数字家庭平台及智能化与数字化技术应用

内容提要:随着智能化与数字化技术从“智能建筑”走向“数字家庭”,国内外信息产业和家电制造业都将“数字家庭”作为其研究和应用的目标。我们通过多年来应用家庭智能化与数字化技术和在国内“数字家庭”系统工程的实践,提供对“数字家庭”的由来与发展、数字家庭平台功能需求以及“数字家庭”智能化与数字化技术应用,供读者们参考。
关键词:智能大厦 数字家庭 家庭智能化 家庭智能单元 家庭网关
    国家数字城市发展战略将数字社区和数字家庭列入国家数字技术应用的重要组成部分。国家颁布的《建筑及居住区数字化技术应用》国家标准,将为社区和家庭信息共享与网络融合制定共同遵守的规范和协议,随着智能化技术从“智能大厦”走向“数字家庭”,迈进千家万户。近年来“数字家庭”突然频繁地出现在国内外的各大媒体上,一时间成了房地产开发商售楼的“卖点”。那么达到一个什么样的标准和模式才可称之为“数字家庭”?尽管几年前一些经济发达的国家就提出“数字家庭”的概念,然而结合我国数字社区发展及家庭智能化真正的实际需求是什么?这些问题都需要建筑智能化业界的专家们作出回答。
什么是“数字家庭”?
    “数字家庭”在英文中常用“Smart Home”来表示。而在国内的提法比较多样化,例如:家庭智能化(Intelligent Home)、家庭自动化(Home Automation)、家庭网关(Home Gateway)、数字家庭(e Home)、网络家居(Network Home)等。尽管提法不同,然而其体现的内涵就是:在具有个性化的住宅家庭中实现多元网络信息,多样化的自动化控制以及节能环保等功能整合到一体化的家庭智能信息管理与自动化监控平台上;“数字家庭”的核心是家庭智能化技术的应用,即互联网络科技、移动通讯科技、自动化控制科技、节能环保科技的综合应用集成。
    数字家庭平台将与家居生活有关的各种分离的应用功能有机地结合为具有相关性的整体。数字家庭通常要建立两个应用平台:
    第一,必须有一个兼容性强的数字家庭平台(例如:“家庭智能单元”或“家庭网关”),它是“数字家庭”的心脏,也可以理解为是一个家庭信息网络和安全与电器自动化的管理监制中心。有了它,住户可以和家庭内的各种智能化应用功能实现快速的信息沟通,以及远程的遥控操作和控制。建立数字家庭平台,是实现数字家庭最基本的物质条件。
    第二,要求有一个家庭网络平台,它是建立家庭信息网络和控制网络融合的基础,它不仅将宽带网连接到家庭,同时通过家庭网络平台将住宅内的电话网络、电视网络、计算机网络以及家庭自动化监控网络合理的融合在统一的家庭网络平台中。
    真正的数字家庭生活环境需要科技应用和网络的支撑。数字家庭平台和家庭网络平台的整合,将住宅内所有的电脑、电话、电视机、传真、打印机、扫描仪、数码相机、可视对讲摄像头,甚至网络家电通过家庭网络都连接到一体化的智能平台上来。通过集中与分布、有线与无线相结合的方式,实现对所有链接在家庭网络上的信息与通讯终端、家用电器、安全报警装置进行浏览、监视和遥控,最终满足住户对家庭舒适、安全、便捷和环保的现代生活与居住环境的要求。
    “数字家庭”市场广阔
    “数字家庭”的出现将大大改变人们的生活方式、工作方式、并牵动房地产业、装修、物业管理以及IT产业和家电制造业等一大批产业。自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后,美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及新加坡等东南亚经济比较发达的国家和地区先后提出了各种“数字家庭”的解决方案。虽然国外“数字家庭”市场才刚刚启动,却已出现世界众多企业争食“遍地是黄金”的数字家庭市场。
    根据美国一家权威市场调查机构预计,今后两年内将有近1亿的家庭构建家庭网络。在国内海尔、TCL、华为、中兴等一批家电和信息产业公司也将下一代智能家电和通讯产品研发的方向指向“数字家庭”和“网络家电”。因此应用智能化技术,研究和开发“家庭智能化系统产品”是建筑智能化深入发展的方向。
    智能网关产品介绍
    新加坡新电子系统集团公司从1994年进入中国智能建筑市场,专业从事智能建筑的设计,智能化系统产品研发以及智能化系统工程承包。特别是近年来公司将产品研发的重点锁定在“数字家庭”系统产品上,从8X到8XE直到8XG。目前深受市场欢迎的8XE/G可视数字双屏家庭智能化系统产品,广泛应用于北京奥林匹克花园、上海西郊庄园、广州汇景新城、广州山水庭苑、广州中海康城、南国奥林匹克花园、深圳香蜜湖水榭花都等一大批数字社区和“数字家庭”中。
