智能樓宇網絡系統中信息通信系統設計

施濤

（四川師范大學 信息網絡服務中心，四川 成都 610000）

智能樓宇網絡系統中信息通信系統設計

施濤

（四川師范大學 信息網絡服務中心，四川 成都 610000）

針對樓宇中電器應用較復雜并且需要優化設置的問題，設計基于遺傳算法的智能樓宇網絡系統信息通信系統以解決這一問題，本文從智能樓宇網絡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議中的10個主要部分，對某樓宇的電器功耗模型進行遺傳算法處理。應用MATLAB進行仿真試驗分析，基于遺產算法的信息通信系統可以將該樓宇中電器功耗性能優化至原始功耗的63%，取得較好的效果。

智能樓宇；網絡系統；信息通信；物理架構；通信協議；遺傳算法

隨著人類社會文明的不斷進步，在城市建設集群化的背景下，追求高度精神文明和物質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年產生于美國的康涅狄格州，盡管當時是在一幢舊式樓宇的基礎之上進行了進一步的改造，通過應用現代微機技術將樓宇住宅系統中的各種電器的運行情況和性能參數進行監控，然后對相關的電器數據進行分析，提供網絡、通信、情報等信息數據服務[1-2]。當前我國一些較大的公司已開始進行智能樓宇方面的產品科研設計，推廣擴展等方面的工作，但由于我國起步較晚，智能樓宇仍僅是停留在較低層的階段，尚未形成較為成熟的相關產品，所以智能樓宇系統方面的相關研究有待進一步的拓展[3]。

智能樓宇網絡系統是智能樓宇系統中較為重要的組成部分，其是應用先進的現代微機控制技術、網絡通信技術和綜合布線技術，將家居生活中息息相關的各種類型的子系統進行有機的組合，將其進行統籌規劃處理，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絡系統中的起到中樞作用的關鍵，其負責將智能樓宇網絡中的各個組成部分（尤其是電器部分）的參數信號、結構控制等方面的信息進行數據匯總和信息通信，并將智能樓宇網絡中的控制系統的控制信息通過其傳輸到智能樓宇網絡中的各個子模塊，再對各個子模塊進行相應的控制處理[4]，本文主要對智能樓宇網絡系統中的信息通信系統的功能特性、系統架構和相關設計進行進一步的研究。

1 智能樓宇網絡系統的性能特性

相比較于傳統的樓宇住宅網絡系統，智能樓宇網絡系統具有其獨特的功能特性。如圖1所示，智能樓宇網絡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、網絡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現代布線技術進行系統總線控制，并將相應的數據進行匯總，然后將相應的數據通過系統數據總線傳輸到物業信息管理中心，在中心的處理服務器上進行自動四表數據的記錄，并根據記錄的四表數據，對電費、水費、煤氣費以及暖氣費進行計算，然后通過無線網絡傳送給用戶的手持終端上，方便用戶進行實時查詢。同時，用戶還可根據自身的需要對家中的各種電器進行遠程控制，從而降低用電負荷等能源的消耗[5]。

圖1 智能樓宇網絡系統性能

2）安防控制與照明控制功能。智能樓宇網絡系統中的門禁系統、煤氣燃氣險情報警以及火災自動報警等安防控制系統和各種照明燈具的開啟關閉控制系統是必不可少的組成部分。用戶可自動的對智能樓宇的安防等級進行相應的設定，應用手持控制終端通過無線網絡連接智能樓宇網絡系統，控制智能樓宇中各種安防系統和照明控制系統的開啟與關閉，以及相應的安全與應用等級。

3）網絡信息控制與通信功能。作為智能樓宇網絡系統較為顯著的功能，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用價值。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，通過智能樓宇網絡系統的數據總線連接無線網絡，經無線網絡的數據傳輸，將各種家用電器的實時數據、工作狀態、應用性能等參數傳送到用戶的手持數據終端之上，用戶可通過控制手持數據終端遠程控制智能樓宇網絡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，還可對其進行遠程的故障監控和故障診斷。

4）其他功能。智能樓宇網絡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、實時監測、危險控制等其他功能。

智能樓宇網絡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、開放性、模塊性、實用性等。在具備了以上幾種特性后，便可對智能樓宇系統的發展起到進一步的促進作用，有助于智能樓宇系統的快速發展。

