基于光接入網絡遙測的樓宇智能管理系統研究

陳 宏

(浙江大學 電氣工程學院,浙江 杭州 310027)

0 引言

隨著智能化產業的蓬勃發展,智能樓宇已經成為現代化建筑發展趨勢,智能樓宇采用計算機技術、信息處理技術和通信技術進行日常維護和運行,具有安全、便利、高效、節能、節省運行費用、節省維護管理工作量的特點,備受消費者的青睞。智能樓宇的管理范圍有電氣設備、消防系統、通信網絡、綜合布線、安全防范、物業設備等方面,提供門禁、安防、視頻監控、電視、火災報警、有線電視等方面的智能服務。但是目前的智能管理系統功能不能完全覆蓋物業管理的功能需求,有的僅是安全保衛系統,有的僅是通信系統,還有的僅是消防系統,無法為全面系統管理提供足夠的信息。全面信息處理的智能樓宇的智能項目種類繁多,想要進行全面信息的實時采集和集中管理,就需要設計綜合性任務分類的智能管理系統。由于遙測技術能夠實時遠程獲得物理網絡設備和虛擬網絡設備的準確信息[1],遙測技術使用傳感技術、通信技術和數據處理技術的新型技術,對距離遙遠、環境惡劣或高速運行狀態的參數進行實時測量,特別是在飛行器測試[2]、運載火箭[3]、再入遙測[4]、無人機測控[5]、耐高沖擊測試[6]、遙測收發[7]、小型遙測發射[8]、彈載遙測[9]等將數據傳輸到接收設備的場合,都已經廣泛使用。遙測技術屬于一種遠程數據采集技術,是網絡感知的基礎技術之一。因此本文設計的智能管理系統采用光接入網絡的遙測技術,通過采集網絡信息,傳輸基帶信號,設計樓宇智能管理系統,對樓宇進行實時測量和智能管理,獲得良好的測試結果,對于智慧生活具有重要的實踐意義。

1 樓宇智能管理系統

樓宇智能管理能夠提供安全、高效、節能的服務,客戶提出越來越多的需求。本文設計的樓宇智能管理系統主要包括3個類別,第一為樓宇的公共設施、樓道燈、電梯、公共衛生、設備節能提供智能監測和管理;第二為客戶的水、電、煤氣、通信網絡、有線電視等日常生活保障提供智能服務;第三提供視頻對講、門禁、環境安全、緊急突發情況、人身財產保衛的智能監測服務。樓宇智能管理系統的總體方案架構如圖1所示。

圖1 智能管理系統方案架構

圖1中的智能管理系統按照3個類別建立各自的遙測端,遙測端的信號通過傳感器采集,經過信號編碼后,從光接入網傳輸給智能管理數據中心,數據中心啟動任務處理,處理后的信息反饋給智能管理數據中心。根據智能管理系統的需求,在智能管理系統網絡中連接或者斷開某個傳感電路,就可以根據客戶需求增加或者減少采集的信息。

智能管理系統的工作流程按照3個類別進行,設備節能的智能管理主要進行數據采集、數據分析、異常數據的設備檢查;日常供應的智能管理主要進行數據采集、數據分析、異常供應的解決;安全保衛智能管理主要進行日常信號巡邏、報警問題處理,如圖2所示。

圖2 智能管理系統的工作流程

2 樓宇智能管理系統的設計

智能管理系統需要進行遙測網絡設計、采集端設計、信號傳輸設計3個部分的設計之后,才能建立智能管理系統。

2.1 網絡遙測的設計

網絡遙測技術可視為“軟件定義數據采集”,是傳統網絡測量技術與軟件定義網絡技術的結合[1]。按照智能管理系統的功能需求,本文設計的遙測網絡邏輯架構如圖3所示。

圖3 樓宇智能管理系統的遙測網絡邏輯架構

采控層包括遙測任務編排、數據分析、相關控制、和數據采集,向網元層發任務訂閱、數據發布、數據存儲、數據采集。采控層可以由遙測服務接口向外部應用提供所需的運行記錄、問題分析、任務質量和難度、任務預測和數量。網元層包括物理網絡或虛擬網絡設備,負責執行任務訂閱,完成被訂閱任務的數據采集、數據分類和數據發布。

