現代建筑無線智能控制系統設計

王曉娟

（江蘇安全技術職業學院，江蘇 徐州 221011）

0 引 言

現代建筑是新時代背景下的產物，發展水平受到科學發展的影響。其設計和建設主要是將先進的科學技術融入建筑結構中，使每一個建筑物都能夠形成一個完整的體系，以此改善人類日常生活和工作環境[1]。智能控制系統是現代建筑結構的核心組成，從長時間的革新來看，智能控制系統的發展可劃分為獨立集成階段、樓宇自控集成階段以及中央控制集成階段。在各個階段，智能控制系統都在不同方面得到了全面優化[2]。但目前最新的智能控制系統在現代建筑的應用中仍然存在各個控制子系統集成度不夠、功能不齊全、互聯性差以及執行度低等問題，使得現代建筑市場缺乏完善的管理體系，嚴重阻礙了現代建筑的智能發展[3]。基于此，本文開展現代建筑無線智能控制系統設計研究。

1 系統硬件設計

1.1 控制器選型

針對現代建筑結構的需要，選擇兩臺基于PLC的控制器應用于同一座建筑物，其中一臺主要用于采集控制信號，利用數據通信的方式傳輸控制信號、各電氣設備運行狀態信號以及調配信息等，并將相應的控制信號傳遞到另一臺基于PLC的控制器當中。另一臺基于PLC的控制器在接收到相應的控制信號后完成對信號的智能識別，控制現代建筑各個電氣設備及電梯的運行，并將相應的控制信息發送到控制中心[4,5]。圖1為現代建筑無線智能控制系統中控制器的連接方式示意圖。

圖1 無線智能控制系統中控制器的連接示意圖

基于上述對控制器的設計要求，選用西門子ISH8869-95U25型號的兩臺控制器，每一臺均能夠滿足現代建筑中電梯和電氣設備等設施的自動化控制需要，不需要額外引入分層器，降低系統的研發成本。ISH8869-95U25型號控制器外結構尺寸為125 mm×95 mm×30 mm，安裝孔徑為65 mm，運行過程中可承受-35～+85 ℃的溫度條件，在運行環境相對濕度達到25%～85%時都不會出現結露問題，工作電流為550 mA，輸出電壓為DC 36 V[6]。同時，在對現代建筑結構當中的電梯進行控制時，若單個建筑結構含有雙電梯，則召喚控制時可通過ISH8869-95U25型號控制器進行自動識別，當其中一臺電梯到達相應的樓層時，另一臺電梯則停靠在最近的平層，不會造成電梯懸浮在兩個樓層之間的問題，以此提高現代建筑結構中各類電氣設備和電梯運行的安全性。

1.2 控制總線設計

針對本文現代建筑無線智能控制系統運行需要，選擇Kvaser6820型號局域網控制總線作為本文系統的總線硬件結構，在運行過程中對各類電氣設備和電梯實施檢測和控制，從而解決電氣設備和電梯之間的控制信號傳輸問題，以此減少電氣設備和電梯之間存在大量連接電線的問題[7]。將Kvaser6820型號局域網控制總線連接在現代建筑的外圍器當中，通過控制系統的基礎模塊實現對現代建筑中各個電氣設備和電梯的控制。同時，Kvaser6820型號局域網控制總線的保護級別為IP15，具有高溫和反向極性等功能，總線當中還包含一個電源LED燈顯示設備，其主要作用是顯示各類控制狀態。

在安裝Kvaser6820型號局域網控制總線的過程中，還需要安裝相應的導軌[8]。本文選用DIN8545-650型號導軌，不需要外界工具輔助安裝，成本更加低廉，同時該型號導軌可以將數據傳輸的最遠距離為18.5 km，傳輸速度可達到2.5 Mb/s，充分滿足各類高層及超高層現代建筑的設計需要。

2 系統軟件設計

2.1 控制信號無線智能傳輸

本文在設計全新的控制系統時，主要將控制信號輸送到現代建筑控制主站中，并通過無線方式實現控制信號在系統當中的可視化展現。設置電氣設備和電梯的控制信號均滿足S-Ans通信協議，根據現代建筑的日常功能需要，設置如表1所示的控制信號與對應功能表。

