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智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論文
摘要：針對(duì)樓宇中電器應(yīng)用較復(fù)雜并且需要優(yōu)化設(shè)置的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于遺傳算法的智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息通信系統(tǒng)以解決這一問(wèn)題，本文從智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的四大性能特性分析入手，設(shè)計(jì)信息通信系統(tǒng)的三層物理架構(gòu)，研究信息通信系統(tǒng)的通信協(xié)議中的10個(gè)主要部分，對(duì)某樓宇的電器功耗模型進(jìn)行遺傳算法處理。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析，基于遺產(chǎn)算法的信息通信系統(tǒng)可以將該樓宇中電器功耗性能優(yōu)化至原始功耗的63%，取得較好的效果。
關(guān)鍵詞：智能樓宇；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；信息通信；物理架構(gòu)；通信協(xié)議；遺傳算法
隨著人類社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，在城市建設(shè)集群化的背景下，追求高度精神文明和物質(zhì)文明的智能住宅系統(tǒng)正在不斷取代局限于居住面積大小和裝修條件好壞的傳統(tǒng)住宅系統(tǒng)。全球第一座智能樓宇住宅系統(tǒng)于1984年產(chǎn)生于美國(guó)的康涅狄格州，盡管當(dāng)時(shí)是在一幢舊式樓宇的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了進(jìn)一步的改造，通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)將樓宇住宅系統(tǒng)中的各種電器的運(yùn)行情況和性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，然后對(duì)相關(guān)的電器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供網(wǎng)絡(luò)、通信、情報(bào)等信息數(shù)據(jù)服務(wù)[1-2]。當(dāng)前我國(guó)一些較大的公司已開(kāi)始進(jìn)行智能樓宇方面的產(chǎn)品科研設(shè)計(jì)，推廣擴(kuò)展等方面的工作，但由于我國(guó)起步較晚，智能樓宇仍僅是停留在較低層的階段，尚未形成較為成熟的相關(guān)產(chǎn)品，所以智能樓宇系統(tǒng)方面的相關(guān)研究有待進(jìn)一步的拓展[3]。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是智能樓宇系統(tǒng)中較為重要的組成部分，其是應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)代微機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù)，將家居生活中息息相關(guān)的各種類型的子系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的組合，將其進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃處理，從而使家居生活較之前變得更加舒適、安全、有效。信息通信系統(tǒng)是智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的起到中樞作用的關(guān)鍵，其負(fù)責(zé)將智能樓宇網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)組成部分（尤其是電器部分）的參數(shù)信號(hào)、結(jié)構(gòu)控制等方面的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和信息通信，并將智能樓宇網(wǎng)絡(luò)中的控制系統(tǒng)的控制信息通過(guò)其傳輸?shù)街悄軜怯罹W(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子模塊，再對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制處理[4]，本文主要對(duì)智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的信息通信系統(tǒng)的功能特性、系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能特性
相比較于傳統(tǒng)的樓宇住宅網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有其獨(dú)特的功能特性。如圖1所示，智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能主要包括能源控制與四表遠(yuǎn)程控制性能、安防控制與照明系統(tǒng)控制性能、網(wǎng)絡(luò)信息控制與通信性能以及其他性能等4種類型。1）能源控制與四表遠(yuǎn)程控制功能。將智能樓宇系統(tǒng)的電表、水表、煤氣表以及暖氣表等表具數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)代布線技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)總線控制，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)轿飿I(yè)信息管理中心，在中心的處理服務(wù)器上進(jìn)行自動(dòng)四表數(shù)據(jù)的記錄，并根據(jù)記錄的四表數(shù)據(jù)，對(duì)電費(fèi)、水費(fèi)、煤氣費(fèi)以及暖氣費(fèi)進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶的手持終端上，方便用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。同時(shí)，用戶還可根據(jù)自身的需要對(duì)家中的各種電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而降低用電負(fù)荷等能源的消耗[5]。2）安防控制與照明控制功能。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的門禁系統(tǒng)、煤氣燃?xì)怆U(xiǎn)情報(bào)警以及火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警等安防控制系統(tǒng)和各種照明燈具的開(kāi)啟關(guān)閉控制系統(tǒng)是必不可少的組成部分。用戶可自動(dòng)的對(duì)智能樓宇的安防等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，應(yīng)用手持控制終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，控制智能樓宇中各種安防系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)的開(kāi)啟與關(guān)閉，以及相應(yīng)的安全與應(yīng)用等級(jí)。3）網(wǎng)絡(luò)信息控制與通信功能。作為智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)較為顯著的功能，遠(yuǎn)程控制電視機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐、空調(diào)、熱水器等家用電器的功能具有明顯的實(shí)用價(jià)值。以上所述的各種智能家用電器具有各自與外界相連接的數(shù)據(jù)與電氣接口，通過(guò)智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，將各種家用電器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)、應(yīng)用性能等參數(shù)傳送到用戶的手持?jǐn)?shù)據(jù)終端之上，用戶可通過(guò)控制手持?jǐn)?shù)據(jù)終端遠(yuǎn)程控制智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各種智能家用電器的工作情況。若家用電器出現(xiàn)故障，還可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程的故障監(jiān)控和故障診斷。4）其他功能。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除了以上所述的3種較為重要的功能外，還有對(duì)智能樓宇中的采光、溫濕度等方面的控制功能，對(duì)樓宇內(nèi)部老人健康情況的遠(yuǎn)程診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)控制等其他功能。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除了具備以上四種主要的功能以外，還要具有一些主要的特性，比如標(biāo)準(zhǔn)性、開(kāi)放性、模塊性、實(shí)用性等。在具備了以上幾種特性后，便可對(duì)智能樓宇系統(tǒng)的發(fā)展起到進(jìn)一步的促進(jìn)作用，有助于智能樓宇系統(tǒng)的快速發(fā)展。
