基于無線通信技術(shù)的建筑電氣智能化控制系統(tǒng)

張春香 張博文

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計研究院科技工程股份有限公司山東分公司 山東 濟(jì)南 250101

引言

目前關(guān)于建筑電氣設(shè)備控制的研究有很多。有學(xué)者設(shè)計一種智能化控制系統(tǒng)，在該研究中設(shè)計了由管理層﹑采集控制層﹑設(shè)備層三級構(gòu)成的控制架構(gòu)，然后基于全變頻自適應(yīng)控制算法設(shè)計了控制工藝，主要包括風(fēng)機(jī)模式控制﹑供冷模式控制﹑冷源效率控制等三種，提高了通風(fēng)空調(diào)的總體能效。有學(xué)者以高層建筑集中供暖系統(tǒng)為對象，研究一種基于分布式群控技術(shù)的控制策略，在該研究中首先建立分布式群控技術(shù)的基本思想進(jìn)行了分析，其次構(gòu)建了建筑模型，然后設(shè)計了一種室內(nèi)溫度模型預(yù)測控制器，定義了該控制器的目標(biāo)函數(shù)，最后通過分布式群控思想實現(xiàn)了優(yōu)化控制[1]。為了更好地提高系統(tǒng)控制能效，降低控制延遲，設(shè)計了基于無線通信技術(shù)的建筑電氣智能化控制系統(tǒng)，利用設(shè)計的多信道無線通信傳輸方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID線性控制，達(dá)到最終的控制目的，為智能建筑的建造和完善提供參考和借鑒。

1 智能化建筑電氣特點(diǎn)

在我國社會﹑經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展迅速的今天，電氣系統(tǒng)在建設(shè)中的作用日益凸顯和強(qiáng)化。人民群眾對居住和生產(chǎn)的環(huán)境品質(zhì)提出了更高的要求，現(xiàn)行的建設(shè)項目的電氣建設(shè)也應(yīng)該朝著精細(xì)化﹑有序的方向發(fā)展。智能化建筑的電氣系統(tǒng)施工是一個復(fù)雜的過程，其結(jié)構(gòu)可分為供配電系統(tǒng)﹑照明系統(tǒng)﹑接地系統(tǒng)﹑備用電源﹑綜合布線﹑建筑控制﹑火災(zāi)及其他的電氣設(shè)備。與其他項目的電氣設(shè)備連接方式比較，智能化建筑的電氣建設(shè)特點(diǎn)有：第一，電氣工程更加隱蔽。在施工電氣的施工中，為了從基本保證整個施工階段的美觀，大部分都是實用暗裝施工，使施工和維護(hù)工作更加困難，與建筑的土木工程關(guān)系更為緊密。第二，電氣工程具有明顯的系統(tǒng)性。智能化建筑的電氣系統(tǒng)建設(shè)必須滿足不同類型的電氣需求為主要內(nèi)容。

2 建筑電氣智能化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 無線通信方案設(shè)計

當(dāng)前控制系統(tǒng)多采用單信道通信傳輸技術(shù)來貫穿系統(tǒng)上下兩端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與流程。這種技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)時，很容易受到無線通信固有特性的影響，無法消除節(jié)點(diǎn)間的相互干擾，使得控制存在較大的延遲以及消耗了系統(tǒng)大量能耗[2]。面對這種情況，本系統(tǒng)中設(shè)計一種多信道無線通信方案，在有效地提高并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)量﹑增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時，也能增強(qiáng)其抗干擾能力，從而降低整個控制系統(tǒng)在控制過程中的控制延遲。目標(biāo)函數(shù)即使用多信道無線通信方案要實現(xiàn)的目標(biāo)，即最大網(wǎng)絡(luò)容量。最大網(wǎng)絡(luò)容量意味著節(jié)點(diǎn)間互相干擾最少，信道利用率最高。設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下:maxY=H·R∑ni=1Pig()·SiM(1)其中，Si=log21+Aik/F2(2)Pig()=1，Yes0，No{(3)式中，maxY代表最大網(wǎng)絡(luò)容量；Pi(g)代表無線通信傳輸信道分配矩陣，當(dāng)鏈路i分配了信道g，則Pi(g)=1，否則Pi(g)=0；Si代表鏈路i的無線通信傳輸信道容量；H代表無線通信傳輸信道的帶寬；Ai(k)代表鏈路i中接收點(diǎn)k的信噪比；n代表無線通信網(wǎng)絡(luò)中鏈路數(shù)量；F代表干擾信號強(qiáng)度；M代表傳輸頻率；R代表干擾范圍。

