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智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統與通信系統設計的論文
摘要：針對樓宇中電器應用較復雜并且需要優(yōu)化設置的問(wèn)題，設計基于遺傳算法的智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統信息通信系統以解決這一問(wèn)題，本文從智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的四大性能特性分析入手，設計信息通信系統的三層物理架構，研究信息通信系統的通信協(xié)議中的10個(gè)主要部分，對某樓宇的電器功耗模型進(jìn)行遺傳算法處理。應用MATLAB進(jìn)行仿真試驗分析，基于遺產(chǎn)算法的信息通信系統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；信息通信；物理架構；通信協(xié)議；遺傳算法
隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )文明的不斷進(jìn)步，在城市建設集群化的背景下，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住宅系統。全球第一座智能樓宇住宅系統于1984年產(chǎn)生于美國的康涅狄格州，盡管當時(shí)是在一幢舊式樓宇的基礎之上進(jìn)行了進(jìn)一步的改造，通過(guò)應用現代微機技術(shù)將樓宇住宅系統中的各種電器的運行情況和性能參數進(jìn)行監控，然后對相關(guān)的電器數據進(jìn)行分析，提供網(wǎng)絡(luò )、通信、情報等信息數據服務(wù)[1-2]。當前我國一些較大的公司已開(kāi)始進(jìn)行智能樓宇方面的產(chǎn)品科研設計，推廣擴展等方面的工作，但由于我國起步較晚，智能樓宇仍?xún)H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 )系統是智能樓宇系統中較為重要的組成部分，其是應用先進(jìn)的現代微機控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和綜合布線(xiàn)技術(shù)，將家居生活中息息相關(guān)的各種類(lèi)型的子系統進(jìn)行有機的組合，將其進(jìn)行統籌規劃處理，從而使家居生活較之前變得更加舒適、安全、有效。信息通信系統是智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統中的起到中樞作用的關(guān)鍵，其負責將智能樓宇網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)組成部分（尤其是電器部分）的參數信號、結構控制等方面的信息進(jìn)行數據匯總和信息通信，并將智能樓宇網(wǎng)絡(luò )中的控制系統的控制信息通過(guò)其傳輸到智能樓宇網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)子模塊，再對各個(gè)子模塊進(jìn)行相應的控制處理[4]，本文主要對智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統中的信息通信系統的功能特性、系統架構和相關(guān)設計進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的性能特性
相比較于傳統的樓宇住宅網(wǎng)絡(luò )系統，智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統具有其獨特的功能特性。如圖1所示，智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的性能主要包括能源控制與四表遠程控制性能、安防控制與照明系統控制性能、網(wǎng)絡(luò )信息控制與通信性能以及其他性能等4種類(lèi)型。1）能源控制與四表遠程控制功能。將智能樓宇系統的電表、水表、煤氣表以及暖氣表等表具數據通過(guò)現代布線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行系統總線(xiàn)控制，并將相應的數據進(jìn)行匯總，然后將相應的數據通過(guò)系統數據總線(xiàn)傳輸到物業(yè)信息管理中心，在中心的處理服務(wù)器上進(jìn)行自動(dòng)四表數據的記錄，并根據記錄的四表數據，對電費、水費、煤氣費以及暖氣費進(jìn)行計算，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送給用戶(hù)的手持終端上，方便用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)。同時(shí)，用戶(hù)還可根據自身的需要對家中的各種電器進(jìn)行遠程控制，從而降低用電負荷等能源的消耗[5]。2）安防控制與照明控制功能。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統中的門(mén)禁系統、煤氣燃氣險情報警以及火災自動(dòng)報警等安防控制系統和各種照明燈具的開(kāi)啟關(guān)閉控制系統是必不可少的組成部分。用戶(hù)可自動(dòng)的對智能樓宇的安防等級進(jìn)行相應的設定，應用手持控制終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統，控制智能樓宇中各種安防系統和照明控制系統的開(kāi)啟與關(guān)閉，以及相應的安全與應用等級。3）網(wǎng)絡(luò )信息控制與通信功能。作為智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統較為顯著(zhù)的功能，遠程控制電視機、洗衣機、微波爐、空調、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據與電氣接口，通過(guò)智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的數據總線(xiàn)連接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，經(jīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸，將各種家用電器的實(shí)時(shí)數據、工作狀態(tài)、應用性能等參數傳送到用戶(hù)的手持數據終端之上，用戶(hù)可通過(guò)控制手持數據終端遠程控制智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統中各種智能家用電器的工作情況。若家用電器出現故障，還可對其進(jìn)行遠程的故障監控和故障診斷。4）其他功能。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統除了以上所述的3種較為重要的功能外，還有對智能樓宇中的采光、溫濕度等方面的控制功能，對樓宇內部老人健康情況的遠程診斷、實(shí)時(shí)監測、危險控制等其他功能。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統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，比如標準性、開(kāi)放性、模塊性、實(shí)用性等。在具備了以上幾種特性后，便可對智能樓宇系統的發(fā)展起到進(jìn)一步的促進(jìn)作用，有助于智能樓宇系統的快速發(fā)展。
