智能建筑中信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用探究

杜 群

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,710100）

0 引言

《2013-17 年中國(guó)智能建筑行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃》分析報(bào)告中指出，中國(guó)建筑行業(yè)的產(chǎn)值持續(xù)增長(zhǎng)，促進(jìn)了建筑智能化行業(yè)的發(fā)展。2005 年，智能建筑行業(yè)市場(chǎng)首次突破200 億元。而近年來每年產(chǎn)值增長(zhǎng)均在20%以上。其市場(chǎng)規(guī)模在2012 年更是達(dá)到了861 億元。隨著技術(shù)升級(jí)及市場(chǎng)領(lǐng)域的延伸，我國(guó)智能建筑行業(yè)依然顯示出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

在智能建筑中，信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用十分普遍，從樓宇建造、設(shè)施完善到信息整合、安全保障方面均體現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 信號(hào)檢測(cè)技術(shù)基本原理及技術(shù)構(gòu)成

1.1 信號(hào)檢測(cè)基本原理

信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，主要通過電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)以及物理學(xué)方法，深入分析噪聲產(chǎn)生規(guī)律及原因，研究被測(cè)信號(hào)的個(gè)性特點(diǎn)及相似性，達(dá)到有用信號(hào)（各種環(huán)境干擾下）檢測(cè)的目的。其宗旨是進(jìn)行“強(qiáng)噪聲信號(hào)提取”的研究；其任務(wù)是對(duì)信號(hào)檢測(cè)理論、方法及新技術(shù)的摸索實(shí)踐，借以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。

1.2 信號(hào)檢測(cè)技術(shù)技術(shù)構(gòu)成。

信號(hào)的檢測(cè)，隨著噪聲或者其他干擾因素的變化而難度有異。噪聲的產(chǎn)生來源是多方面的。電路元器件中電子熱運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生噪聲，半導(dǎo)體器件載流子不規(guī)則工作也可能產(chǎn)生噪聲。從這點(diǎn)意義上說，限制信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)性能的決定性因素就是噪聲。所以如何有效克服噪聲將使得信號(hào)檢測(cè)靈敏度大大提高。

下面就信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成部分作一概述。

1)濾波器技術(shù)

一般地，濾波是指被噪聲污染的信號(hào)波形。這在信號(hào)處理中經(jīng)常采用，應(yīng)用價(jià)值十分重要。不論哪一類信號(hào)檢測(cè)儀器，對(duì)濾波器形成了依賴。濾波器可以最大程度地幫助排除干擾，并分出信號(hào)。

濾波器一般采用電感電容等元件分立構(gòu)成。主要有RC 低通濾波器、LC 諧振回路等類型。它可以濾去如“電源50Mz 濾波”、“收音機(jī)、電視機(jī)中干擾的濾波某些譜線”等干擾。一些噪聲濾波時(shí)?；煸陔S機(jī)信號(hào)中，簡(jiǎn)單的濾波器并不是最佳濾波電路。信號(hào)噪聲都具有連續(xù)功率譜，普通濾波器誤差較大，且工作效率難以保證。這時(shí)就需要一種最佳線性濾波方法。其中一個(gè)代表就是維納線性濾波理論。這種濾波方法中，發(fā)展較為科學(xué)及應(yīng)用廣泛的部分是自適應(yīng)濾波。它在自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)上，配置相當(dāng)合理。設(shè)計(jì)時(shí)候，它對(duì)關(guān)于信號(hào)噪聲的任何先驗(yàn)知識(shí)基本不需求，利用噪聲抵消方法達(dá)到消除混入信號(hào)中觀察噪聲的目的。其原理在于采用有關(guān)的噪聲源 與n（t）輸入?yún)⒖纪ǖ溃诮?jīng)過自適應(yīng)濾波器H（jw）后，讓輸出噪聲抵消n（t），最終系統(tǒng)輸出端做到有效抑制噪聲。目前其應(yīng)用主要是在模型識(shí)別、通信信道自適應(yīng)均衡及生物醫(yī)學(xué)信號(hào)周期干擾消除方面。