2.2 設(shè)置約束條件

①通信信道數(shù)目約束aj≤Aj式中，aj代表節(jié)點(diǎn)j得到的信道數(shù)量；Aj代表節(jié)點(diǎn)j的接口數(shù)目。②通信信道可用性約束∑g∈GPig≤1式中，G代表無線通信網(wǎng)絡(luò)中可用信道總數(shù)；③通信鏈路信噪比約束Si≥T式中，T代表信噪比閾值(3)求解最優(yōu)多信道無線通信傳輸方案。利用粒子群算法求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，即最優(yōu)多信道無線通信傳輸方案。按照求取的最優(yōu)多信道無線通信傳輸方案進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通信傳輸，改善了建筑現(xiàn)場各個節(jié)點(diǎn)之間的傳輸干擾問題，使得控制策略更容易實現(xiàn)。

2.3 控制模型設(shè)計

在工業(yè)過程控制中，按被控對象的實時數(shù)據(jù)采集的信息與給定值比較產(chǎn)生的誤差的比例（proportional）﹑積分（integral）和微分（derivative）進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，簡稱PID控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，控制模型是以現(xiàn)場傳感器采集到的參數(shù)為基礎(chǔ)，通過PID控制器控制模型。控制模型可以描述為ψ(t)=Kpe(t)+1Ti∫e(t)dt+Tdde(t)dt||(7)其中，et()=βt()-αt()(8)式中，ψ(t)代表建筑電氣設(shè)備的控制量；Kp代表比例系數(shù)；e(t)代表誤差；Ti代表積分時間常數(shù)；Td代表微分時間常數(shù)；β(t)代表系統(tǒng)設(shè)置的電氣設(shè)備運(yùn)行下的理想建筑內(nèi)環(huán)境參數(shù)；α(t)代表建筑內(nèi)實際環(huán)境參數(shù)。通過比例﹑積分與微分的智能調(diào)整，能夠讓電氣設(shè)備的各項參數(shù)比如溫度﹑濕度﹑濃度等保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而降低整個系統(tǒng)的能耗。當(dāng)布設(shè)在現(xiàn)場的傳感器采集數(shù)據(jù)之后，在設(shè)計的多信道無線通信傳輸方案下，將數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，利用其中的基于PID控制模型得出電氣設(shè)備的控制量，并通過以太環(huán)網(wǎng)將指令傳輸給電氣設(shè)備，控制電氣設(shè)備執(zhí)行指令，使其達(dá)到預(yù)期，完成建筑電氣智能化控制。

3 智能化建筑的電氣建設(shè)重點(diǎn)及難點(diǎn)

3.1 布線

在智能建筑的電氣設(shè)備中，導(dǎo)線管的類型很多，可以分為金屬管﹑塑料管﹑線槽或橋架等。在布線時，導(dǎo)線導(dǎo)管的彎折半徑較小，絕緣導(dǎo)管保護(hù)層數(shù)不均勻，金屬導(dǎo)管焊接品質(zhì)需提高，橋架上的布線標(biāo)識不清楚，造成線路布設(shè)的雜亂無章。為了從根本上提高電氣設(shè)備的鋪設(shè)質(zhì)量，確保電氣設(shè)備的高質(zhì)量進(jìn)行，必須對電纜的施工全程進(jìn)行嚴(yán)格的控制[3]。對電氣管道的彎矩進(jìn)行了精確設(shè)定，并規(guī)定了其最大彎矩和最小彎矩半徑必須符合隨后的布線條件。電纜橋架也是電纜鋪設(shè)中的關(guān)鍵和難題，應(yīng)根據(jù)電纜橋架上的特殊要求，在其最優(yōu)位置分別布置兩個以上的接地線。并對接地導(dǎo)線的容許剖面進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定。當(dāng)接地線連接在跨越的銅心接地導(dǎo)線時，其最小允許的橫斷面積應(yīng)為4mm2。在電氣和橋架之間鋪設(shè)時，應(yīng)在兩端分別設(shè)立標(biāo)識。對橋架內(nèi)部的線材充填比例要小于60%。在鋪設(shè)時，必須有合理的布置。在水平鋪設(shè)時，在頭﹑端和拐角處要有一個固定的位置；豎向鋪設(shè)時，固定點(diǎn)之間的距離不得超過1m。