    家庭智能网关(Home Intelligent Gateway)代表着数字家庭智能化与数字化技术应用与发展的趋势和方向。家庭智能网关在应用计算机技术、互联网络科技和自动化控制技术的基础上,全面整合浏览器技术(Web/s)、移动通讯技术(2.5G/3G)、家庭无线局域网技术(802.11)、蓝牙技术(Bluetooth)、红外线技术(IR)以及家庭无线控制技术(HomeRF)。真正将信息(包括监视图像信息)、网络和控制整合在网络化家庭智能网关平台上,住户只要通过一个无线上网的2.5G手机,就可以随心所欲的浏览网络信息、家庭娱乐、拨打电话、发送SMS/MMS简讯,控制家电等。
    数字家庭智能网关(HGW)进一步应用家庭Web/s、2.5G/3G和HomeRF等高新科技,使其更具有与互联网络完全的开放性和与移动通讯系统完全的兼容性,数字家庭智能网关通过各种高速接口将家庭安全报警、照明控制、网络家电、可视对讲、网络摄像机、家庭娱乐设施、电话、电视、计算机以及各种信息和通讯终端都连接到家庭智能网关上来,实现以HGW为核心,将家庭四大中心整合为一体,即家庭信息中心、家庭网络中心、家庭娱乐中心和家庭监控中心。
    住户只要通过一个移动式掌上触摸无线电脑或2.5/3G手机就可以实现网络信息浏览、观赏电视节目、VOD点播、发送SMS/MMS简讯、拨打IP可视电话、显示可视对讲来访者影像及遥控开锁、遥控家庭娱乐设施、调节灯光照度、控制网络家电设备、监视家庭安全状态、显示网络摄像机监控图像。特别是由于HGW具有与2.5G/3G移动通讯系统与设备无线联网的能力。通过多媒体简讯服务(MMS),将影像、语音和文字与手机、网络浏览器和HGW链接在一起,大大增强和扩展了家庭智能化功能和应用范围。数字社区物业管理也可通过家庭智能网关及IC卡身份认证,提供社区电子商务和网上付费等增值服务。通过家庭智能网关真正将传统的电话、电视和电脑的功能与网络和自动化科技应用融为一体,创造出家庭智能化的新生活。
    行业发展需要合力
    智能化与数字化技术在“智能大厦”和“数字家庭”中的应用将大大地推进我国数字化技术应用的发展进程。我国信息化建设已经将数字社区和数字家庭列为重要发展目标。数字家庭将是链接在数字城市、乃至数字地球网络上的一个节点,将使得人与人、人与信息、人与物之间的交流和交互可以是在任何时间、任何地点和任何对象。
    “数字家庭”的出现是信息网络化科技发展的必然。它也必然改变人们的生活方式,将成为人们新生活的一种模式。应用数字化、自动化、智能化技术,是将传统住宅改造为“数字家庭”重要的科技手段和发展方向。“数字家庭”的建设是一个系统工程,要实现家庭智能化的功能,仅仅靠一个网络和家庭网关是不够的,这需要宽带运营商、网络接入商、网络增值服务商、网络设备供应商、网络应用软件开发商以及政府职能部门、社区开发商、物业管理公司、家庭智能设备供应商、网络家电生产商等共同的合作与配合。

独体别墅智能家居配置方案

    迈视康智能家居简介:
    Maxicom迈视康涵盖了家庭智能化中总线控制和电力线控制两大主流技术,该系统运用的“混合模式收发器数字控制网络系统及无冲突的通讯方法”荣获国家专利。
    迈视康(Maxicom)H-Bus系列是普力特科技推出的全新智能家居产品,该产品基于先进的中介式控制总线技术设计。H-Bus总线基于五类双绞线(Cat5-UTP)传输,不但有效地增强了系统控制的可靠性、稳定性,而且还为各智能模块的内部结构设计提供更多的创意空间,模块结构外形尺寸更符合国际电工标准,令安装更为简单方便。
基本信息:
户主:孙先生  XXX独体别墅,共四层,面积368平方米,户型图如下:
客户需求:
家庭智能安防、灯光电器控制、远程控制、无线遥控、自动报警装置等。
方案推荐:
经与业主多次沟通,对业主和其家人的工作及生活习惯作了相关的了解,配合业主个人的一些需求,我们对这一豪华别墅的户型给出的智能化配置方案如下:
    1、家庭自动控制
(1)灯光控制:遥控、调光、定时控制、电话、网络远程控制等;
(2)家电控制:遥控、定时控制、电话、网络远程控制,密码锁;
(3)场景模式:一键式控制方式,任意组合灯光控制;
