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标题: 智能建筑系统会聚 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 09:23
标题: 智能建筑系统会聚
随着建筑自动化数据流经企业网络和互联网，设计者也正在转向集成系统和Web 服务。　　要点
　　智能建筑系统主动交换信息，尽可能以最低成本为居住者提供一个良好的环境。
　　现有的无线网络与企业信息技术网络可以使建筑系统共享数据，而不必布设新的电缆。
　　低功耗、低数据速率的无线网络为智能建筑系统的分布式传感器节点提供最优的控制算法。
　　XML 和 Web 服务技术为互不兼容的自动化建筑系统之间提供了一个公共的通信通道。

　　伴随高速信息技术网络的广泛普及，客户对开放式、可互操作子系统的需求也在增长，从而促使建筑自动化领域从拥有大量专有产品的独立供应商转型成为一种标准化的行业。随着这个转型的发展，建筑系统（如照明、环境和安保）可以相互或与企业以及网络商务应用共享数字信息，从而降低成本和对实时事件做出响应。可以预期，今后的智能建筑技术可以使多种建筑物自动响应恶劣天气情况、能源短缺、附近的火灾，或当地刑事案件。

　　大多数智能建筑系统包括一系列分布式传感器，以及专用的驱动器，它们与本地或远程处理器上的应用软件相连。这些系统通常具有单一的建筑自动化功能，例如气候控制、安保或防火。然而，随着建筑系统变得更加集成化和复杂化，控制算法则可以用外部的数据优化它们的目标，例如其它建筑子系统、历史数据、天气预报，以及实时地能源报价等。

　　过渡到集成化系统的主要障碍是建筑自动化制造商过去使用的通信与网络体系种类繁复。很多现代建筑子系统除了各种专有体系之外，都能与标准协议如 LonWorks（局域运行网络）和 BACnet（建筑自动化与控制网络）通信。这些系统需要在传感器、驱动器和处理单元之间有专用接线。现在，几乎所有商用建筑中都带有企业信息技术网络，建筑自动化设计者可以利用大带宽数据通道优点来适应自己的子系统。虽然设计者已经采用了某些建筑自动化协议，用于与 TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）网络的数据交换，但很多设计者仍需要专用的网关设备获取系统特定的信息。

　　建筑网络

　　BACnet 是一种用于建筑系统并得到广泛部署的开放式协议通讯标准，用于将数据描述为对象、资源和服务。这种描述数据和动作的标准方法能够实现不同厂商设备的互操作，不过大多数 BACnet 设备只限于 HVAC （加热、通风和空调）业。BACnet标准定义了几个 PHY （物理）层，包括 Ethernet、 BACnet/IP和通过RS-232 的点对点。BACnet是由ASHRAE（美国加热、制冷和空调工程师协会）维护的一个ANSI和ISO标准。

　　LonWorks是另一个流行的建筑控制系统协议，它需要一个专利的 Neuron芯片，或每个控制器有一个得到Echelon公司许可的知识产权。照明、公共设施和运输业使用低带宽的 LonWorks协议，它在自动化建筑中的装机量高于BACnet。LonWorks协议提供一组服务，可以使设备应用软件通过网络收发信息而无需了解网络拓扑或名称、地址，以及其它设备的功能。协议的公开版本是 ANSI/EIA709，它非常详细地描述了在多种通用处理器上的运行算法。

　　尽管 TCP/IP 对于智能建筑结构是一个合理地选择，但很多系统需要大量企业网络难以承受的现场传感器。不需要安装新互连电缆的连网方案，如无线链路、电力线通信，甚至电话线共享，更适合这些情况。这些隔离的传感器节点的其它要求就是极低功耗。在很多远程地点，传感器必须依靠电池电力运行长达一年时间。这些节点可以运行在这种低功耗下，因为传感器采集的数据速率很低。

　　IEEE 802.15.4 定义了一种超低功耗、低数据速率的无线网络结构，最适合用于许多智能建筑传感器应用。该标准工作在无需许可的频段，定义了 868 MHz 频段 20 kbps、915 MHz 频段 40 kbps，以及 2.4 GHz 频段 250 kbps 等低速率设备通信的 PHY 和 MAC（介质访问控制）子层规格。网络可以采用星型或对等拓扑，可以寻址多达 65000 个节点。发送器采用 DSSS（直接序列扩频），在 1 GHz 以下频段用 BPSK（二进制相移键控），在 2.4 GHz 用 O-QPSK（偏移-正交相移键控）。该标准在2.4 GHz 频段提供 16 个信道，在 915 MHz 频段提供 10 个信道，868 MHz 频段提供 1 个信道。此规格描述了两种类型的网络节点：可以完成任何网络工作的 FFD（全功能设备）；用于成本敏感应用的资源和功能有限的 RFD（缩减功能的设备）。

　　低与慢

　　作为 IEEE 802.15.4 定义的 PHY 和 MAC 层的补充，ZigBee 联盟为低速率、低功耗的无线应用定义了剩余的层。每个网络必须至少有一个 FFD，或协调器，用于提供初始化、节点管理和节
<div id="Content">点信息存储。为尽量减小成本和功耗，其余节点可以是用电池运行的简单 RFD。ZigBee 网络可以用多种数据传输方案。对于无线传感器这类周期性数据，节点会定时唤醒，将采样数据传送至协调器，再返回休眠状态。只有在激活时，照明开关才会传递间断性数据，并能与网络连接和通信。像实时控制系统这样的数据重复性设备，可以利用 ZigBee 的保证时隙功能，以确保不会出现延迟或信道竞争。系统设计者可以利用这些网络层数据传送策略，对 RFD 节点的通信频率与电池寿命作出折衷。由于占空周期非常低，采用钮扣电池的节点也能运行很多年。

