基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的智能遮陽控制系統(tǒng)

熊愛民，謝 軒，方江松

(1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州保得威爾電子科技有限公司研發(fā)部，廣東廣州 510663)

遮陽控制是智能樓宇(BA)中重要的分支系統(tǒng)，其發(fā)展逐漸受到國內(nèi)外建筑行業(yè)的重視，低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求使現(xiàn)代樓宇建設(shè)必須考慮能耗問題。研究表明，建筑室外遮陽板、室內(nèi)窗簾、外墻隔熱材料、開窗次數(shù)、大小及方位等，均直接影響建筑物的能耗［1－2］。

現(xiàn)代建筑中，空調(diào)、照明占建筑整體能耗的60%以上。目前，人們正更多地采用玻璃作為裝飾和采光材料，其帶來的就是陽光直射，可減少照明能耗，但同時(shí)引起制冷和保暖的能耗顯著增加。為解決這一矛盾，采用室內(nèi)、外遮陽技術(shù)，減少陽光直射，防止眩光影響室內(nèi)環(huán)境，改善室內(nèi)照明，降低照明功耗;同時(shí)也大幅降低了太陽輻射熱量，避免夏季室內(nèi)溫度過高，從而減少空調(diào)能耗;所以遮陽對(duì)建筑能耗的影響至關(guān)重要。本智能網(wǎng)絡(luò)遮陽系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，是建筑智能化發(fā)展的方向和趨勢(shì)［3－4］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遮陽系統(tǒng)連接室外遮陽板及室內(nèi)百葉窗簾，遮陽板和百葉簾片受普通雙向220 V交流電機(jī)控制，可以調(diào)節(jié)簾片上下高度位置和葉片角度，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)光線、改善室內(nèi)溫度并節(jié)能減排的目的。

因戶外遮陽板和室內(nèi)窗簾是建筑整體大廈裝飾的重要組成部分，其整體外立面及室內(nèi)效果應(yīng)整齊、美觀，因此采用網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一控制與管理是最佳選擇。

若室內(nèi)光線的調(diào)節(jié)采用人工或簡(jiǎn)單定時(shí)調(diào)節(jié)，既破壞了整體裝飾效果，又降低了智能化管理水平，空調(diào)、燈光系統(tǒng)也無法聯(lián)動(dòng)，無法達(dá)到節(jié)能效果。大多數(shù)遮陽產(chǎn)品只是單一地遮擋陽光，阻隔太陽輻射和避免眩光，采用人工控制或簡(jiǎn)單電動(dòng)裝置。

文中設(shè)計(jì)的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的智能網(wǎng)絡(luò)遮陽控制系統(tǒng)，采用Lomworks現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制總線，通過各種實(shí)際傳感器探測(cè)與智能算法分析相結(jié)合，能進(jìn)行陽光自動(dòng)追蹤、預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制室內(nèi)外遮陽系統(tǒng)，并聯(lián)動(dòng)燈光系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，提供舒適的室內(nèi)光照及溫度環(huán)境，從而最大限度的實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能［5］。

該系統(tǒng)分4層，如圖1所示:管理層、系統(tǒng)集成層、 現(xiàn)場(chǎng)控制層和執(zhí)行層/傳感器層。

圖1 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 管理層

通過管理層對(duì)窗簾控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。管理層的設(shè)備主要有Web操作站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和各種客戶端，形成該控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，本層設(shè)備通過以太網(wǎng)連接，支持TCP/IP協(xié)議。

Web操作站上運(yùn)行Microsoft Windows操作系統(tǒng)下的Web界面，通常用計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，提供對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)全部操作的接口，包括網(wǎng)絡(luò)安裝、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)及變量連接等。本管理層可提供OPC接口，為其他智能系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口，實(shí)現(xiàn)整棟建筑的綜合信息管理，協(xié)調(diào)BA各子系統(tǒng)的節(jié)能工作。