(4)窗帘控制:卧室、客厅的电动窗帘采用无线遥控、电话远程控制等;
    2、智能安全防范:
(1)室内窗户、主要通道门均安装红外探测器,有非法入侵立即自动报警;
(2)主卧室安装紧急按钮,出现紧急事故可以按下求助;
(3)厨房安装煤气泄漏报警装置,当发生煤气泄漏时可自动启动排风装置并切断近气阀;
方案设计:(见后页)
    五、方案总结:
⑴.灯光照明功能:智能触摸式开关模块可对38路灯光任意组合,10组灯光亮度可调,可用电话远程打入,输入密码来操作灯光的开或关;
⑵.场景控制功能:实现多场景预设(如:起夜模式、会餐模式、影院模式等);
⑶.电器控制功能:15A插座模块是1路电器电源控制,如电话远程和定时控制电饭煲等;
⑷.无线控制功能:无线接收模块与全功能遥控器组成无线控制功能,控制一些带红外功能的电器和家里的任何位置任何灯光;       
⑸.远程控制功能:电话控制模块所带的全程语音操作提示功能,能用电话远程控制家里设定控制的电器和设定的任一灯光;        
⑹.家庭安全防范功能:八防区报警模块有多组合防区报警,电话远程布防撤防,全程语音提示操作,电话报警,可设多组报警电话,如遇忙音自动一组一组住下拔,确保安全;
⑺.定时控制功能:定时模块可根据需要预先设定灯光与电器开启或是关闭的时间。
    案例提供:深圳普力特科技   袁海娥

泊声豪华公寓背景音乐方案

    概述
    这是一个130多平方米的豪华公寓,按照业主的要求,结合实际的房型情况,设计人员决定通过1台BA-A6034S系列主机,在餐厅、主卧、主卫、书房、及书房外阳台,一共5个房间安装背景音乐系统。保证整个别墅都能环绕美妙音效,并且可以随时收听到即时新闻。
各房间背景音乐说明
(见下表)
    主要功能
    1.高保真立体声音质,采用DSP数字信号处理,内置特别针对家庭背景音乐设计的音频处理软件;
    2.任一房间开启系统、切换音源、选择歌曲、调节音量,无需为打开主机而跑到客厅,也不用拿着遥控器到处跑,就像开关电灯一样简单;
    3.各房间单独调节音量,
32X32级电脑调音;
    4.内置高清晰数字调频收音模块,无需辅助的FM播放器,各房间可以通过控制面板选择电台;
    5.内置MP3模块,无需辅助的MP3播放器,支持通过电脑的USB接口下载最新音乐;
    6.各房间独立切换三种不同音源:DVD、FM和MP3,各房间可以同时播放不同音源;
    7.在房间可以自由选歌,再也不用为了跳过不喜欢的歌曲跑到客厅按遥控器了;
    8.液晶面板内置定时模块,支持定时功能。例如:早上7:00主卧背景音乐自动打开,播放电台新闻,唤醒主人,一边洗漱,一边听新闻;
    9. 具备消防强切功能。(强切信号、消防音频输入由工程商提供)。
配置清单(见下页)
    喇叭选型及注意事项
    Backaudio泊声中央智能主机内置功放阵列,不需要外接功放。喇叭选型注意事项如下。
    1.Backaudio泊声中央智能主机每个输出通道的功率是9瓦(接4欧姆喇叭),电压12V,阻抗是4~8欧姆,这就是我们喇叭选型的依据;
    2.由于每个声道的输出功率是9瓦,加上线路损耗,建议喇叭功率不低于6瓦;
    3.选用吸顶喇叭或者木质壁挂喇叭,很多吸顶喇叭有定压输入端子和定阻输入端子,我们选择定阻输入端子。对于没有定阻输入端子的定压喇叭,先把变压器去掉,然后联接backaudio泊声中央智能主机;
    4.如果选用8欧姆喇叭,每个左声道或者右声道可以并联两个喇叭,这对于我们设计来说很有意义,例如:有的主卧和书房在一块,可以共用一个通道,即左声道和右声道都接两个喇叭,一个通道可以接四个喇叭,安装在卧室和书房。
同样,面板也可以并联,在主卧床头和书房书桌旁边的墙面都安装一个面板,控制同一个通道;
    5.如果选用4欧姆喇叭,每个左声道或者右声道只能接一个喇叭,否则有可能烧毁主机功放阵列;
    6.草地音箱由于安装在室外,往往功率较大,通常在15瓦以上,能够使用,只是不能达到15瓦额定功率;
    7.为了保证立体声效果,安装喇叭的时候需要考虑人在房间的活动特点。例如,在卧室,将喇叭安装在床头两侧;在书房,将喇叭安装在书桌两侧;在餐厅,可以考虑将喇叭安装在餐桌两侧;
    8.一般情况下,喇叭之间的距离保持在层高的1.5倍左右就会有比较好的立体声效果。如果房间较大,可以考虑左声道和右声道分别接两个8欧姆的喇叭,使音质更加均匀,立体声效果更好。

