智能型住宅自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

智能型住宅自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化建筑在世界應(yīng)運(yùn)而生。智能小區(qū)在智能化大樓基礎(chǔ)上擴(kuò)展和延伸出來的，人們通過對小區(qū)建筑群的四個(gè)基本要素（結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理）進(jìn)行優(yōu)化考慮，提供一個(gè)投資合理，又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的人居環(huán)境……關(guān)鍵詞：智能住宅自動(dòng)控制管理系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化建筑在世界應(yīng)運(yùn)而生。智能小區(qū)在智能化大樓基礎(chǔ)上擴(kuò)展和延伸出來的，人們通過對小區(qū)建筑群的四個(gè)基本要素（結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理）進(jìn)行優(yōu)化考慮，提供一個(gè)投資合理，又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的人居環(huán)境。為適應(yīng)我國加快住宅建設(shè)發(fā)展，增強(qiáng)住宅建設(shè)的科技含量的要求，我國在繼“解困”、“安居”工程后，又加大了小康工程的力度?！爸悄苄妥≌彝ピO(shè)施自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)應(yīng)用研究”作為國家重大科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目棗“2000年小康城鄉(xiāng)科技產(chǎn)業(yè)工程”的專題，就是這一背景下提出的。

“智能型住宅家庭設(shè)施自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)應(yīng)用研究”是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（原哈爾濱建筑大學(xué)）承接的項(xiàng)目，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京德達(dá)數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限責(zé)任公司合作開發(fā)。該項(xiàng)目采用LONWORKS技術(shù)開發(fā)研究并在住宅示范小區(qū)工程中試運(yùn)行。1、對住宅居住環(huán)境（濕度、濕度）及設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；2、住戶三表（水表、電表、煤氣表）遠(yuǎn)傳；3、住戶三防（防火、防災(zāi)、防盜）；4、廚房設(shè)備監(jiān)控；5、衛(wèi)生間排風(fēng)控制。這些功能用LON總線一節(jié)點(diǎn)實(shí)施，即每一住戶為一LON節(jié)點(diǎn)，然后再用棗服務(wù)器管理各個(gè)用戶的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成LON總線系統(tǒng)。該項(xiàng)研究已在北京翌景嘉園示范小區(qū)通過試運(yùn)行，下面對其自評估如下：一、攻關(guān)的任務(wù)、考核目標(biāo)及主要技術(shù)指標(biāo)：

經(jīng)過論證，我們在專題合同中將各種指標(biāo)定位在：

本專題的攻關(guān)任務(wù)：研究智能型住宅家庭設(shè)施自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩項(xiàng)任務(wù)，其一是開發(fā)家用管理軟件，其二是開發(fā)家庭智能控制裝置，實(shí)現(xiàn)對居室溫度、濕度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；對廚房用具進(jìn)行時(shí)序控制；對衛(wèi)生間的排風(fēng)進(jìn)行控制。而家用電腦管理軟件要對家庭設(shè)施進(jìn)行管理并提供若干家政服務(wù)程序。本專題的考核目標(biāo)：提供具有居室空調(diào)、廚房監(jiān)控、衛(wèi)生間自動(dòng)排風(fēng)功能的微機(jī)控管裝置一套；提供家用電腦管理軟件一套；住宅溫、濕度等參數(shù)應(yīng)滿足智能住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；在示范工程中應(yīng)用該項(xiàng)成果。

本專題的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：溫度、濕度等主要被控參數(shù)應(yīng)滿足智能小康住宅標(biāo)準(zhǔn)（溫度18℃～28℃，濕度30％～70％）；系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

在進(jìn)行該項(xiàng)專題的進(jìn)一步研究的過程中，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展以及我國智能住宅發(fā)展?fàn)顩r，在原有的合同的基礎(chǔ)上，我們對家庭智能控制器又增加了三表遠(yuǎn)傳、安防等功能。二、專題執(zhí)行情況評價(jià)

本專題按兩個(gè)部分實(shí)施，即家庭智能控制器和家用電腦管理軟件的研究：1、家庭智能控制器（1）功能

本專題所開發(fā)的家庭智能控制器即智能節(jié)點(diǎn)具有4路模擬輸入，12路數(shù)字輸入，12路數(shù)字輸出，其所實(shí)現(xiàn)的功能如下：

