基于光接入網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的樓宇智能管理系統(tǒng)研究

陳 宏

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)

0 引言

隨著智能化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,智能樓宇已經(jīng)成為現(xiàn)代化建筑發(fā)展趨勢(shì),智能樓宇采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行日常維護(hù)和運(yùn)行,具有安全、便利、高效、節(jié)能、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)省維護(hù)管理工作量的特點(diǎn),備受消費(fèi)者的青睞。智能樓宇的管理范圍有電氣設(shè)備、消防系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、綜合布線(xiàn)、安全防范、物業(yè)設(shè)備等方面,提供門(mén)禁、安防、視頻監(jiān)控、電視、火災(zāi)報(bào)警、有線(xiàn)電視等方面的智能服務(wù)。但是目前的智能管理系統(tǒng)功能不能完全覆蓋物業(yè)管理的功能需求,有的僅是安全保衛(wèi)系統(tǒng),有的僅是通信系統(tǒng),還有的僅是消防系統(tǒng),無(wú)法為全面系統(tǒng)管理提供足夠的信息。全面信息處理的智能樓宇的智能項(xiàng)目種類(lèi)繁多,想要進(jìn)行全面信息的實(shí)時(shí)采集和集中管理,就需要設(shè)計(jì)綜合性任務(wù)分類(lèi)的智能管理系統(tǒng)。由于遙測(cè)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程獲得物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的準(zhǔn)確信息[1],遙測(cè)技術(shù)使用傳感技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的新型技術(shù),對(duì)距離遙遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣或高速運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,特別是在飛行器測(cè)試[2]、運(yùn)載火箭[3]、再入遙測(cè)[4]、無(wú)人機(jī)測(cè)控[5]、耐高沖擊測(cè)試[6]、遙測(cè)收發(fā)[7]、小型遙測(cè)發(fā)射[8]、彈載遙測(cè)[9]等將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的場(chǎng)合,都已經(jīng)廣泛使用。遙測(cè)技術(shù)屬于一種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù),是網(wǎng)絡(luò)感知的基礎(chǔ)技術(shù)之一。因此本文設(shè)計(jì)的智能管理系統(tǒng)采用光接入網(wǎng)絡(luò)的遙測(cè)技術(shù),通過(guò)采集網(wǎng)絡(luò)信息,傳輸基帶信號(hào),設(shè)計(jì)樓宇智能管理系統(tǒng),對(duì)樓宇進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和智能管理,獲得良好的測(cè)試結(jié)果,對(duì)于智慧生活具有重要的實(shí)踐意義。

1 樓宇智能管理系統(tǒng)

樓宇智能管理能夠提供安全、高效、節(jié)能的服務(wù),客戶(hù)提出越來(lái)越多的需求。本文設(shè)計(jì)的樓宇智能管理系統(tǒng)主要包括3個(gè)類(lèi)別,第一為樓宇的公共設(shè)施、樓道燈、電梯、公共衛(wèi)生、設(shè)備節(jié)能提供智能監(jiān)測(cè)和管理;第二為客戶(hù)的水、電、煤氣、通信網(wǎng)絡(luò)、有線(xiàn)電視等日常生活保障提供智能服務(wù);第三提供視頻對(duì)講、門(mén)禁、環(huán)境安全、緊急突發(fā)情況、人身財(cái)產(chǎn)保衛(wèi)的智能監(jiān)測(cè)服務(wù)。樓宇智能管理系統(tǒng)的總體方案架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能管理系統(tǒng)方案架構(gòu)

圖1中的智能管理系統(tǒng)按照3個(gè)類(lèi)別建立各自的遙測(cè)端,遙測(cè)端的信號(hào)通過(guò)傳感器采集,經(jīng)過(guò)信號(hào)編碼后,從光接入網(wǎng)傳輸給智能管理數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心啟動(dòng)任務(wù)處理,處理后的信息反饋給智能管理數(shù)據(jù)中心。根據(jù)智能管理系統(tǒng)的需求,在智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中連接或者斷開(kāi)某個(gè)傳感電路,就可以根據(jù)客戶(hù)需求增加或者減少采集的信息。

