基于无线通信技术的建筑电气智能化控制系统

张春香 张博文

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司山东分公司 山东 济南 250101

引言

目前关于建筑电气设备控制的研究有很多。有学者设计一种智能化控制系统，在该研究中设计了由管理层﹑采集控制层﹑设备层三级构成的控制架构，然后基于全变频自适应控制算法设计了控制工艺，主要包括风机模式控制﹑供冷模式控制﹑冷源效率控制等三种，提高了通风空调的总体能效。有学者以高层建筑集中供暖系统为对象，研究一种基于分布式群控技术的控制策略，在该研究中首先建立分布式群控技术的基本思想进行了分析，其次构建了建筑模型，然后设计了一种室内温度模型预测控制器，定义了该控制器的目标函数，最后通过分布式群控思想实现了优化控制[1]。为了更好地提高系统控制能效，降低控制延迟，设计了基于无线通信技术的建筑电气智能化控制系统，利用设计的多信道无线通信传输方案进行数据传输，并对采集到的数据进行PID线性控制，达到最终的控制目的，为智能建筑的建造和完善提供参考和借鉴。

1 智能化建筑电气特点

在我国社会﹑经济和科技发展迅速的今天，电气系统在建设中的作用日益凸显和强化。人民群众对居住和生产的环境品质提出了更高的要求，现行的建设项目的电气建设也应该朝着精细化﹑有序的方向发展。智能化建筑的电气系统施工是一个复杂的过程，其结构可分为供配电系统﹑照明系统﹑接地系统﹑备用电源﹑综合布线﹑建筑控制﹑火灾及其他的电气设备。与其他项目的电气设备连接方式比较，智能化建筑的电气建设特点有：第一，电气工程更加隐蔽。在施工电气的施工中，为了从基本保证整个施工阶段的美观，大部分都是实用暗装施工，使施工和维护工作更加困难，与建筑的土木工程关系更为紧密。第二，电气工程具有明显的系统性。智能化建筑的电气系统建设必须满足不同类型的电气需求为主要内容。

2 建筑电气智能化控制系统软件设计

2.1 无线通信方案设计

当前控制系统多采用单信道通信传输技术来贯穿系统上下两端，实现数据交互与流程。这种技术在传输数据时，很容易受到无线通信固有特性的影响，无法消除节点间的相互干扰，使得控制存在较大的延迟以及消耗了系统大量能耗[2]。面对这种情况，本系统中设计一种多信道无线通信方案，在有效地提高并发传输数据量﹑增强整个网络吞吐量的同时，也能增强其抗干扰能力，从而降低整个控制系统在控制过程中的控制延迟。目标函数即使用多信道无线通信方案要实现的目标，即最大网络容量。最大网络容量意味着节点间互相干扰最少，信道利用率最高。设置的目标函数表达式如下:maxY=H·R∑ni=1Pig()·SiM(1)其中，Si=log21+Aik/F2(2)Pig()=1，Yes0，No{(3)式中，maxY代表最大网络容量；Pi(g)代表无线通信传输信道分配矩阵，当链路i分配了信道g，则Pi(g)=1，否则Pi(g)=0；Si代表链路i的无线通信传输信道容量；H代表无线通信传输信道的带宽；Ai(k)代表链路i中接收点k的信噪比；n代表无线通信网络中链路数量；F代表干扰信号强度；M代表传输频率；R代表干扰范围。

2.2 设置约束条件

①通信信道数目约束aj≤Aj式中，aj代表节点j得到的信道数量；Aj代表节点j的接口数目。②通信信道可用性约束∑g∈GPig≤1式中，G代表无线通信网络中可用信道总数；③通信链路信噪比约束Si≥T式中，T代表信噪比阈值(3)求解最优多信道无线通信传输方案。利用粒子群算法求取目标函数的最优解，即最优多信道无线通信传输方案。按照求取的最优多信道无线通信传输方案进行数据之间的通信传输，改善了建筑现场各个节点之间的传输干扰问题，使得控制策略更容易实现。

