CN106790630B - 一种基于IoT的智能建筑管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于IoT的智能建筑管理系统，包括应用层、自动化层、虚拟化层、物理层、安全与信用管理层和配置管理层，所述自动化层，用于采用机器学习机制，根据用户活动来自动操作和执行命令与事件；所述虚拟化层包括虚拟设备管理模块；所述物理层包括设备装备；所述安全与信用管理层包括服务管理模块和上下文管理模块、通信管理模块、安全与信用管理模块；所述配置管理层包括服务质量管理模块和布局管理模块。本发明所提供系统能够可靠、实时地传输传感器的测量数据；通过计算数据的信用值避免误报警，并确保系统中不存在影响系统决策的恶意攻击或设备故障；通过系统架构中自动化层的功能组件实现系统先进的智能化。
Description
技术领域
本发明涉及智能建筑领域，更具体的，本发明涉及基于IoT的智能建筑管理系统。
背景技术
IoT是Internet of Things的缩写，通常称为“物联网”，指的是将各种信息传感设备与互联网相连，让所有能够被独立寻址的各种各样的嵌入式传感器实现互联互通的网络。物联网能够使建筑中的监控系统、门禁系统、云计算、移动互联网和楼控中心进行很好的结合，组成建筑物的智慧大脑。
BMS是指建筑管理系统，是Building Management System的简称，系统立足于各个维护建筑运行的自动控制系统，为建筑的管理、运营提供服务。系统的目标是对建筑内的所有设备采用现代化技术，进行全面有效的监控和管理，确保建筑内的所有设备处于高效、节能的最佳运行状态，为建筑内的人员提供一个安全、舒适、便捷的工作和生活坏境。
SOA是指面向服务的体系结构，它将应用程序的不同功能单元成为服务，通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。面向服务的架构是一种粗粒度、松耦合服务架构，服务之间通过简单、精确定义接口进行通讯，不涉及底层编程接口和通讯模型。SOA将能够帮助软件工程师们站在一个新的高度理解企业级架构中的各种组件的开发、部署形式，采用SOA架构的系统能够更加从容的面对业务的急剧变化。
随着我国移动通信网络和信息技术的发展，国民经济水平的提高，企业和居民对能提供安全、智能、便捷服务的智能建筑管理和智能家居的需求越来越高，目前现有的智能建筑管理系统存在架构层次简单、采集的数据错误率高、自动化层度不高的问题。
发明内容
为了解决现有智能建筑管理系统中服务质量(QoS)不高，传感器数据误报率高的问题，本发明提出了一种基于物联网的智能建筑管理系统，运用面向服务的体系结构(SoA)，使服务与设备之间能无缝交互，系统的可信度、可靠性、智能化高。
本发明技术方案提供一种基于IoT的智能建筑管理系统，所述IoT为物联网，包括应用层、自动化层、虚拟化层、物理层、安全与信用管理层和配置管理层，
所述自动化层，用于采用机器学习机制，根据用户活动来自动操作和执行命令与事件；
所述虚拟化层包括虚拟设备管理模块；
所述虚拟设备管理模块，用于负责虚拟化智能设备，并管理虚拟设备；
所述物理层包括设备装备；
所述设备装备，用于提供集成在设备上使设备能被应用程序访问的所有功能组件；
所述安全与信用管理层包括服务管理模块和上下文管理模块、通信管理模块、安全与信用管理模块；
所述服务管理模块，用于管理应用程序的请求，并利用虚拟设备管理模块提供的服务来处理应用程序的请求；
所述上下文管理模块，用于负责管理相同设备或与同一个虚拟实体相关联的所有设备测量值；
所述通信管理模块，用于负责管理设备与设备之间以及设备与系统其他模块之间的通信；
所述安全与信用管理模块，用于负责系统中所有的与安全相关的操作
所述配置管理层包括服务质量管理模块和布局管理模块；
所述布局管理模块，用于负责在建筑平面图上将设备分配到计划的位置，支持应用程序发现要使用的设备，并对发现的结果进行用户界面显示；
服务质量管理模块，用于负责系统中所有QoS相关的操作，保证系统中服务和设备的QoS水平维持在所要求的水平，所述QoS表示服务质量。
而且，所述设备装备，包括如下单元，
资源管理单元，用于采集设备传感器的数据，或向设备的执行器发送执行命令；
注册单元，用于将设备注册到系统的注册表中，并存储设备在建筑中的位置信息、与物理实体的关联关系、以及设备的类型；
接入单元，用于提供访问设备服务的接口，解析收到的请求并访问请求的设备资源；