3.2 照明設(shè)備的安裝

對目前電氣安裝中燈具安裝工作進(jìn)行了剖析，結(jié)果表明：存在安裝過程中燈具的選擇不合理﹑燈具質(zhì)量不合格﹑燈具安裝位置與其他電氣安裝位置發(fā)生矛盾﹑照明設(shè)施和設(shè)備的安裝不正確等問題。為了從源頭上提高照明設(shè)備的裝配水平，有關(guān)部門必須對其進(jìn)行嚴(yán)格的品質(zhì)檢查，保證其在使用過程中達(dá)到使用的安全﹑穩(wěn)定的目的。在安裝燈具時，必須按照設(shè)計圖所標(biāo)明的安裝地點(diǎn)，對施工項目的總體施工進(jìn)行全面的剖析。燈具的安裝中線必須與水平方向一致，其誤差不得大于5mm。

3.3 汽車庫管理系統(tǒng)

①汽車庫管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的非接觸技術(shù)﹑車輛檢測技術(shù)﹑自動控制技術(shù)﹑計算機(jī)圖像處理和管理技術(shù)為一體，實現(xiàn)高效﹑安全﹑方便的停車場管理。系統(tǒng)集計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)﹑視頻監(jiān)控﹑圖像識別與處理及自動控制技術(shù)于一體，來實現(xiàn)停車場的車輛全自動化管理，即對車輛出入控制﹑車位檢索﹑費(fèi)用收取﹑核查。通過視頻免取卡形式對進(jìn)出本項目的所有車輛引導(dǎo)停放﹑存取﹑收費(fèi)等實現(xiàn)綜合自動控制與管理。停車庫不僅可供小區(qū)內(nèi)部人員使用，也可供外來車輛臨時停用。系統(tǒng)出入口處配置免取卡收費(fèi)控制器﹑道閘和車輛檢測器，通過布線到管理崗?fù)C；結(jié)合識別的管理軟件，實現(xiàn)車輛的出﹑入時間記錄以及場內(nèi)車輛的信息記錄并生成日報表﹑月報表。車輛出﹑入口處各安裝地感線圈，通過它將感應(yīng)信號傳給車輛檢測器，再由車輛檢測器將信號傳給自動擋車器，控制擋車器落桿與否。在停車場的入口﹑出口處安裝主﹑輔攝像機(jī)識別車牌，設(shè)置補(bǔ)光燈，提高識別率。②采用車牌識別軟件進(jìn)行入場時間統(tǒng)計﹑出場費(fèi)用結(jié)算；對于入場“無車牌”或“無法識別車牌”車輛通過車型﹑顏色識別后將照片歸入“待選”名單，出場時人工比對照片進(jìn)行收費(fèi)；系統(tǒng)對無法識別的車輛進(jìn)行人工車牌信息修改，出場時利用模糊查詢匹配；車輛入場﹑出場進(jìn)行車輛前后整體高清拍照，以備查詢使用。③可通過微信或支付寶等互聯(lián)網(wǎng)支付平臺結(jié)算停車費(fèi)，可設(shè)置黑名單，禁止入內(nèi)。軟件可設(shè)置單個車位可帶3輛車，當(dāng)車位上有停車時拒絕該車位的其他授權(quán)車輛進(jìn)入。