智能家居控制功能及方式

    智能家居控制系统的出现使得人们可以通过手机、互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器(空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机)进行远程控制;也可以在下班途中,预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……而这一切的实现都仅仅是轻轻的点几下鼠标,或者打一个简单的电话。  
    ==遥控功能== 
    不论在家里的哪个房间,用一个遥控器便可控制家中所有的照明、窗帘、空调、音响等电器。例如,看电视时,不用因开关灯和拉窗帘而错过关键的剧情;卫生间的换气扇没关,按一下遥控器就可以了。遥控灯光时可以调亮度,遥控音响时可以调音量,遥控拉帘或卷帘时,可以调行程,遥控百页帘时可以调角度。
    ==集中控制功能==
    使用集中控制器,不必专门布线,只要将插头插在220V电源插座上,就可控制家里所有的灯光和电器,一般放在床头和客厅。可以在家里不同的房间有多个集中控制器。躺在床上,就可控制卧室的窗帘、灯光、音响及全家的电器。控制灯光时可以调亮度,控制音响时可以调音量,控制拉帘或卷帘时,可以调行程,控制百页帘时可以调角度。
    ==感应开关==
    在卫生间、壁橱装感应开关、有人灯开、无人灯灭。
    ==网络开关的网络功能== 
    一个开关可以控制整个网络,整个网络也可以控制任意一个(组)灯或电器。其控制对象可以任意设置和改变,轻松实现全开全关,场景设置,多控开关等复杂的网络操作功能。门厅的T型网络开关可设成全开全关键、及门厅灯的开关;出门时不必每个房间检查一遍,只要按一个键就可以将所有的灯和电器关闭,需要时也可按一个键打开所有的灯。
    客厅的T型网络开关可设成场景设置键,按一个键开一组灯,不必逐一打开。也可配合全宅音响、空调、窗帘等进行复杂的场景设置。T型网络开关也是可变开关,它的控制对象可以随意设置,今天是窗帘的开关,明天可以将它设为音响的开关。同时T型网络开关还是多控开关,传统开关最多只能在两处实现对同一对象的控制(双控开关),使用T型网络开关,可以在任意多处对同一对象进行控制。控制灯光时可以调亮度,控制音响时可以调音量,控制拉帘或卷帘时,可以调行程,控制百页帘时可以调角度。
    ==网络开关的本地控制功能==
    所有的灯和电器都可使用墙上的网络开关进行本地开关控制;既实现了智能化,又考虑到多数人在墙上找开关的习惯。开灯时,灯光由暗渐渐变亮,关灯时,灯光由亮渐渐变暗,避免亮度的突然变化刺激眼睛,给眼睛一个缓冲,保护人眼;避免大电流和高温的突变对灯丝的冲击,保护灯泡,延长使用寿命;无论通过遥控还是本地开关均可调光, 网络开关能够记忆设定好亮度,下次开灯时自动恢复。
    ==电话远程控制功能==
    电话应答机将家里和外界连成了网络,在任何地方,都可以使用电话远程控制家中的电器产品。例如,开启空调、关闭热水器,甚至在度假时,将家中的灯或窗帘打开和关闭,让外人觉得家中有人。电话应答机本身也是一个八位的集中控制器,放在床头柜上,只要将插头插在220V电源插座上,就可已在床上控制家里所有的灯光、电器和窗帘等等,也有调光功能。
    ==网络型空调及红外线控制==
    网络型空调控制器将空调的控制连到整个网络中来,可以使用电话来远程控制空调,也可以使用无线遥控器在楼下将楼上的空调启动和关闭,集中控制器、定时控制器、网络开关、无线感应开关等等也都可以控制空调了。
    ==网络型窗帘控制器==
    网络型窗帘控制器将窗帘的控制连到整个网络中来,控制拉帘或卷帘时,可以调行程,控制百页帘时可以调角度。不仅可以使用本地开关来控制窗帘,还可以使用电话来远程控制窗帘,也可以使用无线遥控器在楼下将楼上的窗帘打开和关闭,集中控制器、定时控制器、网络开关、无线感应开关等等也都可以控制窗帘了。
    ==可编程定时控制==
    定时控制器可以对家中的固定事件进行编程,例如,定时开关窗帘,定时开关热水器等等,电视、音响、照明、喂宠物等均可设定时控制。定时控制器本身也是一个八位的集中控制器,放在床头柜上,只要将插头插在220V电源插座上,就可已在床上控制家里所有的灯光、电器和窗帘等等,也有调光功能。同时它还有时间显示和闹表的功能。