在網絡中傳輸的各個任務具有自己的編號,可以按照樓宇管理的需要增加或者減少任務的數量,按照如圖4所示的格式幀進行任務數據傳輸。

圖4 任務信息幀的結構

圖4中的數據可以按照01、02、……的順序繼續發送,任務編號對應不同的傳感電路采集的信息,數據是信息的具體內容,就是對應此時的網絡中設備信息、環境信息。

2.2 數據采集端設計

數據采集的功能是通過在現場分布的各類采集端完成。數據采集端的電路由傳感器、信號放大器、模數轉換器構成。采集樓宇的各類信號經過放大器的放大,通過模數轉換器變成數字信號,然后再經過編碼,成為基帶信號,發送到光接入網,向智能管理相同數據中心的數據接收端傳輸傳感到的網絡中的設備信息、環境信息需求信息。

2.3 基帶信號的編碼和解碼電路設計

數字信號編碼后在光接入網中的傳輸,經過數字ALTERA芯片EPM7128LC的編碼形成基帶信號發送到遙測網絡。數據發送端的電路由時鐘電路、AMI信號數字編碼電路、光接入網接口電路構成。在接收端,設計ALTERA芯片的數字解碼電路,進行信號解碼,恢復發送端的信號,獲得發送端的信息,對照任務類型,安排任務分配,執行解決方案,實現智能管理。數據接收端的電路由接口電路、AMI信號解碼電路、數字信號處理電路構成。

AMI 碼全稱是傳號交替反轉碼[10-11],具有正負電平跳變,AMI碼的優點是沒有直流分量,編碼規則很簡單,發生錯碼也容易看出來。AMI碼不含直流成分,在有線遙測中傳輸基帶信號,常用AMI編碼形式。AMI碼編碼的1碼稱為傳號,0碼叫做空號,其編碼規則是1碼交替變為+1、-1,0碼不變,+1、-1分別用信號的正負電平代表。消息代碼是空號0時,AMI編碼就是傳輸0;消息代碼是傳號1時,AMI編碼就是傳輸+1、-1交替。采用ALTERA芯片設計的數字電路采用一個JK觸發器和2路與門來實現2路編碼輸出。在數據信號為1時,JK兩端置位,即成為一個T觸發器,實現信號翻轉,數據信號為0時經過2路與門得到的輸出均為0。在AMI解碼的電路,將2路輸出進行“或”操作,即可得到解碼。

3 樓宇智能管理系統的測試

智能管理系統的測試主要是信息傳輸的測試,用仿真波形可以查驗發送端的信號編碼和接收端的信號解碼。AMI碼是三電平的信號,需要把三電平分成2路信號輸出,然后2路信號相減,就是三電平信號。解碼后輸出是兩電平的信號。仿真波形如圖5所示。

圖5 AMI編碼的仿真波形

圖5中codeout信號是需要發送的信號,inclk是時鐘信號,codeout15和codeout16是AMI編碼的三電平信號分成的2路信號,codeout17是解碼信號。在示波器測量的AMI編碼三電平信號和解碼信號如圖6所示。

圖6 AMI編碼和解碼信號

圖6中1路信號是發送的信息,2路信號是AMI編碼三電平信號。解碼圖中1路信號是發送的信息,2路是在接收端的AMI信號,經過解碼后,獲得發送端發送的信息。對比發送的信息波形和經過AMI編碼、解碼之后的信息波形,二者信息相同,沒有誤碼,波形的形狀完全一致,經過AMI編碼和解碼,消除了一些疊加在原來發送信號上的干擾信號,解碼的波形比原來的信號波形更清晰、更規則。這驗證了智能管理系統傳輸數據的準確、可靠。

4 結語

物聯網帶來數字化和智能化變革,光接入網絡遙測是遙測技術在通信感知網絡中的新應用,為智能社區、智能家居、智能樓宇、智能辦公、智慧生活提供實時的設備狀態、運行狀態和網絡狀態的全方位信息,助力于實現光接入網絡、居住、辦公和家庭網絡的自動化和智能化。本文設計的樓宇智能管理系統利用傳感器感知物理設備、環境信息和客戶需求,采用光接入網遙測的鏈接架構,傳輸基帶信號,實現樓宇的節能、日常供應、安全保衛的智能管理。樓宇智能管理網絡系統具有清晰的設備節能的智能管理、日常供應的智能管理、安全保衛的智能管理任務劃分,具有利用傳感器電路模塊采集設備信息、環境信息、客戶需求信息讀取遙測信息的實時性,具有可以定時讀取/隨時讀取數據、根據智能管理的需要增加或者減少需要感知的物理設備的靈活性,具有采用AMI編碼和解碼的基帶傳輸方式、構建光接入網遙測、準確發送和接收信號可靠性的特點。

光接入網遙測準確傳輸信息是智能管理系統運行中的最重要工作任務。測試結果表明光接入網絡的AMI編碼、解碼能夠傳輸準確的信息,設計的基于光接入網絡遙測的樓宇智能管理系統實現了智慧生活的實踐應用,具有重要的現實意義。