配置或重新配置设备单元，用于进行设备相关配置；
而且，所述通信管理模块，包括如下单元，
智能设备组件单元，用于负责选择和配置设备的接口，同时负责路由传输和调度数据包；
网关组件单元，用于负责对集中式路由和集中式信道进行分配，当在不同的域和网络中传输数据包时，还负责翻译网络和应用协议。
而且，所述虚拟设备管理模块，包括如下单元，
注册表单元，用于负责从设备装备获取设备信息，并将设备的所有信息存储到一个集中式索引数据库中；
虚拟设备管理器单元，用于负责配置和管理虚拟设备的资源，并为服务质量管理模块设定QoS级别，计算设备的信任级别；
设备发现管理器单元，用于负责根据应用程序的请求来发现虚拟设备，查询注册找出最可能满足程序请求的设备或设备组。
而且，所述服务质量管理模块，包括如下单元：
监测单元，用于负责监测设备所提供服务的QoS，监测设备连接状态的QoS；
QoS变更管理单元，用于与通信管理模块和虚拟设备管理模块协同处理QoS的变更。
而且，所述服务管理模块，包括如下单元，
处理单元，用于处理应用程序的请求；
发现单元，用于发现满足应用程序请求的服务；
组织单元，用于组织和编排发现的服务，以满足应用程序的请求；
访问单元，用于访问虚拟设备的服务，通过向虚拟设备管理模块发送请求，来发现能提供请求所需服务的设备；
数据管理单元，用于从设备获取请求的数据，处理并发送给上下文管理模块和将转发到应用程序的服务。
而且，所述上下文管理模块，包括如下单元，
上下文提取单元，用于从设备采集的测量数据中提取上下文数据，然后当需要修改配置时发送给安全与信用管理模块。
而且，所述安全与信用管理模块，包括如下单元，
设备安全配置单元，用于向虚拟设备管理模块下发命令，根据设备的信用值对各个设备进行安全配置；
安全通信单元，用于向通信管理模块下发命令，确保安全通信；
授权与接入控制单元，用于通过向服务管理模块输出命令实现对服务和设备的访问进行授权和接入控制，确保仅有已被授权的用户有权根据预定义的策略访问服务和设备；
信用值计算单元，用于从上下文管理模块中获取数据，来计算和管理系统中用户面和设备面的信用值。
而且，所述自动化层，包括如下模块，
事件管理模块，用于接收服务管理器转发的设备数据，跟踪、管理系统中的事件，将事件发送到案例推理模块；
案例推理模块，用于应用机器学习算法，分析传感器的数据来提取行为模式，为当前遇到的问题自动寻找潜在的有用的解决方法，从而改变系统指令，推理结果输入到业务流程管理模块；
业务流程管理模块，用于存储应用程序的业务处理流程，编排业务处理的步骤，当应用程序的业务流程改变时，发送新的命令给命令编辑模块；
命令编辑模块，用于转发新的命令给服务管理模块，为应用程序的业务流程配置服务。
本发明通过在系统架构中加入安全与信用管理层、自动化层，降低了数据的错误率，提高了系统的智能化、自动化程度。
本发明系统架构中的安全与信用管理层、自动化层，极大的降低了数据的错误率，提高了系统的智能化和自动化程度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、可靠、实时地传输传感器的测量数据；
2、通过计算数据的信用值避免假报警，并确保系统中没有恶意攻击或功能有故障的设备来影响系统决策；
3、通过系统架构中自动化层的功能组件实现系统先进的智能化。
附图说明
图1为本发明实施例的架构层次图；
图2为本发明实施例的功能架构图。
具体实施方式
以下根据附图和实施例对本发明具体实现进行说明。
参见图1，本发明实施例提供了一种基于IoT的智能建筑管理系统，包括：
应用层，用于处理和监听物联网应用程序访问本发明架构服务的请求；
自动化层，用于根据用户的活动自动配置服务给用户；包括事件管理模块、案例推理(CBR)模块、业务流程管理模块、命令编辑模块；
虚拟化层，用于负责虚拟化设备并注册设备和服务及其与物理实体之间的关系；包括虚拟设备管理模块；
物理层，用于提供集成在设备上使设备能被应用程序访问的所有功能组件，即设备装备；
安全与信用管理层，负责确保设备及传感器收集到的数据的可信度，包括系统中所有负责通信安全和接入控制的功能块，具体有服务管理模块、上下文管理模块、通信管理模块、安全与信用管理模块；
配置管理层，用于负责设备、虚拟设备、服务、以及系统中其他所有模块的配置，包括服务质量(QoS)管理模块、布局管理模块。
参见图2，本发明实施例提供的一种基于IoT的智能建筑管理系统，各部分具体实现如下：