2.3 控制模型设计

在工业过程控制中，按被控对象的实时数据采集的信息与给定值比较产生的误差的比例（proportional）﹑积分（integral）和微分（derivative）进行控制的控制系统，简称PID控制系统。在本系统中，控制模型是以现场传感器采集到的参数为基础，通过PID控制器控制模型。控制模型可以描述为ψ(t)=Kpe(t)+1Ti∫e(t)dt+Tdde(t)dt||(7)其中，et()=βt()-αt()(8)式中，ψ(t)代表建筑电气设备的控制量；Kp代表比例系数；e(t)代表误差；Ti代表积分时间常数；Td代表微分时间常数；β(t)代表系统设置的电气设备运行下的理想建筑内环境参数；α(t)代表建筑内实际环境参数。通过比例﹑积分与微分的智能调整，能够让电气设备的各项参数比如温度﹑湿度﹑浓度等保持相对稳定状态，进而降低整个系统的能耗。当布设在现场的传感器采集数据之后，在设计的多信道无线通信传输方案下，将数据传输给控制中心，利用其中的基于PID控制模型得出电气设备的控制量，并通过以太环网将指令传输给电气设备，控制电气设备执行指令，使其达到预期，完成建筑电气智能化控制。

3 智能化建筑的电气建设重点及难点

3.1 布线

在智能建筑的电气设备中，导线管的类型很多，可以分为金属管﹑塑料管﹑线槽或桥架等。在布线时，导线导管的弯折半径较小，绝缘导管保护层数不均匀，金属导管焊接品质需提高，桥架上的布线标识不清楚，造成线路布设的杂乱无章。为了从根本上提高电气设备的铺设质量，确保电气设备的高质量进行，必须对电缆的施工全程进行严格的控制[3]。对电气管道的弯矩进行了精确设定，并规定了其最大弯矩和最小弯矩半径必须符合随后的布线条件。电缆桥架也是电缆铺设中的关键和难题，应根据电缆桥架上的特殊要求，在其最优位置分别布置两个以上的接地线。并对接地导线的容许剖面进行适当的设定。当接地线连接在跨越的铜心接地导线时，其最小允许的横断面积应为4mm2。在电气和桥架之间铺设时，应在两端分别设立标识。对桥架内部的线材充填比例要小于60%。在铺设时，必须有合理的布置。在水平铺设时，在头﹑端和拐角处要有一个固定的位置；竖向铺设时，固定点之间的距离不得超过1m。

3.2 照明设备的安装

对目前电气安装中灯具安装工作进行了剖析，结果表明：存在安装过程中灯具的选择不合理﹑灯具质量不合格﹑灯具安装位置与其他电气安装位置发生矛盾﹑照明设施和设备的安装不正确等问题。为了从源头上提高照明设备的装配水平，有关部门必须对其进行严格的品质检查，保证其在使用过程中达到使用的安全﹑稳定的目的。在安装灯具时，必须按照设计图所标明的安装地点，对施工项目的总体施工进行全面的剖析。灯具的安装中线必须与水平方向一致，其误差不得大于5mm。