1.2 系統(tǒng)集成層

智能總線服務(wù)器和數(shù)據(jù)交換機(jī)位于系統(tǒng)集成層。采用快速以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，支持TCP/IP協(xié)議。智能總線服務(wù)器是多功能智能管理設(shè)備，是連接控制中心和終端設(shè)備的橋梁。控制中心通過快速以太網(wǎng)和智能總線服務(wù)器連接，而設(shè)備終端通過雙絞線(Lonworks總線)與智能總線服務(wù)器連接。作為智能總線服務(wù)器，其集成了網(wǎng)絡(luò)安裝、設(shè)備管理和監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等全部功能，內(nèi)置了時(shí)序調(diào)度、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)記錄等程序，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的集成。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)終端探測(cè)器的信息接收及對(duì)終端執(zhí)行器的直接控制，保障了系統(tǒng)各部分可獨(dú)立工作，而不僅依賴神經(jīng)中樞，減少了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，方便了用戶安裝與維護(hù)。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)控制層

遮陽控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器(FCNs)是完全符合Lonworks總線標(biāo)準(zhǔn)的控制器。這些可編程控制器適用于室外遮陽板、室內(nèi)百葉簾及卷簾等設(shè)備的控制，也可作為燈光和空調(diào)控制模塊，進(jìn)行智能燈光、溫度控制。

現(xiàn)場(chǎng)控制器(FCNs)間的通訊連接是通過兩芯非屏蔽雙絞線的 Lonworks總線網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)控制器(FCNs)上包含有最新一代的Neuron 5000芯片和FTX3智能雙絞線收發(fā)器，每片Neuron芯片均有唯一不可更改的Neuron ID，此ID即為該設(shè)備在總線上的設(shè)備編號(hào)，其硬件設(shè)計(jì)由3部分組成，即主控電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路及電源電路?，F(xiàn)場(chǎng)控制器分為馬達(dá)、燈光、空調(diào)等不同類型，各自通過不同的多參量數(shù)據(jù)分析程序，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)遮陽馬達(dá)、燈光、空調(diào)的輸出控制。

1.4 執(zhí)行器/傳感器層

位于該層的設(shè)備是傳感器/執(zhí)行器，如電機(jī)、光照度計(jì)和數(shù)字溫度探測(cè)器等。其中還有風(fēng)感，用來測(cè)量戶外風(fēng)力，以便在風(fēng)力超過設(shè)定的限度時(shí)收起戶外遮陽板，避免遭到破壞。

本層各傳感器由符合Lonworks總線的數(shù)字氣象站模塊連接，探測(cè)到各種參數(shù)后，通過同樣符合Lonworks總線的陰影計(jì)算模塊，經(jīng)建筑陰影計(jì)算模型分析后，將數(shù)據(jù)、指令及各參數(shù)通過Lonworks總線傳遞給各現(xiàn)場(chǎng)控制器以及智能總線服務(wù)器，為實(shí)現(xiàn)智能控制提供數(shù)據(jù)參數(shù)。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用Lonworks總線為現(xiàn)場(chǎng)控制總線，是因?yàn)長onworks是一個(gè)開放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，能連接各種不同的設(shè)備。其應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)廠房、商業(yè)大廈到普通家庭住宅，其獲得了各國不同行業(yè)領(lǐng)域及世界標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE、ANSI、ASHRAE和IFSF等的一致認(rèn)可，目前，已被批準(zhǔn)成為國際、國家建筑智能化總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。

由Lonworks總線組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要特點(diǎn)有:(1)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多元化:主要采用分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)也支持主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。(2)傳輸媒體與材質(zhì)的多樣性:包括可使用各類雙絞線、同軸電纜、電力線及光纜等。(3)通訊協(xié)議的模塊化與開放性:Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)采用LonTalk通訊協(xié)議，即 ANSI/EIA709.1－A－1999，已經(jīng)固化在了神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)中，該協(xié)議具有開放透明性，符合該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可使來自各生產(chǎn)廠商、任何種類的產(chǎn)品互聯(lián)互通。這種互操作性使系統(tǒng)開發(fā)的整體和周期成本較傳統(tǒng)封閉系統(tǒng)相對(duì)更低。(4)與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容性:Lonworks網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可通過各種連接設(shè)備接入IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，與信息技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合。信息技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的軟件支持能力大幅提高了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