智能管理系統(tǒng)的工作流程按照3個(gè)類(lèi)別進(jìn)行,設(shè)備節(jié)能的智能管理主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、異常數(shù)據(jù)的設(shè)備檢查;日常供應(yīng)的智能管理主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、異常供應(yīng)的解決;安全保衛(wèi)智能管理主要進(jìn)行日常信號(hào)巡邏、報(bào)警問(wèn)題處理,如圖2所示。

圖2 智能管理系統(tǒng)的工作流程

2 樓宇智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能管理系統(tǒng)需要進(jìn)行遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、采集端設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)3個(gè)部分的設(shè)計(jì)之后,才能建立智能管理系統(tǒng)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)技術(shù)可視為“軟件定義數(shù)據(jù)采集”,是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合[1]。按照智能管理系統(tǒng)的功能需求,本文設(shè)計(jì)的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3 樓宇智能管理系統(tǒng)的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)

采控層包括遙測(cè)任務(wù)編排、數(shù)據(jù)分析、相關(guān)控制、和數(shù)據(jù)采集,向網(wǎng)元層發(fā)任務(wù)訂閱、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集。采控層可以由遙測(cè)服務(wù)接口向外部應(yīng)用提供所需的運(yùn)行記錄、問(wèn)題分析、任務(wù)質(zhì)量和難度、任務(wù)預(yù)測(cè)和數(shù)量。網(wǎng)元層包括物理網(wǎng)絡(luò)或虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)訂閱,完成被訂閱任務(wù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分類(lèi)和數(shù)據(jù)發(fā)布。

在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)母鱾€(gè)任務(wù)具有自己的編號(hào),可以按照樓宇管理的需要增加或者減少任務(wù)的數(shù)量,按照如圖4所示的格式幀進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 任務(wù)信息幀的結(jié)構(gòu)

圖4中的數(shù)據(jù)可以按照01、02、……的順序繼續(xù)發(fā)送,任務(wù)編號(hào)對(duì)應(yīng)不同的傳感電路采集的信息,數(shù)據(jù)是信息的具體內(nèi)容,就是對(duì)應(yīng)此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備信息、環(huán)境信息。

2.2 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的功能是通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)分布的各類(lèi)采集端完成。數(shù)據(jù)采集端的電路由傳感器、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。采集樓宇的各類(lèi)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器的放大,通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào),然后再經(jīng)過(guò)編碼,成為基帶信號(hào),發(fā)送到光接入網(wǎng),向智能管理相同數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接收端傳輸傳感到的網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備信息、環(huán)境信息需求信息。

2.3 基帶信號(hào)的編碼和解碼電路設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)編碼后在光接入網(wǎng)中的傳輸,經(jīng)過(guò)數(shù)字ALTERA芯片EPM7128LC的編碼形成基帶信號(hào)發(fā)送到遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)發(fā)送端的電路由時(shí)鐘電路、AMI信號(hào)數(shù)字編碼電路、光接入網(wǎng)接口電路構(gòu)成。在接收端,設(shè)計(jì)ALTERA芯片的數(shù)字解碼電路,進(jìn)行信號(hào)解碼,恢復(fù)發(fā)送端的信號(hào),獲得發(fā)送端的信息,對(duì)照任務(wù)類(lèi)型,安排任務(wù)分配,執(zhí)行解決方案,實(shí)現(xiàn)智能管理。數(shù)據(jù)接收端的電路由接口電路、AMI信號(hào)解碼電路、數(shù)字信號(hào)處理電路構(gòu)成。

AMI 碼全稱(chēng)是傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼[10-11],具有正負(fù)電平跳變,AMI碼的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有直流分量,編碼規(guī)則很簡(jiǎn)單,發(fā)生錯(cuò)碼也容易看出來(lái)。AMI碼不含直流成分,在有線(xiàn)遙測(cè)中傳輸基帶信號(hào),常用AMI編碼形式。AMI碼編碼的1碼稱(chēng)為傳號(hào),0碼叫做空號(hào),其編碼規(guī)則是1碼交替變?yōu)?1、-1,0碼不變,+1、-1分別用信號(hào)的正負(fù)電平代表。消息代碼是空號(hào)0時(shí),AMI編碼就是傳輸0;消息代碼是傳號(hào)1時(shí),AMI編碼就是傳輸+1、-1交替。采用ALTERA芯片設(shè)計(jì)的數(shù)字電路采用一個(gè)JK觸發(fā)器和2路與門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)2路編碼輸出。在數(shù)據(jù)信號(hào)為1時(shí),JK兩端置位,即成為一個(gè)T觸發(fā)器,實(shí)現(xiàn)信號(hào)翻轉(zhuǎn),數(shù)據(jù)信號(hào)為0時(shí)經(jīng)過(guò)2路與門(mén)得到的輸出均為0。在A(yíng)MI解碼的電路,將2路輸出進(jìn)行“或”操作,即可得到解碼。