通過對室內(nèi)溫度監(jiān)測，得到實(shí)際溫度與設(shè)定溫度比較：當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度一定值時(shí)，在夏季關(guān)空調(diào)，在冬季開暖氣；當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度一定值時(shí)，在夏季開空調(diào)，在冬季關(guān)暖氣。溫度控制達(dá)到智能小康住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)：18～28℃。

通過對室內(nèi)濕度監(jiān)測，得到實(shí)際濕度與設(shè)定濕度比較：當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度一定值時(shí)，關(guān)加濕器；當(dāng)實(shí)際濕度低于設(shè)定濕度一定值時(shí)，開加濕器。濕度控制達(dá)到智能小康住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)：30～70％。

對三表實(shí)行脈沖計(jì)數(shù)，并發(fā)送到上位機(jī)。

當(dāng)門磁或紅外報(bào)警時(shí)，在設(shè)防狀態(tài)下，聲光報(bào)警和自動(dòng)撥號器啟動(dòng)，并有報(bào)警信號傳到上位機(jī)。

玻璃破碎報(bào)警時(shí)，聲光報(bào)警啟動(dòng)；在設(shè)防狀態(tài)下，自動(dòng)撥號器啟動(dòng)：有報(bào)警信號傳到上位機(jī)。

緊急按鈕報(bào)警時(shí)，自動(dòng)撥號器啟動(dòng)，并有報(bào)警信號傳到上位機(jī)。

排風(fēng)扇按鈕控制排風(fēng)扇，排風(fēng)扇運(yùn)行一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉。

煙感探頭報(bào)警時(shí)，煤氣閉閥器關(guān)閉，聲光報(bào)警和自動(dòng)撥號器啟動(dòng)，并有報(bào)警信號傳到上位，此外，通過判斷煙感探頭輸入信號可識別探頭是否有故障。

煤氣泄漏報(bào)警時(shí)，排風(fēng)扇啟動(dòng)，煤氣閉閥器關(guān)閉，聲光報(bào)警和自動(dòng)撥號器啟動(dòng)，并有報(bào)警信號傳到上位機(jī)。

探頭復(fù)位輸入控制火災(zāi)探頭掉電復(fù)位及開啟煤氣閉閥器。

通過上位機(jī)運(yùn)作，可以控制廚房設(shè)備按一定時(shí)序啟動(dòng)。

溫度的設(shè)置可以通過上位機(jī)或者設(shè)定按鈕實(shí)現(xiàn)。

濕度的設(shè)置可以通過上位機(jī)或者設(shè)定按鈕實(shí)現(xiàn)。

與本專題預(yù)期目標(biāo)相比，我們在設(shè)備監(jiān)控的基礎(chǔ)上，增加了安防功能，三表遠(yuǎn)傳功能；我們經(jīng)過認(rèn)真研究，考慮研發(fā)產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣，我們單片機(jī)來完成這些功能，而是采用了先進(jìn)的現(xiàn)場總線棗LON總線。（2）應(yīng)用的LONWORKS技術(shù)特點(diǎn)

本專題采用了LONWORKS技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，該技術(shù)有如下特點(diǎn)：

開放性：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放，對用戶平等；

通信媒介的多樣性：可采用任何媒介進(jìn)行通信，如雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜、無線電波、紅外等，并且同一網(wǎng)絡(luò)可以有多種通信媒介；

互操作性：其通信協(xié)議Lontalk是符合ISO定義的OSI模型，任何制造商的產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)互操作性；

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌河行切汀⒖偩€型、環(huán)型以及自由型；

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：主從式、對等式或客戶/服務(wù)式結(jié)構(gòu)；

通信的每幀有效字?jǐn)?shù)可從0至228個(gè)字節(jié)；

通信速率可達(dá)1.25MB/S，此時(shí)有效距離為130M；78KB/S的雙絞線，直線通信距離可達(dá)2700M；

其技術(shù)核心器件棗Neuron芯片內(nèi)部裝有三個(gè)8位微處理器、34種I/O對象和定時(shí)器以及LONTALK通信協(xié)議等。該芯片具有通信和控制功能。

