施濤

（四川師范大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，四川 成都 610000）

智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中信息通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施濤

（四川師范大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，四川 成都 610000）

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。

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]。

圖1 智能樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能

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。

圖2 智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信系統(tǒng)物理架構(gòu)圖

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]。

圖3 智能樓宇網(wǎng)絡(luò)信息通信協(xié)議圖

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

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。

圖4 遺傳算法流程圖

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。

圖5 優(yōu)化效果圖

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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Design of information communication system in intelligent building network system

SHI Tao
（Network and Information Center of Sichuan Normal University，Chengdu 610000，China）

For building electrical appliances more complex and need to optimize the set of problems，the design based on the genetic algorithm of the intelligent network system for building information communication system to solve this problem，this article from the intelligent network system for building the four performance characteristics analysis of design information and communication system of three physical layer architecture，10 main part of the study of information communication system communication protocol，electric power model of a building were genetic algorithm processing.Using MATLAB to carry out simulation test analysis，the information communication system based on the heritage algorithm can optimize the power consumption of the building in 63%of the original power consumption，and achieved good results.

intelligent building；network system；information communication；physical architecture；communication protocol；genetic algorithm

TN913

A

1674－6236（2016）15-0122-03

2016-01-18 稿件編號(hào)：201601136

施 濤（1978—），男，四川成都人，碩士，工程師。研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程，智能樓宇。