2智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統物理架構
在對智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統進(jìn)行物理架構設計時(shí)，一般采用三層通信系統物理架構的形式，分別為智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統的串行通信層，傳輸控制層以及應用服務(wù)層3種層類(lèi)型[6-10]，如圖2所示.在智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統的物理架構中，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、洗衣機、電冰箱、熱水器等智能家用電器的實(shí)時(shí)數據傳送到傳輸控制層中。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統的傳輸控制層遵從網(wǎng)絡(luò )傳輸控制協(xié)議，負責將串行通信層獲取的家用電器的實(shí)時(shí)數據傳送到智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統的應用服務(wù)層中去，起到了連接串行通信層和應用服務(wù)層這兩種物理架構層的作用，是整個(gè)物理架構中較為重要的部分。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統的應用服務(wù)層是基于智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的操作應用服務(wù)平臺之上，接收到傳輸控制層傳輸給串行通信層的數據，在操作應用服務(wù)平臺上使用專(zhuān)門(mén)的應用服務(wù)軟件，對各種家用電器的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行相應的分析、處理、控制與傳送。應用服務(wù)層是智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統物理架構中的頂層，起到了對家用電器進(jìn)行最終控制的作用，串行通信層則是智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統物理架構中的基層，負責采集家用電器的實(shí)時(shí)數據，而傳輸控制層則是銜接串行通信層和應用服務(wù)層的關(guān)鍵，其在整個(gè)物理架構中，起到承上啟下的作用。
3智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統通信協(xié)議
智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的信息通信協(xié)議情況，如圖3所示。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統的信息通信傳輸數據幀的結構由起始位、長(cháng)度位、地址位、類(lèi)型位、優(yōu)先級位、協(xié)議類(lèi)別位、命令類(lèi)型位、數據位、校驗位和結束位總計10部分構成[11-13]。其中，數據幀的起始位也就是數據幀的幀頭負責通信數據幀的開(kāi)始，表明從此之后是智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統信息通信傳輸數據幀部分。數據幀的長(cháng)度位表示該數據幀的總共長(cháng)度，即整個(gè)數據幀由多少個(gè)字節構成；數據幀的地址位表明，該幀數據是來(lái)自哪個(gè)家用電器；類(lèi)型位表明，該幀數據傳輸的是該家用電器的何種參數、何種特性；優(yōu)先級位表明，該家用電器在整個(gè)智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統架構中的相應作用，是屬于第幾種優(yōu)先級；協(xié)議類(lèi)別位表明，該幀數據屬于哪種通信協(xié)議；而命令類(lèi)型位則表示的是該幀命令的相應類(lèi)型；數據位代表的是，該幀數據所傳輸的命令的數據內容；校驗位表示的是對該幀數據進(jìn)行和校驗的結果；結束位表明的是，該幀數據最后一個(gè)字節的數據，代表著(zhù)該幀數據結束。
4智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統應用實(shí)例
在構建智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統的物理架構和通信協(xié)議的基礎之上，針對智能樓宇中電器的功耗性能進(jìn)行處理，應用智能樓宇網(wǎng)絡(luò )信息通信系統，設計基于遺傳算法的功耗控制方法，以實(shí)現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)程設計出的解決復雜非線(xiàn)性問(wèn)題的優(yōu)化算法，在各種規劃設計、組合優(yōu)化中得到了廣泛的應用[14]。遺傳算法首先構建模型，并對問(wèn)題對象進(jìn)行染色體編碼，然后初始化種群，計算個(gè)體適應值，通過(guò)執行遺傳算法選擇、交叉、變異等操作之后，判斷是否滿(mǎn)足終止條件，如果滿(mǎn)足終止條件，則選擇結束，如果不滿(mǎn)足終止條件，則重新進(jìn)行個(gè)體適應值的計算[15]，其流程圖如圖4所示。在網(wǎng)絡(luò )系統信息通信系統的基礎之上，使用MATLAB仿真軟件，應用遺傳算法，針對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)現了樓宇中電器功耗的控制。
5結束語(yǔ)
智能樓宇系統是隨著(zhù)人類(lèi)文明的不斷發(fā)展，逐步取代傳統樓宇住宅系統的發(fā)展趨勢，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(lèi)居住環(huán)境的發(fā)展方向，我國在這方面的研究工作相對起步較晚。智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統是智能樓宇系統中較為重要的組成部分，而信息通信系統是智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統中的關(guān)鍵，其對智能樓宇網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)組成部分（尤其是電器部分）的參數信號、結構控制等方面的信息進(jìn)行數據匯總和信息通信，并將智能樓宇網(wǎng)絡(luò )中控制系統的控制信息通過(guò)其傳輸到智能樓宇網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)子模塊，再對各個(gè)子模塊進(jìn)行相應的控制處理，本文研究了智能樓宇網(wǎng)絡(luò )系統中的信息通信系統的功能特性、系統物理架構和相應的通信協(xié)議。
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