圖1 噪聲抵消系統(tǒng)原理圖

2)信號(hào)判決技術(shù)

在噪聲中判決信號(hào)是信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中的重要技術(shù)部分。通常采用維納濾波的方法在這種情況下是行不通的。因此時(shí)域中的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法便應(yīng)運(yùn)而生。它把信號(hào)判決（T 時(shí)間內(nèi)）轉(zhuǎn)換為積分形式。當(dāng)然在信號(hào)判決中，因?yàn)樯婕霸S多隨機(jī)因素，尤其在噪聲比信號(hào)強(qiáng)得多的情況下判決，產(chǎn)生錯(cuò)誤幾率增加。所以做到最佳的判決準(zhǔn)則，其意義在于平均風(fēng)險(xiǎn)的最小化。

信號(hào)判決技術(shù)，一般都有相應(yīng)的信號(hào)判決準(zhǔn)則，具體含由取樣信號(hào)產(chǎn)生的判決檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量和判決門限。這些準(zhǔn)則的類別有最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則、貝葉斯準(zhǔn)則（二元信號(hào)判決的最佳準(zhǔn)則）、奈曼-皮爾遜準(zhǔn)則、極小極大準(zhǔn)則等。

3)信號(hào)參量估計(jì)技術(shù)

解決噪聲中信號(hào)有無的檢測(cè)，靠信號(hào)判決，但是這種技術(shù)施行的前提是準(zhǔn)確測(cè)定信號(hào)參量。參量估值范疇主要在于測(cè)量噪聲中信號(hào)的未知參量。在信號(hào)確定存在前提，信號(hào)參量估計(jì)主要研究信號(hào)參量 如何計(jì)算——決定 數(shù)值大小。當(dāng)然其大小在不同情況下含義不同。它可以在正弦信號(hào)幅度、頻率及相位方面起到指正作用。其輸入信號(hào)則可表示為 。由此，參量估計(jì)技術(shù)決定 值主要是通過尋找最佳估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的。

4)取樣積分器技術(shù)

在對(duì)噪聲中正弦信號(hào)幅度相位測(cè)量時(shí)一般用鎖定放大器，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)對(duì)噪聲淹沒中周期短脈沖波形檢測(cè)。那么這時(shí)候就需要用到取樣積分器一類技術(shù)。

圖2 取樣積分器電路

下圖是取樣積分器電路， 為與被測(cè)信號(hào) 同頻參考信號(hào)。延時(shí)t0，形成了取樣脈沖，通過取樣開關(guān)K 實(shí)現(xiàn)取樣輸入信號(hào)X（t）=S（t）+n（t）。

n 次積累后平均可知輸出為

圖3 波形示意圖

2 智能建筑定義標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體現(xiàn)

2.1 智能建筑的定義標(biāo)準(zhǔn)

1)國(guó)際定義標(biāo)準(zhǔn)

智能建筑是通過建筑物結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)及管理四項(xiàng)基本要求，利用其內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，從而提供一種投資合理、高效舒適和具有便利環(huán)境的建筑物。

2)我國(guó)定義標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50314-2006（修訂版）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，智能建筑是“以建筑物為平臺(tái)，兼?zhèn)湫畔⒃O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境”。

2.2 智能建筑技術(shù)

圖4 智能家居觸摸屏

圖5 智能建筑

智能建筑技術(shù)是通過控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能及運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科，來擴(kuò)展理論技術(shù)。其中，模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)檢測(cè)及專家系統(tǒng)等為應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)技術(shù)。

1)模糊邏輯

它是利用模糊語言描述系統(tǒng)來描述應(yīng)用系統(tǒng)定量模型及定性模型。它適用于控制任何復(fù)雜的對(duì)象。在實(shí)際應(yīng)用中，模糊邏輯可以較容易地實(shí)現(xiàn)單輸入單輸出(即SISO) 系統(tǒng)或多輸入單輸出(即MISO) 系統(tǒng)的控制，但是隨著輸入輸出變量增加，其推理過程將十分復(fù)雜。

