郝茂生 張亦舒

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，智能建筑、商業(yè)綜合體、多功能建筑等連地而起，建筑的復(fù)雜程度越來越高。而建筑電氣作為現(xiàn)代建筑系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其發(fā)展日新月異，更新?lián)Q代的速度也越來越快。在建筑物中，由于建筑電氣系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)數(shù)量多、規(guī)模大，特別是對于大型建筑而言，其建筑電氣系統(tǒng)發(fā)生故障的概率高，并且故障的種類也復(fù)雜多樣，經(jīng)常使系統(tǒng)無法實現(xiàn)其預(yù)定功能，從而引起用電設(shè)備停機(jī)、計算機(jī)信息數(shù)據(jù)丟失等事故。對于用電可靠性要求較高的部門（如金融機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、電視臺等），甚至?xí)l(fā)生重大停電事故。

因此，如何及時避免出現(xiàn)故障情況發(fā)生是當(dāng)今建筑電氣領(lǐng)域最重要的研究事項之一。由此，我們提出了這個創(chuàng)意。即利用自動化及智能化技術(shù)，結(jié)合建筑電氣故障診斷方法研究內(nèi)容，制作一個適用于所有建筑物的實時檢測建筑電氣智能報警系統(tǒng)。如果未來可以將其應(yīng)用到實際建筑電氣系統(tǒng)中，不僅填補(bǔ)了我國建筑電氣領(lǐng)域在此處的一大空白。同時也迎合了現(xiàn)階段建筑電氣發(fā)展的趨勢，使建筑電氣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到顯著的提高。

一、研究內(nèi)容

（一）對現(xiàn)階段各類建筑物內(nèi)常見的電氣故障進(jìn)行了調(diào)研

項目組成員通過查閱大量資料及文獻(xiàn)、問卷調(diào)查等方式對現(xiàn)階段各類建筑物內(nèi)常見的電氣故障進(jìn)行了前期調(diào)研（各類建筑物包括民用住宅、大型商場、醫(yī)院等私人住戶及公共場所建筑）。通過調(diào)研分析得出，隨著社會的發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活的提高，人們對居住、工作、生活環(huán)境有了更好的要求，人們不盡滿足與對環(huán)境的基本需求，更追求與更高品質(zhì)、更加安全、更加舒適的工作生活居住環(huán)境。然而，現(xiàn)階段所有建筑物內(nèi)的所有設(shè)施都離不開電力。一旦建筑物的電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，復(fù)雜的電氣網(wǎng)絡(luò)不僅會給維修帶來一定的難度，還會引發(fā)設(shè)備停機(jī)、計算機(jī)信息數(shù)據(jù)丟失、火災(zāi)等等事故的發(fā)生，不僅會給工作和生活帶來極大不便，甚至還會帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡。

（二）現(xiàn)階段建筑電氣預(yù)防及診斷故障研究現(xiàn)狀

根據(jù)查閱相關(guān)資料可知，全世界每年發(fā)表關(guān)于故障診斷的論文、報告在1500篇以上，近年來更是呈不斷上升的趨勢。但是如何將自動化技術(shù)應(yīng)用到建筑電氣系統(tǒng)的研究才剛剛開始。雖有相關(guān)想法的提出，但仍停留在理論階段，沒有具體的實物應(yīng)用。針對建筑電氣故障診斷方法的研究，也僅僅停留在故障發(fā)生之后的處理方面，而不是提前感知，提前預(yù)防。并且現(xiàn)階段建筑電氣系統(tǒng)的故障檢修也基本依靠人工，而隨著建筑電氣系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、復(fù)雜性的不斷提高，大量故障信息往往超過維修人員的處理能力。建筑電氣系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，維修時間是整個維修過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。如果時間過長，不僅會對居民及企業(yè)生活帶來極大不便，更會使因電氣故障而出現(xiàn)意外事故的可能性大幅增加。因此，如何在建筑電氣系統(tǒng)即將出現(xiàn)故障時，提前告知維修人員，及時到達(dá)現(xiàn)場檢修，避免出現(xiàn)故障情況發(fā)生是當(dāng)今建筑電氣領(lǐng)域最重要的研究事項之一。

（三）本系統(tǒng)第一環(huán)節(jié)--傳感器的設(shè)計

在經(jīng)過了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對實施實時監(jiān)測建筑電氣智能報警系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計。那么本系統(tǒng)第一步就要實現(xiàn)實時監(jiān)測建筑電氣系統(tǒng)的功能。在查閱相關(guān)資料后并根據(jù)所總結(jié)的建筑電氣系統(tǒng)常見故障類型，我們項目小組最終決定利用STC89C51單片機(jī)設(shè)計檢測電氣系統(tǒng)的傳感器。選擇該款單片機(jī)的原因為其結(jié)構(gòu)小巧精致，較同類芯片造價較低，工作電壓較小，接口較多可實現(xiàn)各種常用功能，等各種優(yōu)點。

