頻點；

（4）節點的數據傳輸速率可達2 Mb/s；

（5）節點搭載輕量級、低功耗系統，傳輸數據功耗僅為毫瓦級，正常待機功耗為微瓦級；

（6）節點支持屬性和邏輯的軟定義，每個節點支持不少于64個場景控制功能。

WF-IoT系統主要包括節點設備、邊緣服務器和平臺軟件。其中：節點設備包括WF驅動器（如模擬量驅動、開關量驅動等）、WF感知器（如照度感知、溫濕度感知、人體動作感知、視頻感知等）、WF人機交互終端（如動能開關、遙控器、場景面板、觸屏控制器等）、WF控制器（如時間控制器、場景控制器等）、WF通信器（如物聯網關、網絡透傳器、耦合器、協議集成器等）等智能節點，主要解決各類終端設備的接入和通信傳輸問題；邊緣服務器用于大量終端設備的協同控制以及終端與云端通信；平臺軟件用于終端的統一管理，提供與其他業務系統進行無縫集成的API接口[7]。

3 WF-IoT方案

3.1 系統架構

基于WF-IoT構建的物聯網系統是一種云邊端協同架構，包括末梢層、傳輸層、平臺層和安全構件等四部分，具體如圖1所示。

圖1 基于WF-IoT的物聯網系統架構

（1）末梢層面向終端設備提供網絡接入，實現現場感知、計算處理、就地控制、驅動執行等功能，主要包括人機交互終端、物聯網關、感知器、驅動器、控制器、協議集成器、網絡透傳器、智能設備等，它們通過無線自組網組成一個或多個物聯網絡；

（2）傳輸層搭載在現有IP網絡上，為末梢層與平臺層間的信息交互提供傳輸和協調功能，主要包括邊緣服務器；

（3）平臺層搭載在現有信息基礎設施上，提供節點設備的配置管理、運行監測、信息處理與交互等功能，主要包括WF-IoT平臺軟件；

（4）安全構件針對物聯網系統的末梢層、傳輸層和平臺層分別提供技術及管理安全措施。

上述架構可根據實際應用需求進行裁剪。必要時，可以不含傳輸層和平臺層，由終端設備組成的末梢網絡形成獨立運行的物聯網系統，可就地實現傳感、處理、控制等功能。

3.2 主要思路

基于WF-IoT的上述物聯網系統架構，實現智能建筑物聯網工程的主要思路：

（1）智能建筑各類末端設備的接入。對于照明設備，既可以采用全新的一體化智能燈具，也可以為普通燈具配置WF驅動器；對于支持模擬量或開關量等信號驅動的末端設備，配置WF驅動器；對于具備CAN、RS 232、RS 485、ZhaGa或DMX512等通信接口的末端設備，配置耦合器、協議集成器等WF通信器。

（2）在終端設備層構建末梢網絡。在智能建筑中，照明設備是數量最多、分布最廣、能耗較大的設備，以其為基礎，可構建一個覆蓋整個智能建筑范圍且獨立于IP網絡的基礎網絡，接入末端設備；根據無感控制需求配置WF感知器；根據就地控制便利性配置WF人機交互終端和WF控制器；根據本地節點設備的協同控制或接入其他網絡（如IP網絡或紅外通信）的需要，配置物聯網關；根據增加通信距離或接入其他末梢網絡的需要，配置網絡透傳器。上述節點設備均以無線自組網方式通信，組成智能建筑末梢網絡，既可以實現靈活多樣的本地控制，也可以實現無感智能的自動控制。

（3）實現大規模物聯網系統。針對智能建筑的海量終端，在現有IP通信網絡上部署適量邊緣服務器，不僅就近解決了終端設備的協同控制問題，還可協調末梢層與平臺層間的通信問題；在私有云或公有云上部署WF-IoT平臺軟件，可統一管理海量的終端設備，且智能建筑的系統集成中心SIC也可通過開放接口對WF-IoT系統實現跨業務系統集成[8]。

3.3 技術亮點

基于WF-IoT構建的智能建筑物聯網系統，主要有以下4個技術亮點：

（1）完全自主可控：系統所有物聯網節點設備均基于自主可控的國產物聯網芯片—【唐芯】構建，從節點設備到相關軟件和協議，我國擁有完全知識產權。

（2）大規模自組網：系統可以極為方便地構建一個節點達數萬的大規模物聯子網，可以滿足大空間智能建筑的組網控制需要，可以為業主搭建一個覆蓋整個建筑物的中高速私有無線網絡，支持數據采集、設施控制、安防報警等功能和規模的快速擴展。

（3）節點級霧智能：系統支持多達64個場景的節點級無感智能，無需復雜費力的跨系統集成，即可實現全功能融合，達到現場級的全自動自適應控制，可滿足智能建筑日益增長的智能化需要。

（4）云邊端協同架構：系統所有產品采用模塊化組合設計，可根據應用需求將各項功能任意組合成符合需求的解決方案，復制、推廣、應用極為便捷。

4 實際應用情況

目前，基于WF-IoT的智能建筑物聯網工程解決方案已在中電彩虹光電·智慧工廠、中國建材·植物工廠、多地中小學健康光環境改造、東莞協同創新中心、陜西省體育訓練中心、濟北·智造小鎮、成都國金中心、西安國稅大夏等多個項目中得到應用，其全無線極簡架構、全自動無感智能、一鍵式極簡智能等特點深受業主或用戶好評。特別是隨著智能建筑物聯網系統的持續運行，WF-IoT的全無線、無感智能和自適應控制可以在滿足用戶舒適體驗需求的同時，使整個建筑的使用能耗、管理運營成本得到極大下降[9]。

5 結 語

WF-IoT為傳統的終端設備賦予了智能屬性，在終端設備層上直接打通了信息壁壘，形成了互聯互通的末梢網絡，實現了以往依靠多套系統才能實現的功能，極大降低了新建建筑智能化和存量建筑智能升級的成本。由于末梢網絡采用去中心化網格化拓撲、系統采用云邊端協同架構，系統設備故障均不會導致系統失效。同時，系統還可以通過末梢網絡獲得現場設備的所有信息，向能源中心的優化運行提供實時控制數據。WF-IoT系統的設計建設、操作使用、管理運維簡單，在智能建筑物聯網工程中具有廣闊的應用前景[10]。