3.4 開關(guān)和面板的裝配

在電氣開關(guān)插口和面板的裝配時，必須把插口與墻壁的接觸面緊固，四壁不留空隙。面板的表面要平整，沒有任何的刮痕。逐一對漏電開關(guān)進(jìn)行檢測，以防止其出現(xiàn)品質(zhì)問題，避免導(dǎo)致以后的操作中出現(xiàn)更大的安全風(fēng)險。同一類型的面板應(yīng)該放在一塊，并且要對其安裝的地點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。如果工地上有交流﹑直流或不同的電源插口，也要使用清楚的標(biāo)志加以區(qū)別[4]。同時，還應(yīng)該根據(jù)AC﹑DC或者其他電壓水平單獨(dú)設(shè)定插座，以保證在使用過程中使用時的安全。插口的接線也必須嚴(yán)格按照接線程序進(jìn)行，例如在安裝一個單相雙口插口時，插口的右側(cè)或上部開口必須與相線相連，而插口的左右側(cè)和下部開口則要與零線相連。在單相三孔插座時，電源插口右側(cè)的開口要與相線相連，左邊的開口要與零線相連。三相插口的相位順序必須是相同的，而在插口之間的接地線和接零線也不能串接。

3.5 門禁管理系統(tǒng)

①門禁系統(tǒng)由前端門禁點(diǎn)﹑發(fā)卡器﹑管理電腦等組成，通信協(xié)議采用TCP／IP，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡眯约案咚?；磁力鎖在火災(zāi)報警時強(qiáng)制斷電開門。本系統(tǒng)根據(jù)用戶使用需求分為普通讀卡器門禁和多功能門禁一體機(jī)兩種。②僅面向物業(yè)管理人員使用的樓棟次出入口﹑重要發(fā)電機(jī)房﹑配電機(jī)房﹑消控室﹑生活水泵房﹑電信機(jī)房﹑電視機(jī)房﹑屋頂層出入口通道等區(qū)域設(shè)置普通讀卡器門禁。③出入口控制系統(tǒng)采用非接觸感應(yīng)式IC卡技術(shù)，硬件部分主要包括了控制器﹑讀卡器﹑電磁鎖等。系統(tǒng)通過管理中心對用戶進(jìn)行發(fā)卡授權(quán)，用戶通過在讀卡器上刷卡，控制器在接收到讀卡器上感應(yīng)到的用戶信息后判斷用戶權(quán)限，做出是否打開對應(yīng)門鎖的動作，中心軟件實時反應(yīng)所有人員進(jìn)出信息﹑門狀態(tài)信息和相關(guān)報警信息等。讀卡器鍵盤還具有脅迫密碼報警功能。④面向住戶及訪客使用的小區(qū)出入口﹑地下室及一層單元樓出入口﹑進(jìn)出商業(yè)圈等區(qū)域的門禁采用多功能門禁一體機(jī)，住戶可采用人臉識別﹑指紋刷卡﹑輸入鍵盤密碼等方式進(jìn)行通道授權(quán)，訪客采用二維碼或身份證識別方式進(jìn)行通道權(quán)限控制。⑤網(wǎng)絡(luò)型門禁一體機(jī)系統(tǒng)將讀卡器與控制器合二為一。并集成有人臉識別攝像機(jī)﹑指紋識別和鍵盤。系統(tǒng)通過管理中心對用戶進(jìn)行人臉﹑指紋采集，或設(shè)置密碼等方式進(jìn)行授權(quán)，用戶通過上述方式開門，控制器做出是否打開對應(yīng)門鎖的動作。

4 結(jié)束語

為滿足人們對居住﹑辦公環(huán)境舒適性的需要，建筑內(nèi)部的電氣設(shè)備應(yīng)用得越來越多，對電氣設(shè)備的控制要求越來越高。面對這種情況設(shè)計了基于無線通信技術(shù)的建筑電氣智能化控制系統(tǒng)，通過無線通信技術(shù)將多種電氣設(shè)備集為一體，通過實時傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，利用PID設(shè)計一種控制模型，得出控制量，實現(xiàn)建筑內(nèi)部電氣設(shè)備的智能化控制。在未來研究中將進(jìn)一步驗證控制器的廣泛適用性以及提高系統(tǒng)控制精度。