近年來，該技術(shù)在國內(nèi)外的智能建筑領(lǐng)域都得到了應(yīng)用和發(fā)展，其開發(fā)工具平臺強(qiáng)大，開發(fā)者在短期內(nèi)就可以完成開發(fā)工作；在韓國、日本、澳大利亞、加拿大等國都已經(jīng)利用該技術(shù)完成多項(xiàng)工程；并且，總體來看，該技術(shù)適用于中國，而且還在無線擴(kuò)頻等方面有繼續(xù)加強(qiáng)的潛力，能在家庭智能系統(tǒng)上有更大的突破。（3）解決的技術(shù)關(guān)鍵

功能集成：在目前智能住宅產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)單一功能（如抄表、安防）的產(chǎn)品很多，本裝置將三表收費(fèi)、三防、廚房設(shè)備監(jiān)控、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生間排風(fēng)扇控制等功能集成在一起，真正實(shí)現(xiàn)了功能集成。

采用了Lonworks技術(shù)：Lonworks技術(shù)作為先進(jìn)的總線技術(shù)，在本專題得以采用，將會(huì)更有利于家庭智能控制裝置的推廣。

模擬量的引入：從長遠(yuǎn)來看，將模擬量引入智能住宅將是必然，而目前國內(nèi)幾乎沒有智能住宅產(chǎn)品將其引入，本裝置將模擬量引入，也體現(xiàn)裝置的前瞻性。

軟件編程語言采用NeuronC語言，利用該語言事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)的特點(diǎn)，增強(qiáng)了裝置的實(shí)時(shí)性。

本裝置可靈活組態(tài)：如果用戶不需要該模塊中的模擬輸入，我們就會(huì)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)預(yù)留出端口，而不焊接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，這樣可為用戶省下投資，也為其將來擴(kuò)展做好準(zhǔn)備；12路數(shù)字輸入點(diǎn)被開關(guān)量或脈沖信號來觸發(fā)，其可以配置成電表水表煤氣表輸入，可以配置成安防信號輸入，也可以是二者結(jié)合；12路輸出只是一個(gè)開關(guān)信號，也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活配置。

與目前系統(tǒng)集成商所提出智能小區(qū)方案相比，本專題將家用電腦引入家庭智能控制系統(tǒng)來管理家庭設(shè)施。

住宅節(jié)能：我們認(rèn)為，智能住宅在提供給人們安全、舒適的環(huán)境的同時(shí)，也應(yīng)將節(jié)能的概念引入智能住宅中。在本專題中，我們對衛(wèi)生間排風(fēng)采取實(shí)時(shí)控制，使其在滿足室內(nèi)排風(fēng)要求的同時(shí)做到節(jié)省電能；我們通過對室內(nèi)溫度的設(shè)定，在不同季節(jié)內(nèi)對空調(diào)或供暖設(shè)備進(jìn)行控制，使其在一定的條件下工作，當(dāng)達(dá)到預(yù)期要求時(shí)，立刻停止工作，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

模數(shù)轉(zhuǎn)換通信匹配問題：在本專題中，我們利用Max186芯片對采樣的溫濕度信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。Max186芯片具有12位精度，其與LONWORKS技術(shù)的neurowire方式進(jìn)行通信需要匹配，本專題解決了這個(gè)問題。

本專題所開發(fā)出來的家庭智能控制器比較成熟，可作為產(chǎn)品投入市場，并且，該家庭智能控制器已經(jīng)在北京翌景嘉園使用。與目前國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，其性能價(jià)格比是最優(yōu)的（具體情況見效益分析）。2、家用電腦管理軟件

家用電腦管理軟件是在Delphi5.2平臺上開發(fā)而成，其功能、設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：（1）功能

提供家庭生活服務(wù)信息。主要有：醫(yī)療保健知識、家庭菜肴、點(diǎn)心制作方法及飲食科學(xué)知識、女性美容裝飾常識、花鳥魚種值飼養(yǎng)方法、旅游知識、保險(xiǎn)知識及家庭生活中的一些常用信息等。

提供家庭事物管理手段。這部分主要內(nèi)容有：家庭財(cái)務(wù)、親友通訊錄、個(gè)人檔案管理。

該軟件通過網(wǎng)卡直接對家庭設(shè)施進(jìn)行管理：三表計(jì)費(fèi)、設(shè)備狀態(tài)顯示、廚房設(shè)備時(shí)序控制、溫濕度設(shè)定。（2）軟件特點(diǎn)：