其次，考慮到初期的測試以及未來的定期檢修，所以我們在初期設(shè)計中給該單片機(jī)組成系統(tǒng)連接了LED顯示屏，在初期產(chǎn)品介紹及測試時，方便直接的觀察檢驗系統(tǒng)結(jié)果現(xiàn)象。并且，我們在調(diào)研了各類建筑電氣系統(tǒng)的常用故障后，決定通過檢測電壓的方式檢測整個建筑電氣系統(tǒng)。并根據(jù)戶內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行分配。超過數(shù)值則單片機(jī)通過蜂鳴器自動報警，但這僅限于實驗階段，后期我們將會通過ZIGBEE無線通信技術(shù)，將發(fā)生故障區(qū)域通過無線通信的方式傳輸?shù)骄S修人員的監(jiān)控系統(tǒng)中，方便維修人員及時檢修。

最后，結(jié)合數(shù)字模擬電子技術(shù)，通過測定電信號的方式，實時監(jiān)測建筑電氣各系統(tǒng)狀態(tài)。例如，我們先通過編程，設(shè)定監(jiān)測電壓值為0~5V，正常情況下的電壓將會在這區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定或者上下浮動，一旦低于0.5V或超過4.8V，單片機(jī)系統(tǒng)將會自動報警，LED數(shù)值實時表達(dá)此電路數(shù)值（初期測驗階段）。

圖一 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計原理圖

二、本系統(tǒng)第二部分——基于物聯(lián)網(wǎng)的Zigbee技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用研究

（一）物聯(lián)網(wǎng)介紹

物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議實現(xiàn)物品到物品、人到物品、人到人、全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，其主要特征是通過信息傳感設(shè)備等方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳送與交互，采用智能計算技術(shù)對信息進(jìn)行分析處理，從而提高對物質(zhì)世界的感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制

物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，其中：感知層包括傳感器、二維碼RIFD（射頻識別）、多媒體設(shè)備等數(shù)據(jù)采集和自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)層包括各種網(wǎng)關(guān)和接入網(wǎng)絡(luò)以及異構(gòu)網(wǎng)融合、云計算等承載網(wǎng)支撐系統(tǒng)；應(yīng)用層包括信息管理、業(yè)務(wù)分析管理、服務(wù)管理、目錄管理等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中間件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子系統(tǒng)。

（二）Zigbee技術(shù)介紹

Zigbee主要適合于工業(yè)控制、傳感和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。它在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定了它適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。

Zigbee具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的特點，這些特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng) 絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

（三）利用Zigbee無線通信技術(shù)對于無線傳感網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計研究

我們可以假象一下這樣的場景，突然有一天，建筑里那些隱藏在墻體中的的某一根電線發(fā)生了故障。找來物業(yè)，排查，解決。但是在這段時間中會浪費(fèi)大量排查的時間，也會浪費(fèi)更多的資源。而如果當(dāng)時在建造這座建筑的時候，將ZIGBEE等技術(shù)利用進(jìn)去，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)利用在建筑電氣系統(tǒng)的一些固定的節(jié)點，形成固定的節(jié)點組網(wǎng)，在每一個組網(wǎng)都能有固定的檢測區(qū)域，實行大面積的監(jiān)測。在那些易于老化的特殊節(jié)點，例如在墻體的拐角處，此類地方，可以設(shè)計多一些的節(jié)點，將組網(wǎng)進(jìn)行縮小，這樣的話不管哪部分出現(xiàn)故障都能第一時間找到故障原，及時的進(jìn)行解決，大大減少了排查所浪費(fèi)的時間，資源。

當(dāng)在建筑電氣系統(tǒng)中每一根電纜等都有了自己的IP地址之后，我們就都可以在一個客戶端對于整棟建筑進(jìn)行監(jiān)察，監(jiān)測。這樣全方面大面幅的監(jiān)測，也是更有效的防范了那些豆腐渣工程，及時的排查故障，對于我們所處建筑之中的安全問題有了大大的保障。而基于ZIGBEE無線通信技術(shù)有著較高的靈活度與準(zhǔn)確的定位，且價格實惠，這對于整個建筑電氣監(jiān)測系統(tǒng)而言是最合適的無線通信方式。

三、結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的普及，將所有的一切都進(jìn)行連網(wǎng)不會再是問題，無線通信技術(shù)更縮小了人類與機(jī)器的差距，在這個通往大數(shù)據(jù)的時代，智能建筑也一定會像電腦，智能家居一樣的普及。一座充滿大數(shù)據(jù)的建筑，不論哪方面都會是有利而無害的。那些我們能夠排查到卻解決不了的故障，我們也可以利用無線通信技術(shù)，進(jìn)行修復(fù)。能要準(zhǔn)確地找到位置，所有的故障就終不是問題。如果未來可以將本系統(tǒng)應(yīng)用到實際建筑電氣系統(tǒng)中，不僅填補(bǔ)了我國建筑電氣領(lǐng)域在此處的一大空白。同時也迎合了現(xiàn)階段建筑電氣發(fā)展的趨勢，使建筑電氣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到顯著的提高。