设备装备，用于提供集成在设备上使设备能被应用程序访问的所有功能组件，具体实施时可采用使设备能提供指定服务，并能与其他设备和系统模块进行通信的一组软件。这些软件集成在智能设备上，如自动上报数据的温度传感器。
进一步的，所述设备装备，包括如下单元：
资源管理单元，用于采集设备传感器的数据，或向设备的执行器发送执行命令。
注册单元，用于将设备注册到系统的注册表中，并存储设备在建筑中的位置信息、与物理实体的关联关系、以及设备的类型是传感器、制动器还是两者兼具；具体的，设备与物理实体的关系是指如一个传感器用来测量哪个房间的温度、控制房间的哪个窗户等。
接入单元，用于提供访问设备服务的接口，解析收到的请求并访问请求的设备资源。
配置或重新配置设备单元，用于进行设备相关配置。具体的，配置或重新配置设备，主要包括配置新的资源和服务、更改设备的网络配置、检测设备的性能等。
因此，设备装备采集的设备数据经通信管理模块上传到虚拟设备管理模块。
通信管理模块，用于负责管理设备与设备之间以及设备与系统其他模块之间的通信，具体实施时可以是一些集成在智能设备或网关上的功能组件组。
进一步的，所述通信管理模块，包括如下单元：
智能设备组件单元，用于负责选择和配置设备的接口，同时负责路由传输和调度数据包。
网关组件单元，用于负责对集中式路由和集中式信道进行分配，当在不同的域和网络中传输数据包时，网关组件单元还负责翻译网络和应用协议。
具体的，当在不同的域和网络接口之间传输包时，网关负责翻译网络和应用协议。如将一个CoAP/UDP的包转换成一个HTTP/TCP的包，或将一个6LowPan(IPv6)的包转换成一个标准的WiFi包(IPv4)，反之亦然。
虚拟设备管理模块，负责虚拟化智能设备，并管理虚拟设备。
进一步的，所述虚拟设备管理模块，包括如下单元：
注册表单元，负责从设备装备获取设备信息，并将设备的所有信息存储到一个集中式索引数据库中，以便于被服务及时发现。
具体的，注册表单元分为两个部分，网关和集中式索引数据库。网关负责处理与其相连接的设备，集中式索引数据库中存储了每个设备的网关资料。
虚拟设备管理器单元，用于负责配置和管理虚拟设备的资源，以确保设备能获得必要的资源，并为服务质量管理模块设定QoS级别。并且为了确保设备的安全配置并计算出设备的信任级别，虚拟设备管理器单元与安全与信用管理模块相连。
设备发现管理器单元，负责根据应用程序的请求来发现虚拟设备。从服务管理模块获取应用请求，查询注册找出最可能满足程序请求的设备或设备组。
具体的，发现虚拟设备是指根据请求查找出满足要求的服务类型、设备类型、与某一特定虚拟实体的关联关系、在建筑中计划的位置等。
布局管理模块，负责在可视化的建筑平面图上将设备分配到计划的位置，主要用于应用程序发现其要使用的设备，并对发现的结果进行可视化的用户界面显示。因此，布局管理模块接收虚拟设备管理模块发送的设备数据进行计划，将设备清单输出到虚拟设备管理模块，虚拟设备管理模块将提供设备的服务清单经通信管理模块转发到设备装备。
QoS管理模块，即服务质量管理模块，用于负责系统中所有QoS相关的操作，保证系统中服务和设备的QoS水平维持在所要求的水平。
进一步的，所述QoS管理模块，包括如下单元：
监测单元，用于负责监测设备所提供服务的QoS，以确保它维持在服务级别协议(SLAs)要求的水平；还可以监测设备连接状态的QoS。
QoS变更管理单元，用于与通信管理模块和虚拟设备管理模块协同处理QoS的变更，如为了解决在设备一级低QoS的问题，通讯管理模块需要更改网络配置或者由虚拟设备管理模块经重新配置应用程序的资源分配。
因此，QoS管理模块和与通信管理模块和虚拟设备管理模块分别建立数据交互，以监测或变更服务和连接的Qos。
服务管理模块，用于管理应用程序的请求，并利用虚拟设备管理模块提供的服务来处理应用程序的请求。
进一步的，所述服务管理模块，包括如下单元：
处理单元，用于处理应用程序的请求。
发现单元，用于发现满足应用程序请求的服务。
组织单元，用于组织和编排发现的服务，以满足应用程序(主要是高级应用程序)的请求。
访问单元，用于访问虚拟设备的服务，通过向虚拟设备管理模块发送请求，来发现能提供请求所需服务的设备。
数据管理单元，用于从设备获取请求的数据，处理并发送给上下文管理器和将转发到应用程序的服务。
因此，应用层发送应用请求到服务管理模块，服务管理模块根据应用程序请求的服务访问虚拟设备管理模块，从虚拟设备管理模块取得与应用请求相应的设备数据，作为设备上下文输入到上下文管理模块。
