智能边缘网关在智能楼宇中的应用

智能边缘网关在智能楼宇中的应用

张烁 黄明磊 林成 周雅怡 廖志戈

广东电网有限责任公司珠海供电局 广东珠海 519000

摘要：本文以智能楼宇的设计特点与原则作为研究基础，并给予智能边缘网关的总体设计来探讨其在智能楼宇中的主要应用，促进楼宇控制效率和质量的提升。

关键词：智能边缘网关；智能楼宇；数据管理模块

前言：

美国在1984就建立了第一栋智能楼宇，本体就是旧金融大厦，将其进行整体的智能化改造，内部各项设施都与互联网连接，如空调系统、电梯、防盗系统等，加强对整体结构和控制系统的统一化管理，提升管理效果。而在智能楼宇建设中，我国引进的时间相对较晚，当我国开始进行智能楼宇建设期间，美国内部已经有4万余人进入到在智能楼宇中进行生活与工作。而如何将智能边缘网关应用到智能楼宇的建设中，是目前我们需要重点考虑的问题。

1. 智能楼宇整体系统的特点和设计原则

智能楼宇系统建设的市场与一般的商品性买卖所不同的是，其属于一种系统性的建设工程，在具体建设期间涉及到很多的技术，包含的内容也是人们生活的各个方面，而建设智能楼宇的终极目标在于一种理想和理念的实现，因此要想保障智能楼宇更好的发展，需要保持简化、性价比高和实用的设计理念，结合各种智能化技术来实现人们的生活和精神文化需求。其系统特点和设计原则主要包含三点，如下所示。

1. 实用性。在智能楼宇居住的住户最为关心的就是该楼宇建设的实用性。因此需要将那些无用的设计去除掉，结合用户客观需求来打造智能服务的相关系统建设，如智能环境监测、安全防护报警系统、远程抄表和灯光的远程控制等。在保障各项设施实用性基础上让用户满意^[1]。

2. 可靠性。在智能楼宇运行期间，为了保障其各项智能系统能够全天候正常运行，需要明确的是，目前智能楼宇设计所面对的对象是普通人，与人们各项生活与工作内容息息相关，因此各项误操作或者设置错误等事件会经常发生，因此在实际建设期间，需要将智能楼宇所需要的容错性和可靠性重点关注，在科学的设计中，能够应对各种人为所造成的突发情况，加强该楼宇应对复杂情况的基本能力。

3. 标准化。一个智能系统的设计更加重要的是要结合未来发展的需求和趋势，来满足不同场合的不同需要。而随着人们生活水平和社会科学技术的不断提升与创新，各种新型的技术和功能以及设备都会更加快速的升级和更新。所以在智能楼宇设计的初期，应当结合标准化设计来保障系统的正常运转^[2]。如在系统数据传输上，应当采取标准化的网络协议、各个终端和端口采取标准化的结构设计、系统的前端需要采取可扩展性和开放性设计等。这样可以使整个系统的可扩展性和兼容性更加良好，并保障各个设备厂商之间能够实现有效的互通与互联，以此来满足未来科技世界发展的各项需求。

4. 简易性。在智能楼宇的设计中，其简易性包含两个层面的含义。第一层，需要保障系统安装的简易性，在此期间需要满足布线简单、可扩展性强的系统要求，由此在建设系统安装成本的基础上来保障系统的安全运行^[3]。第二层面就是指用户的操作和使用需保障简易性的特点。在智能楼宇的建设中，其所面对是普通的人民群众，因此对楼宇控制和操作是否简单，也是住户判断该智能楼宇的重要因素，因此在设计过程中，最好是选用一些不用培训、只需要简单学习就可以上手正确操作的控制系统，便于人们更加容易接受智能楼宇的建设与使用。

