随着信息技术的发展、信息产业结构的变化以及人们生活水平的提高，建筑物需要更加高效化和智能化。UN环境计划报告表明全世界大约有40% 的能源被用于建筑物的辅热、降温、照明和通风。现今的小区楼宇趋向于大型化，伴随而来的安全隐患越来越多，需要一套智能化的安全监测和管理系统。
在楼宇的监控和管理系统设计中，基于物联网实现楼宇的高效和智能化控制，符合现今智能建筑的发展趋势。给出了楼宇自动化控制的总体设计方案和子系统的监控方案。结合电梯监控的应用场景，基于LwIP 将采集的电梯状态数据上传到服务器，服务器将数据存入数据库中，实现网络通信。针对城市路灯的高效管理和节能环保的需求，设计了一种远程分布式智能路灯监控系统，通过无线传感网络实现路灯间的通信，根据环境参数的变化控制路灯。设计了基于ZigBee 路由算法的智能小区系统。
针对楼宇监控和管理系统的实际需求，本文设计了一种基于物联网的楼宇监控和管理系统。系统利用无线通信技术解决传统的智能化楼宇存在的布线繁琐、扩展性差和成本高的问题，并结合嵌入式、物联网、Web 通信、TCP /IP通信等多种技术设计实现楼宇智能化管理，支持现场自动控制的同时，也支持远程的设备管理、故障诊断和指挥调度。该系统传输速率高并且成本低、工作稳定，具有良好的市场前景。
1 系统组成和工作流程
为了获取楼宇的环境参数和设备运行状态信息，目前大多采用有线方式传输数据信息，建筑改造和线材需求都会造成不必要的麻烦和大量的成本开销。为解决这个问题，将楼宇监控管理与现今的物联网相结合，通过安装独立的传感器和数据采集设备，实现楼宇环境参数和设备运行状态远程获取以及对环境和设备的在线操作和控制。楼宇监控管理系统设计采用B/S 和C/S 的混合架构，由嵌入式数据采集子系统、数据管理子系统和Web 远程控制平台这3 个部分组成，系统总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图
基于SI4463 传感网络和AＲM 平台设计嵌入式数据采集子系统，实现复杂环境下的环境数据采集、远程命令执行以及现场自动控制和数据远程上报。嵌入式数据采集系统架构由传感子节点，协调器节点和AＲM 平台组成。所有终端节点和协调器节点构成SI4463 传感网络，实现数据的采集和传输，指令的转发和执行。
协调器将终端节点采集的数据汇总后，再通过串口发送给AＲM 平台。AＲM 平台将收到的数据存储在本地Sqlite数据库中，同时将Sqlite 数据库中的数据上报给远程管理中心。AＲM 平台可以通过解析这些数据，获取指令控制信息，从而进入自动控制模式; 也可以根据远端控制中心的控制指令得到远程手动控制权限，进入手动模式。
基于C/S 模式设计实现数据管理子系统，实现数据的网络传输和集中式管理。基于B/S 模式设计实现Web 远程监控平台，实现内网( Intranet) 和外网( Internet) 的结合，支持PC、手机等不同终端在任意地点通过网络登录远程监控平台，完成分布式的远程监控。

图2 采集控制系统硬件结构
2 系统实现的关键技术
2. 1 楼宇数据采集控制设备
数据采集控制设备架构如图2 所示，由传感器子节点、协调器节点和AＲM 平台组成。终端节点负责实现数据采集和用电设备控制。协调器节点负责与AＲM 控制平台的串口通信，同时实现与子节点的无线通信。协调器汇聚子节点发送的数据，发送给AＲM 平台; 接受AＲM 发送的指令并转发给相应节点执行。AＲM 平台负责实现与远程管理中心的跨平台通信。传感子节点由电源模块、红外模块、蜂鸣器模块、晶闸管控制模块、SI4463 无线模块、传感器模块等组成。协调器节点由电源模块、蜂鸣器模块、SI4463 无线模块、串口模块等组成。
终端节点设计要实现数据采集、设备控制以及与协调器节点的通信。终端节点通过晶闸管模块来控制其连接的各种设备。MCU 作为传感网节点设计的核心部分，要负责传感器数据的采集、设备的控制、与无线模块的通信以及整个流程控制，故MCU 的选择对整个传感网络节点的设计影响非常大。出于运行速度、可靠性、MCU 外围电路是否简单、功耗、抗干扰、成本等综合因素考虑，选择STC15W408AS 作为节点的MCU。STC15W408AS 具备较大的内部存储空间，其指令代码集完全兼容传统8051 内核的单片机，满足了基本要求。其次它内置高可靠复位电路，高精度Ｒ/C 时钟，使其不需要外部振荡电路和外部复位电路，简化了外围电路的设计和降低了应用成本，比传统的51 内核的单片机具备很多的优异性能。
2. 2 无线网络组建
协调器作为整个网络的核心，负责整个SI4463 传感网络的建立和维护。节点组网过程如图3 所示，子节点连接后，会向协调器发送创建网络的请求，协调器收到请求并分配网络ID，至此组网成功。