是軟、硬件技術(shù)成功結(jié)合的典范：考慮到“小康住宅”的特點(diǎn)，將計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)相結(jié)合，通過LON控制模塊成功地實(shí)現(xiàn)了對住宅內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測及設(shè)備監(jiān)控。實(shí)用性強(qiáng)：在本軟件中，我們以科學(xué)實(shí)用為原則，從醫(yī)學(xué)、美食、旅游、保險(xiǎn)、美容裝飾、花鳥魚種植飼養(yǎng)、財(cái)務(wù)管理、通信錄管理等方面為用戶提供了及其豐富的生活服務(wù)信息，以便為用戶的工作、學(xué)習(xí)提供更多的方便。

易學(xué)易用：在軟件開發(fā)過程中，我們在不影響功能及生動(dòng)性的前提下，盡量使界面簡潔、直觀，并具有邏輯性，從而使得用戶容易掌握軟件的思路及操作方法。2、經(jīng)費(fèi)使用評價(jià)

本專題的研究采用LONWORK技術(shù)，并要求在示范小區(qū)試運(yùn)，這樣做可保證技術(shù)的先進(jìn)性和成果的推廣。但應(yīng)用該技術(shù)必須在其開發(fā)平臺上完成，我們沒有（國內(nèi)僅少數(shù)單位具有）開發(fā)工具，該開發(fā)系統(tǒng)由美國ECHLON公司專賣，價(jià)值二十萬元。其次選擇示范小區(qū)，也要花費(fèi)相當(dāng)數(shù)量的費(fèi)用。面對這兩項(xiàng)主要開銷，國家科委下?lián)艿氖f元是明顯不足的。為了解決經(jīng)費(fèi)的不足，我們采取如下措施：

（1）將該專題分成兩個(gè)子項(xiàng)，即智能住宅家庭控制裝置和家用電腦管理軟件。其中智能住宅家庭控制裝置由于采用LONWORKS技術(shù)，我們決定采用合作開發(fā)的辦法，而家用電腦管理軟件采用自主開發(fā)，經(jīng)費(fèi)分項(xiàng)使用。

（2）選擇北京德達(dá)數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限責(zé)任公司作為合作伙伴，主要原因是該公司作為國內(nèi)智能建筑領(lǐng)域起步最早的企業(yè)之一，其在智能建筑科研、設(shè)計(jì)、安裝頗具實(shí)力，并且還備有開發(fā)技術(shù)產(chǎn)品的成套設(shè)備。與該公司合作，他們可提供開發(fā)設(shè)備和安裝調(diào)試條件，我們出技術(shù)、人力，這樣做就不需購買專題開發(fā)用的設(shè)備，也就節(jié)省了這筆大的開銷。

（3）確定北京翌景嘉園示范小區(qū)作為試運(yùn)點(diǎn)，該智能住宅小區(qū)是北京德達(dá)數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限責(zé)任公司承接工程，其中有該公司科研、開發(fā)、實(shí)驗(yàn)樣板間，利用該樣板間提供的條件（其中包括智能住宅的多種傳感器），可以節(jié)省現(xiàn)場安裝調(diào)試所需的硬件費(fèi)用。

（4）本著節(jié)省的原則辦事情，由于合作單位、示范小區(qū)均在北京，而我們在哈爾濱，兩地的差旅費(fèi)將要占科研經(jīng)費(fèi)的三分之一，我們利用北京德達(dá)數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限責(zé)任公司提供給校方人員的食宿條件以及按每次出差要集中高效辦事的原則，使差旅費(fèi)的花銷僅用原計(jì)劃的一半。

由于利用以上一些措施，使得該項(xiàng)目實(shí)際用費(fèi)基本與國家科委撥款持平。六、存在的問題

目前，國內(nèi)沒有一個(gè)完整的智能小區(qū)規(guī)范，這為定位智能住宅的功能帶來一定難度，本專題對家庭智能控制裝置的功能是結(jié)合我國智能小區(qū)現(xiàn)狀及各種技術(shù)資料定位的，并且對每個(gè)家庭所配置節(jié)