　　多家半导体制造商都有符合 ZigBee 要求的硅片与开发工具。例如：Chipcon 的低成本 CC2420 收发器面向 2.4 GHz 频段的低功耗、低电压 RF 应用（图 1）。它遵守 IEEE 802.15.4 标准以及 ZigBee 对互操作性的要求。对于安全应用，CC2420 提供数据加密和数据验证的硬件支持。该收发器面向低成本主处理器，支持数据包处理、数据缓冲、突发传送、地址识别、无干扰信道评估和链接质量指示。该收发器适用于 FFD 和 RFD，并带有一个 250kbps 有效数据速率的 DSSS 调制解调器。在用户可编程输出功率下电流消耗为 17 mA ~ 18 mA。Chipcon 现提供 0dBm 和 10dBm 输出功率的参考设计。

　　随着建筑自动化产品在智能和互操作方面的不断增强，设计师需要一种标准语言，用于系统之间传递请求、命令和数据。许多设计师选择了 XML （扩展标记语言）。它基于文本的语法类似于已在网页浏览器中获得成功的 HTML （超文本标记语言）。XML 现在大量用于Web 服务传送，它采用非常类似 HTML 的标记包封数据方法，但有明显的差异。HTML 标记是规定如何表达或显示文字，而 XML 标记则描述被包封文本的内容。另一个重要差异是 XML 的可扩展性，即可以定义自己的标记。

　　有几家厂商将 XML 组合到他们的建筑控制系列产品中。例如：美国联邦政府最近将一个合同给予了 Johnson Controls，这是为新的国会图书馆电影广播与录音部综合建筑提供室内环境控制系统。Johnson Controls 基于 XML 的 Metasys 建筑管理系统将管理所有的温度、湿度和电力负荷。这种基于网页的环境控制对所有音频和视频录制都很重要，尤其是硝酸银胶片的存储，因为在室温下它们的品质会快速下降，可能成为爆炸物。

　　需求响应

　　在一次大范围 XML 建筑自动化性能测试中，美国能源部劳伦斯伯克利国立实验室的研究人员完成了一项自动需求响应测试，以降低高电价和停电时的耗电，或过度需求对电网的威胁。测试使用互联网上的 XML 信号指示当前的每千瓦小时价格。当价格增加时，五个一组的大型建筑设施开始根据一个预定计划减少照明和空调耗电。测试成功证明了制造商的系统可以通过互联网聆听到普通的 XML 信号，并在发电厂或电力线故障时采用相应动作来降低电力需求。

　　除 XML 之外，其余几项互联网技术对建筑自动化服务也很重要，包括 SOAP（简单对象访问协议）、用于应用识别的 UDDI（通用描述、发现和集成）格式，以及 WSDL（Web 服务定义语言）。这些技术相互作用构成一个软件栈，用于 Web 服务的定位、描述和执行。你可以到万维网联盟（World Wide Web Consortium）网页查看并下载 Web 服务协议与技术的最新标准。

　　OASIS（结构化信息标准推进组织）提出了一个倡议，以定义用于建筑控制系统的基于 XML 和 Web 服务的方法。OASIS oBIX（开放式建筑信息交换）技术委员会正在定义一个标准的Web 服务协议，以实现建筑的机械、电力系统与企业设备之间的通信。由于 oBIX 整合在企业中，因此能够连续查看机械系统、电力控制系统，判断出问题与趋势，用于系统分析和人机交互。oBIX 的目标是发展一个 Web 服务界面规范，从而简单而安全地从 HVAC、进出控制、公用设施和其它建筑自动化系统中获得数据。oBIX 还具备能与既有机械系统、电力子系统共同运行的优势。

　　Encelium Technologies的ECS（能源控制系统）是可升级软、硬件系统的一个范例，用户能够使用基于光电传感器的自动照明亮度调整、以及基于感应传感器的照明电平、基于时间的区域照明控制，和通过调暗照明来降低负荷来应对能源价格峰值等方法，减少照明需求。雇员或建筑能源管理员能够通过系统的通信网络，从一台PC或通过互联网分别控制照明设备、感应传感器、光电传感器和墙式调光器。ECS的图形用户界面包含 Encelium 的中心控制软件，任何工作站都可以通过建筑中的LAN布线，完成直接照明控制和其它能源管理功能（图2）。根据不同的系统配置，ECS 的起价为 1 万美元。

　　在今天的建筑自动化氛围中，设计者必须处理大量缺乏通信能力的独立子系统。Connect One 提供 ioNet 嵌入设备服务器模块，它使用互联网协议翻新已安装的工业设备或机器，使之具备远程监控和控制性能（图 3）。该模块允许系统设计师完成各种缺乏内置通信硬件的设备接口，如电梯、监视摄像头、自动售货机和博弈机。用户可以将设备中的数字或模拟信号输出端用硬接线方式连接到 ioNet 的接线端。模块便可以通过内置 10/100BaseT 端口，在互联网上记录事件和交换数据。可以用一个标准浏览器通过网页或 Connect One 的设备连网服务器远程管理 ioNet。

　　由于不动产有很长的生命周期，智能建筑技术要花数年甚至数代时间，才能成为我们建筑物清单上的一个不可或缺的组成部分。在这个过渡期间，设计师必须在不完全替代既有系统条件下，设计出能提供建筑自动化优势的灵巧技术。今天，网页技术似乎成为了不兼容系统间共享数据、响应远程指令的优选方案，并且成为商务信息结构的一个组成部分。

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