上下文管理模块，负责管理相同设备或与同一个虚拟实体相关联的所有设备测量值。
所述上下文管理模块，包括如下单元：
上下文提取单元，用于从设备采集的测量数据中提取上下文数据，然后当需要修改配置时发送给安全与信用管理模块，上下文模块会影响系统的安全配置，改变访问控制策略以及更改设备的信用值。
自动化层，采用机器学习机制，根据用户活动来自动操作和执行命令与事件。
进一步的，所述自动化层，包括如下模块：
事件管理模块，用于接收服务管理器转发的设备数据，跟踪、管理系统中的事件，将事件发送到案例推理模块。
具体的，所述事件可以根据应用程序的请求预定义。
案例推理模块(CBR)，是自动化层的核心模块，应用机器学习算法，分析传感器的数据来提取行为模式，为当前遇到的问题自动寻找潜在的有用的解决方法，从而改变系统指令，推理结果输入到业务流程管理模块。具体实施时，可应用现有的机器学习算法。
具体的，案例推理模块将其所使用的案例存在一个案例库中，每个案例包括问题描述和问题的解决方法两部分，其中问题描述包括传感器的ID及其测量值、案例处于活动状态的日期和时间等，问题解决方案是指系统中执行的动作，包括执行器的ID和将要采取的措施。例如：当用户移动时，案件推理模块通过分析传感器的数据，可以知道他们的移动方向、在公寓中的位置等信息，与他们之前的活动进行比较来自动搜索解决方案，提取运行模式，如开门、打开空调开关、准备咖啡等等。
业务流程管理模块，用于存储应用程序的业务处理流程，编排业务处理的步骤。当应用程序的业务流程改变时，发送新的命令给命令编辑模块。
命令编辑模块，用于转发新的命令给服务管理模块，来为应用程序的业务流程配置服务。
安全与信用管理模块，负责系统中所有的与安全相关的操作。
进一步的，所述安全与信用管理模块，包括如下单元：
设备安全配置单元，用于向虚拟设备管理模块下发命令，根据设备的信用值对各个设备进行安全配置。
安全通信单元，用于向通讯管理模块下发命令，确保安全通信。设备之间以及设备与整个系统之间通过加密数据进行通信，并对数据的完整性进行检查。
授权与接入控制单元，通过向服务管理模块输出命令实现对服务和设备的访问进行授权和接入控制，确保仅有已被授权的用户有权根据预定义的策略访问服务和设备。
信用值计算单元，用于从上下文管理模块中获取数据，来计算和管理系统中用户面和设备面的信用值。
进一步优选的实现方式是，在用户面，对通过身份验证的用户，根据用户的当前行为与之前行为的对比以及用户的访问配置文件，综合计算出他们的信用值。在设备面，通过对比设备当前的测量值与该设备之前的测量值，以及与同一虚拟实体关联的其他同类型的设备测量值，来计算出该设备的信用值。例如，一个房间中的某个温度传感器突然上报一个相当高的温度值，可能有一下三个原因：1、传感器出现了故障，2、传感器已被黑客攻击，3、该房间发生了异常事件如一场大火。通过对比该传感器的温度和房间内其他温度传感器的温度，安全与信用管理模块可以识别是发生了火灾、传感器故障还是被黑客攻击。如果是火灾会维持该设备的信用值，如果是传感器故障或被黑客攻击，则会降低该设备的信用值。
具体实施时，本发明技术方案可采用计算机软件模块化技术实现。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在圈里要求范围内作出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于IoT的智能建筑管理系统，所述IoT为物联网，其特征在于：包括应用层、自动化层、虚拟化层、物理层、安全与信用管理层和配置管理层，
所述自动化层，用于采用机器学习机制，根据用户活动来自动操作和执行命令与事件；
所述虚拟化层包括虚拟设备管理模块；
所述虚拟设备管理模块，用于负责虚拟化智能设备，并管理虚拟设备；
所述物理层包括设备装备；
所述设备装备，用于提供集成在设备上使设备能被应用程序访问的所有功能组件；
所述安全与信用管理层包括服务管理模块、上下文管理模块、通信管理模块和安全与信用管理模块；
所述服务管理模块，用于管理应用程序的请求，并利用虚拟设备管理模块提供的服务来处理应用程序的请求；
所述上下文管理模块，用于负责管理相同设备或与同一个虚拟实体相关联的所有设备测量值；
所述通信管理模块，用于负责管理设备与设备之间以及设备与系统其他模块之间的通信；
所述安全与信用管理模块，用于负责系统中所有的与安全相关的操作；