    ==多功能遥控器==
    六和一多功能遥控器集六种遥控功能于一身,首先它是无线遥控器,可以控制家中的照明,窗帘,空调等系统。同时它也是红外遥控器,内置了许多品牌的电视,音响,VCD等红外控制指令集。还可以学习两种红外线遥控器的控制功能。放在客厅的茶几上, 看电视或听音响时, 一个遥控器就可以非常方便地遥控所有的设备。
    ==无线感应探头==
    可随意摆放,能控制任意的电器,例如大门口外,当有人来时,它可以触发自动门铃,也可以将灯开启,甚至可以开音响、热水器等。放在阳台上,可以知道是否有人从阳台非法闯入。
    ==全宅音响系统==
    全宅音响系统可将传统的音响延伸到家中的每个房间及每一个角落。在阳台浇花时可以欣赏悠扬的音乐,清早盥洗时可以听到电台的新闻, 甚至在厨房也可以听到现场转播。 系统可接驳家中现有的电视,广播,VCD, DVD及音响系统提供的声源;每个房间的音箱可以单独开关和调音量,无需考虑功率匹配;系统支持高保真立体声技术, 对音质不作任何处理。利用现有的网络化智能家居控制手段, 如:遥控器、 集中控制器、网络开关等方式对音箱进行开、关、调音量、全开全关、部分开关, 也可配合照明系统、空调系统、窗帘等进行复杂的场景设置。
    ==扩展和升级==
    为扩展和升级提供了良好的基础。可扩展和升级语音控制子系统,计算机控制子系统,智能安防子系统,智能门禁子系统,智能电器控制子系统…

电力监控系统在智能建筑和电气节能中的应用

    伴随着计算机和信息技术的快速发展及在各行业中的普遍应用,智能建筑应运而生,特别是商业和公共建筑不断提高的智能化管理和节能的要求,使建筑智能化的用途更为广泛,已经成为21世纪建筑业的发展主流。智能建筑是采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制和管理,并对用户提供信息和通信服务等的一种新型建筑。可以说智能建筑是信息时代的必然产物,是一个国家的综合国力和科技水平的具体体现之一。目前世界各国都在加大力度发展智能建筑,中国也把智能建筑的建设纳入了重要的议程。由于网络技术、视频技术、通信技术、智能配电等新技术的发展,使未来的智能建筑正朝着集约化、系统化、标准化的方向发展,智能、绿色、环保、节能成为智能建筑发展的主流方向。
    智能建筑通常具备以下几个条件:一套先进的楼宇自控系统,以营造一种温馨、回归大自然的生活环境;一套结构化布线系统,将整座大楼或整个小区的数据通信、语音通信、多媒体通信融为一体;一个现代化的通讯系统,以满足现代信息社会高效率的工作需求;一个电力监控系统,对建筑物内的高低压配电设备进行统一监视和管理的智能电力监控系统平台。
    可见,电力监控系统是智能建筑的重要组成部分。配电系统的可靠性、安全性、连续性以及提高电能使用效率、节约用电成本与使用者的生产和生活息息相关,智能的电力监控系统为此提供了强有力的保证。下面以施耐德公司的PowerLogic电力监控系统为例,概述电力监控系统的作用和功能,并以应用实例着重介绍其在智能建筑和电气节能方面的应用。
    一、电力监控系统概述
    施耐德电气公司的PowerLogic电力监控系统是基于先进的现场总线方式(FCS)来实现电力系统信息的交换与管理。PowerLogic电力监控系统借助现代的网络技术和计算机技术实时监视电力系统的运行参数(包括开关状态,故障状态和位置,电压、电流、电度等实时变化的电气参数,报警信号等)、事件记录、波形记录等数据,不断地传送至电力监控计算机(以后简称监控中心),并可以实施遥控命令,使运行管理人员可以通过监控中心全面了解电力系统的运行状况,准确、快速地判断故障位置和故障原因,简便地实现各种数据分析(包括负荷分析,电能消耗分析,电能质量)。对于一些难于判断的故障,可以通过波形记录来帮助管理者分析故障原因。
    该电力监控系统能够实现的主要功能包括系统运行实时监视、电能质量监视、远程控制和操作记录、事件报警和记录、数据采集和历史数据管理、各种报表打印、电能管理。
    二、电力监控系统在智能建筑中的应用
    通过监控,可以实现对配电室内的二次设备(安全自动装置、传统测量仪表、操作控制、信号系统等)的功能进行智能化改造,取消了常规的人工电力管理,通过计算机和通讯网络进行电力系统的测量、控制、信号采集、故障分析、负荷控制和运行管理,实现了智能建筑中的配电管理透明化,极大地提高了配电系统的安全性、可靠性和管理水平的智能化。该电力监控系统具有良好的开放性,可以方便的与智能建筑中其他相关系统和智能装置通信,如建筑设备自动化系统、通信网络系统、办公自动化系统、火灾自动报警系统等,实现自动化系统间的相互通讯和信息共享。下面通过一个系统应用实例来具体阐述。
