智能建筑设备网与物联网交换机

文/ 陈言虎

一、传统智能建筑解决方案面临的挑战

      传统的智能建筑解决方案由不同的子系统组成，这些子系统彼此没有关联，各自子系统是孤立的，整个系统是分散的。如下图。

 
      在建筑智能化发展的早期，各子系统是作为一个一个独立的学科在进行研究。随着建筑智能化的逐渐普及，各子系统在产品开发、设备成套、工程实践的道路上一直自我完善。从而形成了今天各自子系统没有耦合的现状。

      每个子系统，一般分为三个层次：管理层、控制层、现场层，如下图。子系统的运行与监控都依托于通信网络，这个通信网络一般由信息域网络和控制域网络组成。子系统的管理层接在信息域网络上，现场层则接入控制域网络中，控制层处于信息域网络和控制网网络之间。现场层的设备接收处理传感器采集的现场信号，通过程序运算来对执行器实施控制。

       信息域网络现在一般都是IP网络。

       控制域网络一般是基于现场总线的通讯结构。现场总线有很多种，常见的有RS 485总线、Lonworks 总线、BACNET总线以及CAN总线等。总线以其实时性和设计简单的特点在普通智能建筑中应用得比较普遍。

      总线一般采用一根线手拉手的方式布线，驱动能力较差，控制节点数有限，传输速度不高。有的类型的总线虽然可以扩展节点容量，但是网络设计和规划的合理性、系统组态参数设定的好坏，对系统性能影响很大。不同类型的总线不能混合组网。

      在设计、施工、物业管理的实践上，基于总线的通信方式存在以下问题：
a) 不同的子系统采用不同的总线标准，给设计上带来麻烦；
b) 每个子系统需要单独的总线通信线路，给工程实施上带来麻烦；
c) 总线速度很低，无法承载大带宽应用和多节点同时操作。

      一个智能建筑项目里至少十几个子系统，每个子系统又采用不同的通信总线。这种纷乱的系统结构，导致了繁杂的设计、实施、管理和维护工作，效率低下。同时基于总线通信的终端业务功能很少，降低了建筑的智能化和舒适度，降低了业主对物业的增值保值要求。

二、子系统内的信息传输出现了IP化的趋势

      国家相关政策要求甲级智能建筑必须实现系统集成。各子系统通过集成，构成统一的数据流，构成一个协调运行的大系统。大系统特性决定整个建筑的整体性能和智能化程度。　　

      集成的大系统不管怎样的集成方式，其运行与监控都必须依托于一个统一高效的通信网络。IP网络是信息域网络的主导通信平台，在智能建筑领域，IP网络不仅作为信息服务／管理／监控的网络平台，而且越来越成为视频／语音等应用的支撑平台。同时，IP网络还在从信息域向控制域延伸。现今的DDC 执行器和传感器体积越来越小，功能越来越强，智能控制产品从专用化向通用化发展过渡，并且很多都带有支持IP通信协议的网络接口。这种延伸已经取得了很好的效果．也展现了非常光明的前景。　　

     目前，市场上已经运行了相当多的子系统，直接采用IP以太网作为底层通信标准：

1) 视频类：IP安防监控子系统。IP视频监控相对传统同轴电缆方式的监控有很大的优势，体现在监控方式灵活、历史图像清晰、系统施工和维护造价低廉、可保存的数据量大、数据保存方式多、数据应用形式广、系统集成度高。
2) 语音类：IP广播子系统。基于现场总线传输方式的广播，只能以分区、分组的方式实现控制，且建成后不能改变编组。IP方式广播，可以对广播点做任意编组，每个广播点也可以广播或双向呼叫各自不同的内容。全数字音频不失真。
3) 控制类：IP门禁子系统（还有停车场出入口控制、电子巡更等子系统等）。总线方式一卡通系统最大支持100-200个控制点，IP方式理论上支持任意多个控制点。总线方式通信距离有限，IP方式可用于控制点位于不同地点，特别是需要跨广域控制的场合。下图为某厂商IP门禁的组网图：

 
      在智能建筑的其他子系统里，通信自动化系统CAS的语音通信子系统、有线电视子系统，在国家“三网融合”的要求下已经开始IP化；办公自动化系统OAS，与生俱来就是基于IP的。这样一来，多个子系统均需要承载于IP网络之上。　

      同时，IP网络通信设备也已经具备了在智能建筑领域应用的条件：

1) 建筑物内机电设备的运行环境比较良好。现场很少有易燃、易爆物质，电磁干扰不会很强烈，防爆要求不高等。普通IP网络通信设备可以直接应用于智能建筑里。
2) IP网在智能建筑应用的两个瓶颈问题是：控制的实时性和可靠性，随着IP网络技术的迅速发展已经基本解决了：
a) 控制类信号往往很短，对网络的负载很小；
b) 千兆网络已经普及，以一个1518字节的标准数据帧来说，传输时间仅为μs级别，网络延时非常短；
c) 全双工交换技术，避免了信号间的碰撞。

      建筑智能化系统中采用IP网络将信息域网络和控制域网络统一起来，具有以下一些优点：

1) 以太网技术发展成熟，软硬件资源丰富，建网成本低廉；
2) 以太网技术通信带宽高，目前已经发展到10万兆带宽；
3) 各终端厂商陆续推出了IP化终端，支持更加丰富的业务功能，提高了建筑的舒适度和智能化；
4) 易于实现设备网向办公网的无缝连接，可以接入到互联网和物联网；
5) 便于远程设备维护，可以由物业管理集团统一管理各建筑物，减少物业管理专业技术人员，降低物业管理成本。 