2智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)物理架構(gòu)
在對(duì)智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)進(jìn)行物理架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用三層通信系統(tǒng)物理架構(gòu)的形式，分別為智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)的串行通信層，傳輸控制層以及應(yīng)用服務(wù)層3種層類型[6-10]，如圖2所示.在智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)的物理架構(gòu)中，串行通信層一般是通過(guò)采用232串行通信接口或485串行通信接口，將空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱、熱水器等智能家用電器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到傳輸控制層中。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)的傳輸控制層遵從網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議，負(fù)責(zé)將串行通信層獲取的家用電器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)層中去，起到了連接串行通信層和應(yīng)用服務(wù)層這兩種物理架構(gòu)層的作用，是整個(gè)物理架構(gòu)中較為重要的部分。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)層是基于智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操作應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)之上，接收到傳輸控制層傳輸給串行通信層的數(shù)據(jù)，在操作應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)上使用專門的應(yīng)用服務(wù)軟件，對(duì)各種家用電器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析、處理、控制與傳送。應(yīng)用服務(wù)層是智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物理架構(gòu)中的頂層，起到了對(duì)家用電器進(jìn)行最終控制的作用，串行通信層則是智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物理架構(gòu)中的基層，負(fù)責(zé)采集家用電器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而傳輸控制層則是銜接串行通信層和應(yīng)用服務(wù)層的關(guān)鍵，其在整個(gè)物理架構(gòu)中，起到承上啟下的作用。
3智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)通信協(xié)議
智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息通信協(xié)議情況，如圖3所示。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息通信傳輸數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)由起始位、長(zhǎng)度位、地址位、類型位、優(yōu)先級(jí)位、協(xié)議類別位、命令類型位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和結(jié)束位總計(jì)10部分構(gòu)成[11-13]。其中，數(shù)據(jù)幀的起始位也就是數(shù)據(jù)幀的幀頭負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始，表明從此之后是智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息通信傳輸數(shù)據(jù)幀部分。數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度位表示該數(shù)據(jù)幀的總共長(zhǎng)度，即整個(gè)數(shù)據(jù)幀由多少個(gè)字節(jié)構(gòu)成；數(shù)據(jù)幀的地址位表明，該幀數(shù)據(jù)是來(lái)自哪個(gè)家用電器；類型位表明，該幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖窃摷矣秒娖鞯暮畏N參數(shù)、何種特性；優(yōu)先級(jí)位表明，該家用電器在整個(gè)智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)中的相應(yīng)作用，是屬于第幾種優(yōu)先級(jí)；協(xié)議類別位表明，該幀數(shù)據(jù)屬于哪種通信協(xié)議；而命令類型位則表示的是該幀命令的相應(yīng)類型；數(shù)據(jù)位代表的是，該幀數(shù)據(jù)所傳輸?shù)拿畹臄?shù)據(jù)內(nèi)容；校驗(yàn)位表示的是對(duì)該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)的結(jié)果；結(jié)束位表明的是，該幀數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，代表著該幀數(shù)據(jù)結(jié)束。
4智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
在構(gòu)建智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)的物理架構(gòu)和通信協(xié)議的基礎(chǔ)之上，針對(duì)智能樓宇中電器的功耗性能進(jìn)行處理，應(yīng)用智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于遺傳算法的功耗控制方法，以實(shí)現(xiàn)控制智能樓宇中電器功耗的目的。選遺傳算法是仿照生物進(jìn)化過(guò)程設(shè)計(jì)出的解決復(fù)雜非線性問(wèn)題的優(yōu)化算法，在各種規(guī)劃設(shè)計(jì)、組合優(yōu)化中得到了廣泛的應(yīng)用[14]。遺傳算法首先構(gòu)建模型，并對(duì)問(wèn)題對(duì)象進(jìn)行染色體編碼，然后初始化種群，計(jì)算個(gè)體適應(yīng)值，通過(guò)執(zhí)行遺傳算法選擇、交叉、變異等操作之后，判斷是否滿足終止條件，如果滿足終止條件，則選擇結(jié)束，如果不滿足終止條件，則重新進(jìn)行個(gè)體適應(yīng)值的計(jì)算[15]，其流程圖如圖4所示。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，使用MATLAB仿真軟件，應(yīng)用遺傳算法，針對(duì)智能樓宇中的電器功耗進(jìn)行優(yōu)化處理，可以得到優(yōu)化前后電器功耗變化的情況，如圖5所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理之后，電器的功耗降低為優(yōu)化之前的63%，較好的實(shí)現(xiàn)了樓宇中電器功耗的控制。
5結(jié)束語(yǔ)
智能樓宇系統(tǒng)是隨著人類文明的不斷發(fā)展，逐步取代傳統(tǒng)樓宇住宅系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，其兼具有高度的精神文明和物質(zhì)文明的特征，是以后人類居住環(huán)境的發(fā)展方向，我國(guó)在這方面的研究工作相對(duì)起步較晚。智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是智能樓宇系統(tǒng)中較為重要的組成部分，而信息通信系統(tǒng)是智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的關(guān)鍵，其對(duì)智能樓宇網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)組成部分（尤其是電器部分）的參數(shù)信號(hào)、結(jié)構(gòu)控制等方面的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和信息通信，并將智能樓宇網(wǎng)絡(luò)中控制系統(tǒng)的控制信息通過(guò)其傳輸?shù)街悄軜怯罹W(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子模塊，再對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制處理，本文研究了智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的信息通信系統(tǒng)的功能特性、系統(tǒng)物理架構(gòu)和相應(yīng)的通信協(xié)議。
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