    某大型园区中,由于面积大、建筑物多,其中包含有厂房和办公用楼。园区中有中央空调、动力电源、安防等设备,因此采用了智能化设计。其中电力系统中,共有8个10kV变电站,每个变电站有两台10kV/380V变压器,采用两进线一母联结构,每个变电站内有低压馈出线80条。为了保证园区正常工作的可靠供电和实现供电系统的现代化管理,我们采用了电力监控将全系统分为8个子工作站和1个监控中心,主通讯网采用100m TCP/IP光纤以太网,子站内的现场监控层采用Modbus总线通讯。通过电力监控系统实现对建筑物配电系统的全面管理,并通过与楼宇自控系统的通讯,将电力监控纳入到整个智能建筑的综合管理中。这样不但极大地提高了智能建筑的管理效率与安全性、减少了故障损失,同时也降低了园区管理运营成本,大大提高了园区管理的智能化水平。
   
    三、电力监控系统带来的电气节能
    所有智能建筑所共有的唯一特性是其结构设计可以适于便利、降低成本的变化。经过十几年的发展,智能建筑已经处于更高智能的发展阶段,发达国家已经进入“绿色建筑”的新境界。通过对建筑物智能功能的配备,强调高效率、低能耗、低污染,达到节约能源、保护环境的可持续发展目标。
    在当前的国内,对于用户来说,设备运行消耗是商业运作的主要支出之一。在今天的竞争环境中,合理控制这些费用并不断设法提高效率、削减支出,是每个用户的目标。为了有效控制这些费用,首先应该对其进行监测,这就是Powerlogic电力监控系统的主要功能之一。它可以提高管理效率和系统供电的可靠性,提供减少电能花费、降低成本设备投资和设备运行潜在消耗所需的信息。
    PowerLogic电力监控系统的电气节能体现在:通过对电力参数历史数据的分析,建立系统和设备的电能消耗模式,在实时监视过程中及时发现电能消耗异常现象,采取有效措施进行设备改造或补偿,以避免电能损耗,如设备故障和谐波引起的电能消耗。优化配电系统运行模式,减少不必要的电能花费,如对定时用电设备进行集中控制公共照明。对配电系统内部的各用电单位进行电能分配、计量和监控,以避免电能浪费现象,提高管理效率、降低运营成本。
    四、电力监控系统的客户价值
    冰山,通常我们看到的是漂浮在水面上的小山峰,而实际上那只是冰山的一角,还有巨大的体积都在水面以下。大多数的费用节余也可以用同样的方式来考虑。关于快速的投资回报方面,如果把帐单看成整座冰山,将很容易理解PowerLogic电力监控系统的价值。让我们来看看投资PowerLogic系统将给您带来的巨大回报。
    使用PowerLogic电力监控系统,将使用户有效管理现有资源和用电负荷,减少设备运行和电能消耗的支出。对于全部潜在费用节余而言,那仅仅是“冰山一角”;通过数据分析,使用户合理有效地利用设备,减少不必要的设备添置,避免了资源浪费,可以节约大量资金;及时发现潜在故障,减少设备维护费用,延长设备使用寿命;提高运行管理效率,减少运行维护人员工作量和提高供电可靠性,缩短停电时间,减少火灾、人员伤亡等严重事故的发生,节约大量事故费用。
    电力监控系统的电气节能实例的案例一:波音公司在美国的飞机制造厂仅照明的电能花费就达350万$/a,是其全部电能费用的30%。利用该配电监控系统得到的监测数据为波音提供了配电控制方案。实施该方案的结果是减少了20%的峰值电价费用,周末时可以达到50%。
案例二:最近DELL公司的一台重要设备内部发生了非常严重的暂态故障,但很快它又恢复了正常。如果没有监控系统,这个故障根本无法被察觉,然而这是一个很可怕的潜在威胁。由于安装该系统时发现了这个故障并捕捉记录了暂态故障波形,这个信息为DELL公司节省了25,000$的设备修理费。
    综上所述,施耐德公司的PowerLogic电力监控系统全面实现了配电系统的智能监控,帮助用户提高用电管理水平,降低了设备运营成本,达到智能、高效、节能的目的。
    文/施耐德电气(中国)投资有限公司 连文奇 

解析消费总线技术

    智能家庭要求家用电器经网络(总线)实现互联,总线协议是其精髓所在。目前,国际上占主导地位的家庭网络标准有美国的X10、消费总线(CEBus)、日本的家庭总线HomeBust和欧洲的安装总线(EIB)。
