基于人工神经网络模型的智能遮阳控制系统

2013-12-17熊爱民方江松

电子科技 2013年5期

熊爱民，谢轩，方江松

(1.华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006;2.广州保得威尔电子科技有限公司研发部，广东广州 510663)

遮阳控制是智能楼宇(BA)中重要的分支系统，其发展逐渐受到国内外建筑行业的重视，低碳经济环保的要求使现代楼宇建设必须考虑能耗问题。研究表明，建筑室外遮阳板、室内窗帘、外墙隔热材料、开窗次数、大小及方位等，均直接影响建筑物的能耗［1－2］。

现代建筑中，空调、照明占建筑整体能耗的60%以上。目前，人们正更多地采用玻璃作为装饰和采光材料，其带来的就是阳光直射，可减少照明能耗，但同时引起制冷和保暖的能耗显著增加。为解决这一矛盾，采用室内、外遮阳技术，减少阳光直射，防止眩光影响室内环境，改善室内照明，降低照明功耗;同时也大幅降低了太阳辐射热量，避免夏季室内温度过高，从而减少空调能耗;所以遮阳对建筑能耗的影响至关重要。本智能网络遮阳系统将计算机技术、通信技术和电子自动化控制技术应用于现代建筑中，是建筑智能化发展的方向和趋势［3－4］。

1 系统结构

遮阳系统连接室外遮阳板及室内百叶窗帘，遮阳板和百叶帘片受普通双向220 V交流电机控制，可以调节帘片上下高度位置和叶片角度，达到调节室内光线、改善室内温度并节能减排的目的。

因户外遮阳板和室内窗帘是建筑整体大厦装饰的重要组成部分，其整体外立面及室内效果应整齐、美观，因此采用网络化统一控制与管理是最佳选择。

若室内光线的调节采用人工或简单定时调节，既破坏了整体装饰效果，又降低了智能化管理水平，空调、灯光系统也无法联动，无法达到节能效果。大多数遮阳产品只是单一地遮挡阳光，阻隔太阳辐射和避免眩光，采用人工控制或简单电动装置。

文中设计的基于人工神经网络模型的智能网络遮阳控制系统，采用Lomworks现场工业控制总线，通过各种实际传感器探测与智能算法分析相结合，能进行阳光自动追踪、预测，实现智能化、网络化控制室内外遮阳系统，并联动灯光系统和空调系统，提供舒适的室内光照及温度环境，从而最大限度的实现建筑节能［5］。

该系统分4层，如图1所示:管理层、系统集成层、现场控制层和执行层/传感器层。

图1 基于人工神经网络模型的系统结构

1.1 管理层

通过管理层对窗帘控制系统的数据进行监控。管理层的设备主要有Web操作站、网络服务器和各种客户端，形成该控制系统的神经中枢，本层设备通过以太网连接，支持TCP/IP协议。

Web操作站上运行Microsoft Windows操作系统下的Web界面，通常用计算机作为网络服务器，提供对控制网络全部操作的接口，包括网络安装、网络维护及变量连接等。本管理层可提供OPC接口，为其他智能系统提供标准软硬件接口，实现整栋建筑的综合信息管理，协调BA各子系统的节能工作。

1.2 系统集成层

智能总线服务器和数据交换机位于系统集成层。采用快速以太网结构，支持TCP/IP协议。智能总线服务器是多功能智能管理设备，是连接控制中心和终端设备的桥梁。控制中心通过快速以太网和智能总线服务器连接，而设备终端通过双绞线(Lonworks总线)与智能总线服务器连接。作为智能总线服务器，其集成了网络安装、设备管理和监视、网络维护等全部功能，内置了时序调度、报警处理、数据记录等程序，简化了控制系统的集成。该设备可实现对终端探测器的信息接收及对终端执行器的直接控制，保障了系统各部分可独立工作，而不仅依赖神经中枢，减少了系统风险，方便了用户安装与维护。

1.3 现场控制层

遮阳控制系统的现场控制器(FCNs)是完全符合Lonworks总线标准的控制器。这些可编程控制器适用于室外遮阳板、室内百叶帘及卷帘等设备的控制，也可作为灯光和空调控制模块，进行智能灯光、温度控制。

现场控制器(FCNs)间的通讯连接是通过两芯非屏蔽双绞线的 Lonworks总线网络。现场控制器(FCNs)上包含有最新一代的Neuron 5000芯片和FTX3智能双绞线收发器，每片Neuron芯片均有唯一不可更改的Neuron ID，此ID即为该设备在总线上的设备编号，其硬件设计由3部分组成，即主控电路、驱动隔离电路及电源电路。现场控制器分为马达、灯光、空调等不同类型，各自通过不同的多参量数据分析程序，分别实现对遮阳马达、灯光、空调的输出控制。