2. 智能边缘网关系统设计及应用

2.1系统设计内容

本文所使用的智能边缘网关系统设计总体分为软件和硬件平台两种架构，结合EdgeX层次结构将软件平台分为六个层次，这六个层次中包含四个服务层，两个基础服务层增强的层次。在四个服务层中将其设计为设备连接、设备、数据管理和应用四个模块，如图1内容所示。设备连接模块主要负责数据交互作用，内部包含多个服务组件，并且将其作为物联网设备与其他模块连接的中间部件，传达其他模块所下达的指令到物联网设备；设备与数据管理模块主要在网关数据库管理、设备信息的储备、实时数据的访问记录中应用，并且可以将所需要的数据发送到对应的应用模块中，根据设备的实际运行情况来为其提供详细的系统运行日志。应用模块是结合相关服务层注册后的各项功能，来实现对各项设备的监控与管理，并且其需要保障人机交互与数据远程访问相关功能的实现，以服务层注册的基础来将其作为网关基本形式，并且可以在网关软件系统外进行独立运行。

图1：智能边缘网关总体架构

2.2智能边缘网关在智能楼宇设计中的应用

1. 智能楼宇系统设计平台的方案设计。在目前数字系统设计中主要有专用系统和通用系统两种类型，其中通用系统面对的是一些大概率事件，并不包含特殊内容的设计，特征在于一些终端的使用用户可结合编程来实现各种计算的目标^[4]。如目前所熟知的各种服务器或者PC端口等。而专用系统主要的设计思想和原则就是以功能需求为主，设计出各种特殊的形式，存在的形式一般不是独立性的。因此为了实现智能边缘网关总体架构在智能楼宇设计中应用，需要将基础定位在主控制器中，将上下层次的数据信息和控制网络进行有效连接，并且需要转换这两种协议的不同之处，以智能化处理的方式来进行数据分析，进而满足智能控制的各项需求。另外在家居智能设计中，本文设计出一款看护机器人，系统主要关注的内容就是婴幼儿的健康和睡眠情况，包含婴幼儿与成年人的体温与心率监测、睡眠监测和分析等；同时也可对环境进行实时监测，进而对家居和家庭环境进行安全监控。

2. 系统形成。本系统支持客户端WebUI、中文语音识别系统和各种移动终端的APP操作，以此来有效实现远程的机器与人体沟通与交流，并且在具体实践中，其包含了五种功能形式，具体架构如图2所示。

图2：家居与家庭看护系统架构设计

3. 看护机器人的组成。该机器人是整个智能家居系统设计的核心内容，具体组成如图3所示。该看护机器人可以分为几个子系统^[5]。如运动控制系统（接受智能边缘网关的控制质量，驱动运动执行部件的底盘电机运动）、自主避障系统（为了保证机器人不与一些障碍物或者人发生碰撞问题，需要其具备一定的自主避障能力）、视觉系统（结合摄像头来采集和处理图像信息、实现对环境的实时监控和目标的跟随与看护功能）、语音交互系统（支持用户和机器人结合中文语音进行交流，该系统可以在本地的局域网内部进行关键词的识别，而对于一些复杂且连续的语音可以在百度云端上进行，智能边缘网关可以接收到云端返回的识别成果，并转化为相对应的控制指令，结合相关的设备组件来转发给运动控制系统）。

图3：智能机器人系统组成

结 语：

综上所述，本文以智能家居中的智能机器人的组成和使用为案例，分析智能边缘网关在智能楼宇建设中的普通家庭系统的建设，以此来映射到整个楼宇的建设与设计过程，实现楼宇建设的效果与目标。

参考文献：

[1]宋海鹰、陈志文、邱佰平、匡付华、邓仕钧.基于物联网和边缘计算的智能化建筑管理系统及应用[J].物联网学报,2020,v.4(04):101-107.

[2]赵建立,奚培锋,张少迪.基于边缘网关的中央空调需求响应终端的应用研究[J].现代建筑电气,2019,v.10;No.120(12):6-11.

[3]彭安.智慧物联网边缘计算网关:,CN210469367U[P].2020.

[4]邹萍,张华,马凯蒂,等.面向边缘计算的制造资源感知接入与智能网关技术研究[J].计算机集成制造系统,2020,026(001):40-48.

[5]张振凯、徐贤明、朱效敏.开放性结构的边缘网关在物业管理云平台中的运用[J].中国新通信,2020,v.22(20):95-96.