3 樓宇智能管理系統(tǒng)的測(cè)試

智能管理系統(tǒng)的測(cè)試主要是信息傳輸?shù)臏y(cè)試,用仿真波形可以查驗(yàn)發(fā)送端的信號(hào)編碼和接收端的信號(hào)解碼。AMI碼是三電平的信號(hào),需要把三電平分成2路信號(hào)輸出,然后2路信號(hào)相減,就是三電平信號(hào)。解碼后輸出是兩電平的信號(hào)。仿真波形如圖5所示。

圖5 AMI編碼的仿真波形

圖5中codeout信號(hào)是需要發(fā)送的信號(hào),inclk是時(shí)鐘信號(hào),codeout15和codeout16是AMI編碼的三電平信號(hào)分成的2路信號(hào),codeout17是解碼信號(hào)。在示波器測(cè)量的AMI編碼三電平信號(hào)和解碼信號(hào)如圖6所示。

圖6 AMI編碼和解碼信號(hào)

圖6中1路信號(hào)是發(fā)送的信息,2路信號(hào)是AMI編碼三電平信號(hào)。解碼圖中1路信號(hào)是發(fā)送的信息,2路是在接收端的AMI信號(hào),經(jīng)過(guò)解碼后,獲得發(fā)送端發(fā)送的信息。對(duì)比發(fā)送的信息波形和經(jīng)過(guò)AMI編碼、解碼之后的信息波形,二者信息相同,沒(méi)有誤碼,波形的形狀完全一致,經(jīng)過(guò)AMI編碼和解碼,消除了一些疊加在原來(lái)發(fā)送信號(hào)上的干擾信號(hào),解碼的波形比原來(lái)的信號(hào)波形更清晰、更規(guī)則。這驗(yàn)證了智能管理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)數(shù)字化和智能化變革,光接入網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)是遙測(cè)技術(shù)在通信感知網(wǎng)絡(luò)中的新應(yīng)用,為智能社區(qū)、智能家居、智能樓宇、智能辦公、智慧生活提供實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全方位信息,助力于實(shí)現(xiàn)光接入網(wǎng)絡(luò)、居住、辦公和家庭網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化和智能化。本文設(shè)計(jì)的樓宇智能管理系統(tǒng)利用傳感器感知物理設(shè)備、環(huán)境信息和客戶(hù)需求,采用光接入網(wǎng)遙測(cè)的鏈接架構(gòu),傳輸基帶信號(hào),實(shí)現(xiàn)樓宇的節(jié)能、日常供應(yīng)、安全保衛(wèi)的智能管理。樓宇智能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有清晰的設(shè)備節(jié)能的智能管理、日常供應(yīng)的智能管理、安全保衛(wèi)的智能管理任務(wù)劃分,具有利用傳感器電路模塊采集設(shè)備信息、環(huán)境信息、客戶(hù)需求信息讀取遙測(cè)信息的實(shí)時(shí)性,具有可以定時(shí)讀取/隨時(shí)讀取數(shù)據(jù)、根據(jù)智能管理的需要增加或者減少需要感知的物理設(shè)備的靈活性,具有采用AMI編碼和解碼的基帶傳輸方式、構(gòu)建光接入網(wǎng)遙測(cè)、準(zhǔn)確發(fā)送和接收信號(hào)可靠性的特點(diǎn)。

光接入網(wǎng)遙測(cè)準(zhǔn)確傳輸信息是智能管理系統(tǒng)運(yùn)行中的最重要工作任務(wù)。測(cè)試結(jié)果表明光接入網(wǎng)絡(luò)的AMI編碼、解碼能夠傳輸準(zhǔn)確的信息,設(shè)計(jì)的基于光接入網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的樓宇智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智慧生活的實(shí)踐應(yīng)用,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。