三、独立的智能化设备网

      由于当前建筑智能化系统中存在大量支持 IP 网络协议的智能终端设备，我们需要设计一张独立的智能化设备网。

      智能化设备网，是指在智能建筑内构建独立的物理IP 网络，用于承载视频安防监控、广播、出入口控制、信息引导及发布、建筑设备监控等建筑智能化子系统，智能化设备网可采用单独组网或统一组网的通信架构，并根据各子系统功能和业务流量需求，通过VLAN、QoS 等保障策略提供流量级高可靠、高实时和高安全的传输承载服务。
下图体现了智能化设备网在建筑智能化系统中的作用。

 
      从上图中可以看到，有线IP终端可以通过有线方式接入到设备网，WIFI等各类无线终端通过无线方式接入到设备网，传统的总线型终端通过支持IP通信协议的DDC控制器间接接入到设备网。

      BMS（建筑管理系统）在中心机房接入到设备网。BMS通过设备网向各功能部件下发查询/控制数据流，各功能部件向BMS回复采集到的实时数据/完成动作应答数据流。

      各个功能部件接入到统一的设备网，子系统基本消失，每个子系统的功能部件分布在网络各处。由于实现了全数字信号，各功能部件可以被任一业务功能作为一种资源使用。并且由于数字信号可以很容易的同时提供给多个用户，很容易存储起来供历史调用，这样可以降低业主的资金成本、物业公司的维护成本。

      不过不管从学术研究上，还是从物业管理上，子系统在未来的一段时间里依然会存在。但是子系统仅仅是作为一个逻辑概念存在，就像关系型数据库系统里的视图（view）一样。在BMS里，可以根据使用者身份的不同，分别看到广播子系统视图、视频监控子系统视图、停车场子系统视图、变配电子系统视图、照明子系统视图等等。

      随着建筑智能化系统的IP化，原有的3A/5A分类将被打破。

      在一个智能建筑里，将存在两张IP传输网络。一张网络为智能化设备网，承载建筑智能化的业务；另一张网络为办公自动化系统OAS与通信自动化系统的融合，是新的办公网--业务办公网。业务办公网承载计算机网络系统，IP电话、IP视频会议、IPTV等业务。这两张IP传输网络物理隔离。下图体现了两个网络之间的关系。

 
      各系统可以通过一个信息集成管理平台将本建筑里的业务数据远程传输到市政（或者物业管理集团）的相关部门：电力使用情况、停车场使用状态、治安监控视频、设备日常巡检状态等等。

四、“物联网交换机”的初步构想

      智能建筑里的业务办公网主要以文档处理、互联网访问等数据业务为主，对带宽和延时不敏感。我们把应用在业务办公网里的交换机设备称做“互联网交换机”。

      智能化设备网与业务办公网不相同，所连接的终端均为自动化设备，所传输的信号为控制类信号，报文小，要求无延时。此外还需要传输部分音频和视频信号，音频信号要求无延时无抖动，视频信号要求无延时无丢包。我们把应用在设备网里的，以物物相连为基本特征，以信号的实时传输为基本功能的交换机设备称做“物联网交换机”。

      根据智能化设备网的应用特点，我们认为物联网交换机应具有以下属性：

 （1）多业务支持能力
● 适合于控制信息、话音、视频和数据融合复用的网络；
● 组网技术和设备要具备良好的互联互通性，实现不同厂商之间的业务互通；
● 提供组播功能。

（2）满足业务性能的服务质量QoS
 ●  带宽颗粒可任选，具有流分类、带宽管理、优先级调度和拥塞控制等QoS能力；
●  业务具有端到端连接的QoS保证；

      在融合的控制域和信息域网络上提供有保证的端到端QoS保证，符合控制信息、话音、视频和数据的要求。新业务和新应用的不断出现意味着更多网络资源的耗费，仅仅保证高带宽已经无法满足应用的要求。应用迫切需要设备对QoS的支持向边缘和接入层次发展。在过去，网络中高QoS意味着高价格，但是随着ASIC技术的发展，使低端设备具备强大的QoS能力成为可能。网络的QoS已经从集中保证逐渐向端到端保证过渡。
●  有保证的端到端性能，从而允许基于设备身份登记、承诺的信息速率、帧丢失、时延和时延变化特性去制定服务水平协议（SLA）；
●  采用流量工程，充分利用带宽。

（3）实现业务数据流的无中断转发的网络可靠性
● 网络具备检测和恢复事故的能力，而且不影响用户；
● 满足最严的质量和可用性要求；
● 当发生问题时能够在50ms内予以迅速恢复。

（4）业务管理
● 快速简单的业务配置；
● 具备监视、诊断和集中管理网络的能力；
● 提供端到端的OAM能力和网络快速保护能力。

（5）安全性
● 根据非法数据特征灵活地进行控制并加以以过滤，达到有效的控制网络的访问，控制网络流量，优化网络配置，提供安全接入控制；
● 终端精确定位技术，用于识别接入终端所使用的物理线路，并确定该线路所在的地理位置，结合终端认证、终端绑定等技术，确保正常终端接入网络。

（6）可扩展性
 ● 终端数量的扩展性，具备让数千数万终端设备使用同一网络服务的能力，适合于各种各样的应用，包括控制信息、话音、视频和数据；
 ● 可以通过有线或无线方式接入internet；
● 带宽的扩展性。

在智能建筑里，通过应用物联网交换机，将能极大地促进各类应用终端高效、智能的通信与协作，提升建筑整体的智能化和舒适度。

参考文献：

[1] 张少军。楼宇自控系统中以太网技术应用的研究。《电气应用》，2009年07期
[2] 吴一亮、江红杰、林东豪。智能建筑物联网网络平台。《智能建筑》，2010年12期。
[3] 思科公司。Cisco’s vision on convergence in connected real estate.