2 智能樓宇網絡信息通信系統物理架構

在對智能樓宇網絡信息通信系統進行物理架構設計時，一般采用三層通信系統物理架構的形式，分別為智能樓宇網絡信息通信系統的串行通信層，傳輸控制層以及應用服務層3種層類型[6-10]，如圖2所示。

圖2 智能樓宇網絡信息通信系統物理架構圖

在智能樓宇網絡信息通信系統的物理架構中，串行通信層一般是通過采用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時數據傳送到傳輸控制層中。智能樓宇網絡信息通信系統的傳輸控制層遵從網絡傳輸控制協議，負責將串行通信層獲取的家用電器的實時數據傳送到智能樓宇網絡信息通信系統的應用服務層中去，起到了連接串行通信層和應用服務層這兩種物理架構層的作用，是整個物理架構中較為重要的部分。智能樓宇網絡信息通信系統的應用服務層是基于智能樓宇網絡系統的操作應用服務平臺之上，接收到傳輸控制層傳輸給串行通信層的數據，在操作應用服務平臺上使用專門的應用服務軟件，對各種家用電器的實時數據進行相應的分析、處理、控制與傳送。應用服務層是智能樓宇網絡系統物理架構中的頂層，起到了對家用電器進行最終控制的作用，串行通信層則是智能樓宇網絡系統物理架構中的基層，負責采集家用電器的實時數據，而傳輸控制層則是銜接串行通信層和應用服務層的關鍵，其在整個物理架構中，起到承上啟下的作用。

3 智能樓宇網絡信息通信系統通信協議

智能樓宇網絡系統的信息通信協議情況，如圖3所示。智能樓宇網絡系統的信息通信傳輸數據幀的結構由起始位、長度位、地址位、類型位、優先級位、協議類別位、命令類型位、數據位、校驗位和結束位總計10部分構成[11-13]。

圖3 智能樓宇網絡信息通信協議圖

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始，表明從此之后是智能樓宇網絡系統信息通信傳輸數據幀部分。數據幀的長度位表示該數據幀的總共長度，即整個數據幀由多少個字節構成；數據幀的地址位表明，該幀數據是來自哪個家用電器；類型位表明，該幀數據傳輸的是該家用電器的何種參數、何種特性；優先級位表明，該家用電器在整個智能樓宇網絡系統架構中的相應作用，是屬于第幾種優先級；協議類別位表明，該幀數據屬于哪種通信協議；而命令類型位則表示的是該幀命令的相應類型；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行和校驗的結果；結束位表明的是，該幀數據最后一個字節的數據，代表著該幀數據結束。

4 智能樓宇網絡信息通信系統應用實例

遺傳算法是仿照生物進化過程設計出的解決復雜非線性問題的優化算法，在各種規劃設計、組合優化中得到了廣泛的應用[14]。遺傳算法首先構建模型，并對問題對象進行染色體編碼，然后初始化種群，計算個體適應值，通過執行遺傳算法選擇、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，則選擇結束，如果不滿足終止條件，則重新進行個體適應值的計算[15]，其流程圖如圖4所示。

圖4 遺傳算法流程圖

在網絡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行優化處理，可以得到優化前后電器功耗變化的情況，如圖5所示，經過優化處理之后，電器的功耗降低為優化之前的63%，較好的實現了樓宇中電器功耗的控制。

圖5 優化效果圖

5 結束語

智能樓宇系統是隨著人類文明的不斷發展，逐步取代傳統樓宇住宅系統的發展趨勢，其兼具有高度的精神文明和物質文明的特征，是以后人類居住環境的發展方向，我國在這方面的研究工作相對起步較晚。智能樓宇網絡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絡系統中的關鍵，其對智能樓宇網絡中的各個組成部分（尤其是電器部分）的參數信號、結構控制等方面的信息進行數據匯總和信息通信，并將智能樓宇網絡中控制系統的控制信息通過其傳輸到智能樓宇網絡中的各個子模塊，再對各個子模塊進行相應的控制處理，本文研究了智能樓宇網絡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：201601136

施 濤（1978—），男，四川成都人，碩士，工程師。研究方向：網絡工程，智能樓宇。