所述配置管理层包括服务质量管理模块和布局管理模块；
所述布局管理模块，用于负责在建筑平面图上将设备分配到计划的位置，支持应用程序发现要使用的设备，并对发现的结果进行用户界面显示；
服务质量管理模块，用于负责系统中所有QoS相关的操作，保证系统中服务和设备的QoS水平维持在所要求的水平，所述QoS表示服务质量。
2.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述设备装备，包括如下单元，
资源管理单元，用于采集设备传感器的数据，或向设备的执行器发送执行命令；
注册单元，用于将设备注册到系统的注册表中，并存储设备在建筑中的位置信息、与物理实体的关联关系、以及设备的类型；
接入单元，用于提供访问设备服务的接口，解析收到的请求并访问请求的设备资源；
配置或重新配置设备单元，用于进行设备相关配置。
3.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述通信管理模块，包括如下单元，
智能设备组件单元，用于负责选择和配置设备的接口，同时负责路由传输和调度数据包；
网关组件单元，用于负责对集中式路由和集中式信道进行分配，当在不同的域和网络中传输数据包时，还负责翻译网络和应用协议。
4.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述虚拟设备管理模块，包括如下单元，
注册表单元，用于负责从设备装备获取设备信息，并将设备的所有信息存储到一个集中式索引数据库中；
虚拟设备管理器单元，用于负责配置和管理虚拟设备的资源，并为服务质量管理模块设定QoS级别，计算设备的信任级别；
设备发现管理器单元，用于负责根据应用程序的请求来发现虚拟设备，查询注册找出最可能满足程序请求的设备或设备组。
5.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述服务质量管理模块，包括如下单元：
监测单元，用于负责监测设备所提供服务的QoS，监测设备连接状态的QoS；
QoS变更管理单元，用于与通信管理模块和虚拟设备管理模块协同处理QoS的变更。
6.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述服务管理模块，包括如下单元，
处理单元，用于处理应用程序的请求；
发现单元，用于发现满足应用程序请求的服务；
组织单元，用于组织和编排发现的服务，以满足应用程序的请求；
访问单元，用于访问虚拟设备的服务，通过向虚拟设备管理模块发送请求，来发现能提供请求所需服务的设备；
数据管理单元，用于从设备获取请求的数据，处理并发送给上下文管理模块和将转发到应用程序的服务。
7.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述上下文管理模块，包括如下单元，
上下文提取单元，用于从设备采集的测量数据中提取上下文数据，然后当需要修改配置时发送给安全与信用管理模块。
8.根据权利要求1所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述安全与信用管理模块，包括如下单元，
设备安全配置单元，用于向虚拟设备管理模块下发命令，根据设备的信用值对各个设备进行安全配置；
安全通信单元，用于向通信管理模块下发命令，确保安全通信；
授权与接入控制单元，用于通过向服务管理模块输出命令实现对服务和设备的访问进行授权和接入控制，确保仅有已被授权的用户有权根据预定义的策略访问服务和设备；
信用值计算单元，用于从上下文管理模块中获取数据，来计算和管理系统中用户面和设备面的信用值。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述基于IoT的智能建筑管理系统，其特征在于：所述自动化层，包括如下模块，
事件管理模块，用于接收服务管理器转发的设备数据，跟踪、管理系统中的事件，将事件发送到案例推理模块；
案例推理模块，用于应用机器学习算法，分析传感器的数据来提取行为模式，为当前遇到的问题自动寻找潜在的有用的解决方法，从而改变系统指令，推理结果输入到业务流程管理模块；
业务流程管理模块，用于存储应用程序的业务处理流程，编排业务处理的步骤，当应用程序的业务流程改变时，发送新的命令给命令编辑模块；
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