1.4 执行器/传感器层

位于该层的设备是传感器/执行器，如电机、光照度计和数字温度探测器等。其中还有风感，用来测量户外风力，以便在风力超过设定的限度时收起户外遮阳板，避免遭到破坏。

本层各传感器由符合Lonworks总线的数字气象站模块连接，探测到各种参数后，通过同样符合Lonworks总线的阴影计算模块，经建筑阴影计算模型分析后，将数据、指令及各参数通过Lonworks总线传递给各现场控制器以及智能总线服务器，为实现智能控制提供数据参数。

2 系统特点

系统采用Lonworks总线为现场控制总线，是因为Lonworks是一个开放的控制网络平台技术，能连接各种不同的设备。其应用领域从工业厂房、商业大厦到普通家庭住宅，其获得了各国不同行业领域及世界标准组织IEEE、ANSI、ASHRAE和IFSF等的一致认可，目前，已被批准成为国际、国家建筑智能化总线技术标准之一。

由Lonworks总线组成的网络系统主要特点有:(1)网络架构多元化:主要采用分布式的网络架构，同时也支持主从式网络结构。(2)传输媒体与材质的多样性:包括可使用各类双绞线、同轴电缆、电力线及光缆等。(3)通讯协议的模块化与开放性:Lonworks控制网络采用LonTalk通讯协议，即 ANSI/EIA709.1－A－1999，已经固化在了神经元芯片(Neuron Chip)中，该协议具有开放透明性，符合该协议标准的设备可使来自各生产厂商、任何种类的产品互联互通。这种互操作性使系统开发的整体和周期成本较传统封闭系统相对更低。(4)与其他网络的兼容性:Lonworks网络平台可通过各种连接设备接入IP数据网络和互联网，与信息技术应用实现无缝结合。信息技术应用网络中的软件支持能力大幅提高了该系统的数据处理能力。

3 系统的功能

3.1 控制模式

系统控制方式分3种:现场手动、集中控制和自动控制。自动控制是采用阳光自动跟踪技术，自动探测室内、外光强温度及风力风向等，并通过阴影计算模块修正周边建筑对大楼的影响，产生合理的叶片控制角度和位置，达到最佳调光效果。系统根据一年四季太阳光的照射角度自动计算出整栋楼的不同朝向和楼层的每一幅百叶，从0°～180°自动调节角度，至少有6个以上的叶片角度可供调整。以实时保证遮阳、采光和通透性的最佳平衡。

其间，采用模糊算法，通过多参量数据分析模型，结合不同实测参数对输出控制进行修正，当然也可根据人工设定进行修正。

集中控制是根据管理需要，在控制中心对每一幅窗帘进行指令调节，实现集中管理和操作，如玻璃清洗或检修等。

现场手动控制通常需要控制中心授权后才可执行，指定某一区域的窗帘由现场个别客户直接通过手动开关、遥控器执行特殊的遮阳调整，例如会议等。

其程序主要位于现场控制器中，具体流程如图2所示。

图2 现场控制器软件流程

3.2 其他智能控制管理模式

本系统通过软件系统增加了人性化管理模式。如:定时管理模式、节假日管理模式。同时，作为室内智能控制系统的联动要求，增加了应急控制功能:可在火灾报警或其他紧急状态下无条件收起全部百叶［5］。另外，因为同时操作上千幅窗帘，考虑用电等保护方面的要求，系统还有自动错时、错峰启动功能:当执行全部电机同时动作时，系统自动错时响应，以降低建筑物的峰值电流，避免电源电压波动。

3.3 系统软件管理功能

由于是网络化管理系统，管理功能较强大，可根据用户需求，增加网络软件管理的各项功能。目前，该系统支持的管理功能有数据查询、故障记录、运行记录和分区管理等。

由于管理层网络采用标准以太网结构，支持TCP/IP协议，通过整栋建筑的综合信息管理平台，实现综合能效管理，共享各种数据信息，如:室内外温度、光强和湿度等，为全面实现节能管理提供了良好的数据接口。

整体系统软件流程如图3所示。

4 结束语

本智能遮阳控制系统的设计是基于人工神经网络模型，各节点控制器遵守标准Lonworks总线协议。系统建立了基于模糊算法的太阳高度和方位的角预测分析及建筑物室内外阴影计算模型。通过阴影计算模块连接各墙面传感器，主动探测光强度及温度等参数，将数据传送至总线服务设备，进行多参量数据分析后，实现遮阳控制。同时，系统通过OPC接口，联动灯光照明、空调控制系统和其他BA子系统，达到建筑全方位智能化管理和节能减排的目的。