    1. CEBUS简介
    CEBus是专门为家用电子产品通讯而制定的协议标准,又称作EIA-600协议。美国电子工业协会(Electronics Industry Association,EIA)联合其他厂商于1989年制定出一套家庭自动化控制规格的初步草案并在1992年发布,命名为CEBus(Consumer Electronic Bus),目标是建立一个针对家用电子产品的开放性协议;开发一套通用的、廉价的、与制造厂家无关的通讯方法;允许用户以很小的代价实现在系统中加入新的家电产品;减少家用电子产品设备功能的冗余。1997年,CEBus的EIA-600正式成为美国ANSI标准。 
    参与研究开发CEBus的公司多达几百个,像Microsoft,IBM,Compaq Computer Corp,AT &T,Bell Labs,Honeywell,Panasonic,Sony,Thomson Consumer Electronics,Leviton,Pacific Gas & Electric等都是它的会员。 
    CEBus是一个较完整的开放系统,它定义了在几乎所有传送媒体(如电力线、双绞线、同轴电缆线、光纤、红外线和无线电)中信号的传输标准,并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度(lOKbps)传送,从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题,任何符合CEBus标准的电器产品都可以直接互联及通信,其寻址能力超过40亿,足以与互联网相媲美。美国电子工业协会拥有CEBus的商标,但在CEBus步出实验室走向市场时,改由一个名为CIC(CEBus Industry Council)的非盈利机构来主导,目前CIC对于厂商使用CEBus商标并无任何限  制。
    消费总线网络拓扑结构灵活,可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中的每个节点的地位是平等的,不需要主控设备。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突解决(Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection and Resolution,CS MAICDCR)。网络中各节点的控制关系通过绑定来实现,从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整体。
    2. CEBus技术
    1)模型 
    CEBus采用了简化的OSI模型,它分为物理层、数据链路层、网络层和应用层四层。除此以外,CEBus还包括层系统管理部件。其系统模型如下图所示。 
    下图的节点模型中,整个物理层的功能已经芯片化,某些芯片还包括了数据链路层的功能。数据链路层中的介质访问控制子层提供带或不带应答的无连接数据传输服务,有时还承担查错任务,同时还要生成数据分组的控制域以表明数据分组的类型、优先级、服务级别和序列号。数据链路层中的逻辑链路控制子层是个空壳,只转发命令,无实质性的工作。网络层具有路由、路桥功能,负责确定网址、流量控制、数据分段以及丢弃传输介质收到的重复数据分组等。应用层可以通过原语向网络层指明优先级、是否需要应答、是否使用流量控制、传输介质类型以及选择路桥和路桥的网址。层系统管理是一个CEBus部件而不是一个层,它可以与网络节点中的所有协议层进行通讯。层系统管理负责层的复位、层参数的初始化以及接收和发布层故障信息。层系统管理也能访问各层的参数,如介质访问控制子层中的统计计数器。
图:CEBus节点模型
    2)CAL简介
    CEBus在应用层定义了一种面向对象的、严格的设备描述语言CAL(Common Application Language EIA721),简称公共应用语言[1],其内容涵盖了家庭中可能拥有的家电。公共应用语言采用了面向对象的方法,把任意一个家电设备按照功能分解成几个预定义的对象模型。在面向对象的编程语言中,一个对象由数据和操作这些数据的函数组成。在消费总线中,这些对象也由数据(称为实例变量)和操作(称为方法)组成,不同的设备可以采用相同的对象、用相同的方法操作,但是控制结果随设备的不同而有不同的意义。