3.3 汽车库管理系统

①汽车库管理系统采用先进的非接触技术﹑车辆检测技术﹑自动控制技术﹑计算机图像处理和管理技术为一体，实现高效﹑安全﹑方便的停车场管理。系统集计算机网络﹑视频监控﹑图像识别与处理及自动控制技术于一体，来实现停车场的车辆全自动化管理，即对车辆出入控制﹑车位检索﹑费用收取﹑核查。通过视频免取卡形式对进出本项目的所有车辆引导停放﹑存取﹑收费等实现综合自动控制与管理。停车库不仅可供小区内部人员使用，也可供外来车辆临时停用。系统出入口处配置免取卡收费控制器﹑道闸和车辆检测器，通过布线到管理岗亭PC；结合识别的管理软件，实现车辆的出﹑入时间记录以及场内车辆的信息记录并生成日报表﹑月报表。车辆出﹑入口处各安装地感线圈，通过它将感应信号传给车辆检测器，再由车辆检测器将信号传给自动挡车器，控制挡车器落杆与否。在停车场的入口﹑出口处安装主﹑辅摄像机识别车牌，设置补光灯，提高识别率。②采用车牌识别软件进行入场时间统计﹑出场费用结算；对于入场“无车牌”或“无法识别车牌”车辆通过车型﹑颜色识别后将照片归入“待选”名单，出场时人工比对照片进行收费；系统对无法识别的车辆进行人工车牌信息修改，出场时利用模糊查询匹配；车辆入场﹑出场进行车辆前后整体高清拍照，以备查询使用。③可通过微信或支付宝等互联网支付平台结算停车费，可设置黑名单，禁止入内。软件可设置单个车位可带3辆车，当车位上有停车时拒绝该车位的其他授权车辆进入。

3.4 开关和面板的装配

在电气开关插口和面板的装配时，必须把插口与墙壁的接触面紧固，四壁不留空隙。面板的表面要平整，没有任何的刮痕。逐一对漏电开关进行检测，以防止其出现品质问题，避免导致以后的操作中出现更大的安全风险。同一类型的面板应该放在一块，并且要对其安装的地点进行适当的控制。如果工地上有交流﹑直流或不同的电源插口，也要使用清楚的标志加以区别[4]。同时，还应该根据AC﹑DC或者其他电压水平单独设定插座，以保证在使用过程中使用时的安全。插口的接线也必须严格按照接线程序进行，例如在安装一个单相双口插口时，插口的右侧或上部开口必须与相线相连，而插口的左右侧和下部开口则要与零线相连。在单相三孔插座时，电源插口右侧的开口要与相线相连，左边的开口要与零线相连。三相插口的相位顺序必须是相同的，而在插口之间的接地线和接零线也不能串接。

3.5 门禁管理系统

①门禁系统由前端门禁点﹑发卡器﹑管理电脑等组成，通信协议采用TCP／IP，确保数据传输的可拿性及高速；磁力锁在火灾报警时强制断电开门。本系统根据用户使用需求分为普通读卡器门禁和多功能门禁一体机两种。②仅面向物业管理人员使用的楼栋次出入口﹑重要发电机房﹑配电机房﹑消控室﹑生活水泵房﹑电信机房﹑电视机房﹑屋顶层出入口通道等区域设置普通读卡器门禁。③出入口控制系统采用非接触感应式IC卡技术，硬件部分主要包括了控制器﹑读卡器﹑电磁锁等。系统通过管理中心对用户进行发卡授权，用户通过在读卡器上刷卡，控制器在接收到读卡器上感应到的用户信息后判断用户权限，做出是否打开对应门锁的动作，中心软件实时反应所有人员进出信息﹑门状态信息和相关报警信息等。读卡器键盘还具有胁迫密码报警功能。④面向住户及访客使用的小区出入口﹑地下室及一层单元楼出入口﹑进出商业圈等区域的门禁采用多功能门禁一体机，住户可采用人脸识别﹑指纹刷卡﹑输入键盘密码等方式进行通道授权，访客采用二维码或身份证识别方式进行通道权限控制。⑤网络型门禁一体机系统将读卡器与控制器合二为一。并集成有人脸识别摄像机﹑指纹识别和键盘。系统通过管理中心对用户进行人脸﹑指纹采集，或设置密码等方式进行授权，用户通过上述方式开门，控制器做出是否打开对应门锁的动作。

4 结束语

为满足人们对居住﹑办公环境舒适性的需要，建筑内部的电气设备应用得越来越多，对电气设备的控制要求越来越高。面对这种情况设计了基于无线通信技术的建筑电气智能化控制系统，通过无线通信技术将多种电气设备集为一体，通过实时传输的相关参数，利用PID设计一种控制模型，得出控制量，实现建筑内部电气设备的智能化控制。在未来研究中将进一步验证控制器的广泛适用性以及提高系统控制精度。