表1 控制信號與對應功能表

本文控制系統在對現代建筑中的各類電氣設備和電梯進行控制時，根據需要將相應的操作信號在系統內部轉換為控制信號，并結合ISH8869-95U25型號控制器對其進行自動采集。

系統軟件部分底層（包括MAC層和物理層）采用IEEE802.15.4協議，調制方式為OQPSK，速率為250 kb/s。IPv6微型協議棧包括UDP、TCP、ICMPv6等基本協議以及在節點之間建立和維護多跳路由的MSRP路由協議。由于IEEE802.15.4支持的數據包長度最大為127 B，因此在MAC層和IPv6微型協議棧之間引入了一個適配層，當接入對象網絡協議支持的最大數據包長度超過127 B時，需要對數據包做分片處理。另外協議棧里面包含兩個獨立的緩沖區，一個是發送隊列，一個是接收隊列，分別用于數據的發送和接收。此外，在實際應用中常常會由于人為操作錯誤而產生錯誤的控制信號，為了有效避免出現錯誤控制的問題，需要掃描控制器發出的控制信號，根據掃描的順序過濾可能存在錯誤的控制信號，并將正確的控制信號存儲在本文系統的存儲模塊當中，再通過相應的推算得出控制所有電氣設備和電梯的控制信號，從而實現對現代建筑的運行控制[9]。

2.2 無線控制指令發送順序

在得出控制信號與對應功能后，計算控制指令的發送順序為：

式中，Em表示第m種電氣設備或電梯的運行模式下第n部設備的綜合控制指數；CEm表示n部設備的綜合輸入特征量；Wn表示控制系統的順序評價指標；Cm1，Cm2表示某一部設備的綜合輸入特征量；Wn1，Wn2表示系統某一部設備的順序評價指標。根據上述公式計算在多臺設備同時運行過程中控制系統應當給出的控制信號順序，以此實現對多臺設備的有序控制，具體流程如圖2所示。

圖2 流程圖

當現代建筑中的某一設備發生故障時，利用本文控制系統的控制器采集異常控制信號，并將其統一格式后傳輸到控制系統的上位機中進行報警顯示，從而幫助現代建筑管理人員在第一時間對出現故障的設備進行維修和維護[10]。

3 對比實驗

為進一步驗證本文提出的現代建筑無線智能控制系統在實際應用中的效果，將現代建筑結構中的電梯作為控制對象，分別利用本文提出的控制方法和傳統控制方法控制電梯的運行。選擇兩座5層雙電梯建筑作為實驗環境，其中一座利用本文提出的無線智能控制系統作為控制核心，另一座利用當前控制系統作為控制核心。該現代建筑結構中的電梯平均每一層樓經過時間為0.85 s，電梯的額定載荷為1 200 kg，約15人，隨機選擇50名志愿者乘坐，分別記錄兩座現代建筑在電梯運行過程中的相關數據，并繪制如表2所示實驗結果對比表。

表2 兩種控制系統實驗結果對比表

表2中，兩種控制系統下的電梯運行時間包含了乘客等待電梯的時間。從表中的數據可以看出，智能控制系統下電梯的運行時間更短，傳統控制系統下電梯的運行時間更長。電梯的運行時間越短則表示該控制系統的控制策略更有效，控制效率越高，反之電梯的運行時間越長表示該控制系統的控制策略無法滿足電梯快速運行的需要，控制效率低。通過對比實驗能夠進一步證明本文提出的現代建筑無線智能控制系統在實際應用中能夠有效提高建筑結構中各個電氣設備和電梯的運行效率與運行質量。

4 結 論

本文通過研究現代建筑無線智能控制系統設計，提出了一種全新的控制系統，并通過實驗進一步證明了該系統的實際運行性能，同時將該控制系統應用到現代建筑當中，能夠實現對各個電氣設備或電梯的無線控制，滿足現代建筑的智能化建設需要。與傳統控制系統相比，該系統安裝時減少了很多不必要的硬件結構，可以在降低現代建筑建設成本的同時提高建設的環保性，實現現代建筑的健康綠色發展。