图3 节点组网过程
在组网成功后，协调器作为通信的中转，需要对不同的通信协议进行转换，实现AＲM 平台和终端节点的沟通。
组建一个完整的SI4463 传感网络包括网络初始化和节点入网这两个步骤。协调器在网络初始化中设置网络标识符，在进入节点入网步骤中，协调器会响应节点入网请求，最终将所有的节点组成星状网络。
2. 3 楼宇监控管理平台设计
Web 远程监控平台采用B/S 架构，支持用户通过Web的方式监测现场，并进行个性化调控。如图4 所示，远程控制平台部署了Web 服务器。Web 服务器主要负责对数据管理系统提供的这些数据进行分析、统计以及显示。远端控制系统通过路由器接入互联网，允许用户在任意地点通过网络登录远程监控平台，实现室内环境的监控。系统采用CGI 实现与网页的动态交互，设计前端监控平台，提供远程监控功能。远程用户可通过浏览器登陆远程控制界面，检测环境参数、并精准调控室内环境。

图4 楼宇监控管理平台原理
远程监控的实现过程如下: 用户在远端控制界面下发送控制参数后，由Web 服务器会调用相应的CGI 程序解释来自页面的信息。若是查询命令，则从MySQL 数据库中取出最近的一条数据并处理，然后在网页上显示当前最新的环境参数和设备运行状况。若是控制命令，依据指定的格式写到命令文件中。
数据管理系统会将获取的命令文件中的指令重新打包命令帧，并通过TCP /IP 协议发送给指定的AＲM 平台。AＲM 平台收到控制指令后，解析数据并通过串口将指令发送给协调器。协调器通过SI4463 无线传感网络将控制指令进一步转发。当子节点终端的SI4463 无线通信模块收到下发的控制指令后，会通过设备控制单元控制相应用电设备的运作，从而实现整个远程控制。
3 系统测试与分析
一种基于物联网的楼宇监控和管理系统，分别由嵌入式数据采集子系统、数据管理子系统和Web 远程监控平台3 部分组成。嵌入式数据采集子系统完成单个子区间内的环境数据采集、自动控制、数据上报和远程命令执行，其系统实物图如图5 所示。数据管理子系统中部署了数据服务器，实现多数据采集控制子系统的集中管理。Web 远程监控平台实现远程的设备管理、故障诊断、指挥调度等功能，支持PC、手机等不同终端在任意地点任意时刻通过网络登录访问和控制。系统测试由通信测试和整机测试两部分别组成。

图5 系统数据采集子系统实物
1) 通信测试是比较重要的一部分内容，在多障碍物多楼层的楼宇环境中的通信性能表现影响着整个楼宇监控和管理系统。通信测试包含通信距离测试和丢包率测试，通过测试在不同距离和不同间隔楼层情况下，数据的通信和丢包率来分析传感网络的通信性能。
SI4463 传感网络通信测试，分为两个环节，分别是通信距离测试和丢包率测试。节点的数据发送量均为1 000。在楼宇环境中测试不同距离、不同间隔楼层数据的通信和丢包率。由表1 可知单个节点间隔楼层较多，超过5 层间层数在3 层内时能正常通信传输，超过4 层间隔楼层数据丢包隔楼层接收不到数据。

表1 传感网络节点在楼宇环境的通信测试
在室外环境通信距离测试中，传输距离大致以100 m为单位逐渐增加。由表2 可知当传输距离在400 m 范围内，信号传输正常; 传输距离在450 m 范围内信号不稳定，超过500 m 接收信号异常。室外测试环境复杂，存在高树、楼房等障碍物，虽然没有达到无障碍环境下的1 500 m 通信距离，但也达到了400 m 的通信距离，满足现在楼宇的通信要求。由通信测试结果可知传感节点在距离400 m 内的室外环境正确传输，能在3 个间隔楼层内保持正常通行，能够达到传感网络完全足够覆盖整栋大楼的要求。

表2 传感网络节点在室外环境下的通信测试
2) 系统整机测试，包含系统功能及系统故障率测试。功能测试内包含区域照明，安全监测，远程控制，自动控制等功能测试，功能测试指标和测试结果如表3 所示。通过远程控制界面查询当前环境参数如图6 所示，控制指定设备的开关状态以及更精细的控制。系统设置楼道场景时，在5 m 内准确检测有人经过，增强照明亮度; 设置室内场景时，在光照度小于阈值时全亮照明，在光照度大于阈值时，按照超过的额度控制使用不同比例的亮度照明。在阴天和晴天两种测试环境下，灯的照明亮度有明显差异。

表3 系统功能测试结果
在系统故障率测试中，系统运行了一个月，数据采集、传输、本地存储、远程上报等功能没有出现异常，期间Web 访问正常、远端监测与控制正常，系统整体运行稳定。

图6 Web 远程监控界面
4 结论
本设计结合无线传感网络、嵌入式、Web、TCP /IP 等多种技术设计实现一种基于物联网的楼宇监控管理系统，实现楼宇智能化管理，支持现场自动控制，同时也支持远程的设备管理、故障诊断和指挥调度，适用于现今楼宇的监管控制，具有良好的推广和使用价值。