2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

這種方法主要利用神經(jīng)元，按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)來調(diào)整系統(tǒng)。其中，并行計(jì)算、分布存儲(chǔ)、可變結(jié)構(gòu)、高度容錯(cuò)、非線性運(yùn)算、自我組織等體現(xiàn)了它較為豐富的特性。這種網(wǎng)絡(luò)可跟模糊邏輯一樣，使用控制復(fù)雜對(duì)象。不過控制單輸入多輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)的多變量卻是它所擅長(zhǎng)，尤其是SIMO 系統(tǒng)和MIMO 系統(tǒng)。

3)信號(hào)檢測(cè)

信號(hào)檢測(cè)，主要通過先進(jìn)的檢索系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇噪聲環(huán)境下微弱信號(hào)的捕捉與分析。借此為居住者提供準(zhǔn)確的生活指數(shù)預(yù)報(bào)，及相關(guān)安全信息反饋等等?，F(xiàn)代智能建筑中信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，目前主要在建筑配電系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)、空調(diào)設(shè)備信號(hào)檢測(cè)、漏水煙霧報(bào)警信號(hào)檢測(cè)及防雷消防系統(tǒng)檢測(cè)等方面。

3 信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用。

3.1 配電系統(tǒng)

在該系統(tǒng)，信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要利用鎖相放大技術(shù)對(duì)監(jiān)控視頻中微弱信號(hào)進(jìn)行提取，主要監(jiān)控收集三相相電壓、相電流、線電壓、線電流、有功無功及頻率功率等參數(shù)，及時(shí)對(duì)配電開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。這樣當(dāng)部分重要參數(shù)超過危險(xiǎn)界限后，就會(huì)自動(dòng)處理并發(fā)出報(bào)警。這種方法克服了工頻干擾影響，避開1／f 低頻噪聲，極大地提高了信息準(zhǔn)確性。

3.2 漏水、煙霧報(bào)警信號(hào)檢測(cè)

漏水信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，有定位監(jiān)測(cè)和不定位監(jiān)測(cè)兩種。定位檢測(cè)可以準(zhǔn)確地報(bào)告反饋具體漏水地點(diǎn)，而不定位監(jiān)測(cè)則只能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏水，不能指出明確地點(diǎn)。這種系統(tǒng)組成主要有兩部分，即傳感器和控制器。

煙霧信號(hào)探測(cè)裝置，由微電腦控制且故障自檢，避免出現(xiàn)漏報(bào)誤報(bào)情況。一旦煙塵進(jìn)入電離室并超過設(shè)定的濃度閾值，煙霧探測(cè)器的電場(chǎng)平衡關(guān)系會(huì)隨之破壞，信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能及時(shí)探測(cè)并發(fā)出警報(bào)。

3.3 防雷、消防系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)

該系統(tǒng)是信號(hào)檢測(cè)技術(shù)將信號(hào)“稀疏分解思想”應(yīng)用于雷電及消防領(lǐng)域的典型。這種信號(hào)稀疏分解利用MP（Matching Pursuit）算法來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可檢測(cè)出強(qiáng)噪聲環(huán)境中被淹沒的正弦信號(hào)幅度、頻率和初相位參數(shù)，并恢復(fù)為待測(cè)正弦信號(hào)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，信號(hào)檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)纂姯h(huán)境下建筑消防及其他安全環(huán)境的情況及時(shí)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)反饋?zhàn)龀鎏崆邦A(yù)警，為樓宇居住的安全提供了保障。

4 結(jié)語

雖然在今后的發(fā)展中，影響智能建筑的因素較多，但是建筑發(fā)展形勢(shì)將對(duì)相關(guān)技術(shù)包括信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的融入提出更高要求。這也勢(shì)必為信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的再研究、再應(yīng)用創(chuàng)造良好的發(fā)展氛圍。同時(shí)，這是智能建筑越來越高端化、便民化的重要體現(xiàn)。

[1]《微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用》 熊曉冬,胡澍.2009.05

[2]《智能建筑工程檢測(cè)技術(shù)》張青虎.2009.08

[3]《淺議智能建筑的檢測(cè)》劉春陽.田亮.2011.10