3 系統(tǒng)的功能

3.1 控制模式

系統(tǒng)控制方式分3種:現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、集中控制和自動(dòng)控制。自動(dòng)控制是采用陽光自動(dòng)跟蹤技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)室內(nèi)、外光強(qiáng)溫度及風(fēng)力風(fēng)向等，并通過陰影計(jì)算模塊修正周邊建筑對(duì)大樓的影響，產(chǎn)生合理的葉片控制角度和位置，達(dá)到最佳調(diào)光效果。系統(tǒng)根據(jù)一年四季太陽光的照射角度自動(dòng)計(jì)算出整棟樓的不同朝向和樓層的每一幅百葉，從0°～180°自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，至少有6個(gè)以上的葉片角度可供調(diào)整。以實(shí)時(shí)保證遮陽、采光和通透性的最佳平衡。

其間，采用模糊算法，通過多參量數(shù)據(jù)分析模型，結(jié)合不同實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)輸出控制進(jìn)行修正，當(dāng)然也可根據(jù)人工設(shè)定進(jìn)行修正。

集中控制是根據(jù)管理需要，在控制中心對(duì)每一幅窗簾進(jìn)行指令調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)集中管理和操作，如玻璃清洗或檢修等。

現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制通常需要控制中心授權(quán)后才可執(zhí)行，指定某一區(qū)域的窗簾由現(xiàn)場(chǎng)個(gè)別客戶直接通過手動(dòng)開關(guān)、遙控器執(zhí)行特殊的遮陽調(diào)整，例如會(huì)議等。

其程序主要位于現(xiàn)場(chǎng)控制器中，具體流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件流程

3.2 其他智能控制管理模式

本系統(tǒng)通過軟件系統(tǒng)增加了人性化管理模式。如:定時(shí)管理模式、節(jié)假日管理模式。同時(shí)，作為室內(nèi)智能控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)要求，增加了應(yīng)急控制功能:可在火災(zāi)報(bào)警或其他緊急狀態(tài)下無條件收起全部百葉［5］。另外，因?yàn)橥瑫r(shí)操作上千幅窗簾，考慮用電等保護(hù)方面的要求，系統(tǒng)還有自動(dòng)錯(cuò)時(shí)、錯(cuò)峰啟動(dòng)功能:當(dāng)執(zhí)行全部電機(jī)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)錯(cuò)時(shí)響應(yīng)，以降低建筑物的峰值電流，避免電源電壓波動(dòng)。

3.3 系統(tǒng)軟件管理功能

由于是網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，管理功能較強(qiáng)大，可根據(jù)用戶需求，增加網(wǎng)絡(luò)軟件管理的各項(xiàng)功能。目前，該系統(tǒng)支持的管理功能有數(shù)據(jù)查詢、故障記錄、運(yùn)行記錄和分區(qū)管理等。

由于管理層網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，支持TCP/IP協(xié)議，通過整棟建筑的綜合信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)綜合能效管理，共享各種數(shù)據(jù)信息，如:室內(nèi)外溫度、光強(qiáng)和濕度等，為全面實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理提供了良好的數(shù)據(jù)接口。

整體系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

4 結(jié)束語

本智能遮陽控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，各節(jié)點(diǎn)控制器遵守標(biāo)準(zhǔn)Lonworks總線協(xié)議。系統(tǒng)建立了基于模糊算法的太陽高度和方位的角預(yù)測(cè)分析及建筑物室內(nèi)外陰影計(jì)算模型。通過陰影計(jì)算模塊連接各墻面?zhèn)鞲衅?，主?dòng)探測(cè)光強(qiáng)度及溫度等參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳送至總線服務(wù)設(shè)備，進(jìn)行多參量數(shù)據(jù)分析后，實(shí)現(xiàn)遮陽控制。同時(shí)，系統(tǒng)通過OPC接口，聯(lián)動(dòng)燈光照明、空調(diào)控制系統(tǒng)和其他BA子系統(tǒng)，達(dá)到建筑全方位智能化管理和節(jié)能減排的目的。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

［1］中華人民共和國建設(shè)部.智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50314－2006［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2006.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范JGJT16 －2008［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.智能建筑施工規(guī)范GB50606 －2010［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

［4］中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50016－2006［S］.北京:中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，2007.

［5］楊沖，薛嵐，劉利宏，等.LonWorks節(jié)點(diǎn)中主從處理器之間I2C接口的設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2009(7):62－65.