    CAL用一种层次关系描述设备的功能,如下图所示。一个设备可以分成几个上下文,它们代表了这个设备按照功能划分的子系统。上下文又被分为几个对象,每个对象代表了上下文中的一种控制功能。对象分为若干类,每一类代表一种共有的功能。CAL预定义了27个对象模型。例如,类号为07的对象是模拟控制对象(Analog Control Object),它可以用来代表音量控制、温度调节或调光器。一个对象的具体功能完全由他所属的上下文决定。它们包含一定数量的实例变量,每个对象都能够解释执行方法,更新实例变量并完成实际操作。
图:CAL的层次关系
    3. CEBUS的层系统
    1)CEBUS的物理层通讯
    消费总线使用五种类型的介质(电力线、无线、红外、双绞线和同轴电缆),其中以电力线的应用最为广泛。鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性,CEBus在以电力线作为物理层的传输介质时采用扩频载波(spectrum spread carrier)通讯来实现控制流。扩频通讯的理论基础是信息论中的香农理论。香农关于噪声信道的主要结论是:任何带宽为WHz、信噪比为S/N的信道,其最大传输速率C为:
C=W×log2(1+S/N),式中C-最大传输速率,N-噪声功率,W-带宽,S-信号功率。
    这一公式表明,相对于在信道中所存在的信噪比而言,一条信道差错传递信息的能力与传输信息所用的带宽之间所具有的关系。由此可得,为了获得同样的信道容量(用信息速率表示),信号带宽与共信噪比的对数成反比,即信号带宽越宽,则所要求的信号信噪比就越低,甚至信号淹没在噪声之中也能实现可靠通信。
    CEBus在电力线上有四种编码,分别是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。它们都是扩频扫描范围为100-400kHz的线性扫频chirp信号:从203kHz经过19个周期线性变为400kHz,再在1个周期内变为100kHz,然后在5个周期中变为203kHz,整个时间长度为100μs,也就是1个UST。其波形图如下:
图:CEBus的线性扫频chirp信号
    这种chirps波形具有很强的自相关特性和自同步性。这种逢相关性决定了所有连接在网络上的设备都可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形。
    CEBus物理层的数据帧由帧头、数据体和CRC校验和组成。帧头与数据体内编码有所不同,编码方式如表1所示。
表1:CEBus的物理层编码长度
    帧头用来解决多机共享信道时的竞争问题。没有扫频信号的状态称为劣态(Inferior State),有扫频信号的状态称为优态(Superior)。如果一个节点发送了劣态(实际上什么也没有发送),而它同时却收到了优态,那么就检测到了竞争。这个过程发生在帧头中,所以不会造成数据的丢失。通过这种类似与逻辑中的“线或”方法,对解决通讯信道的竞争有着重要的意义。优态还有两种相反的相位,分别记做φ1和2。为了便于检测,在帧头中,每一个UST是114μs,但是扫描的时间并不变。所有的优态都采用φ1,在帧头中采用振幅移位键技术,优态和劣态交替出现,其中优态仅仅使用第一种相位。优态和劣态统称为某一种状态,某一状态的持续时间就代表了码元,无论是优态或者是劣态都可以代表0或者1。帧头的波形如下图所示,它的编码是1101。
    ■  浙江大学系统工程研究所[Page]
图:帧头的波形图
    在数据体中采用反相键控技术,没有劣态,而是两个相位交替出来,类似于四种码元通过某一个状态持续出现的次数来代表。数据体的波形如下图所示,它的输出是1101。
    2)CEBus的数据链路层
数据链路层的功能是使有噪音和干扰的数据通道看起来成为一个无差错后数据通道。
    CEBus的介质多重访问采用CSMA/CDCR机制,从而使得各节点可以高效地使用通讯信道。CEBus数据包(packet)有三种优先级:高、普通、低,可满足不同的控制信息对时间的要求。数据链路层中每帧最短11字节,最长41字节。最长的发送时间大约是55ms,典型的控制命令只要10ms就可以完成。
    CEBus的数据链路层只提供面向无连接的服务,根据数据帧中是否含源节点地址和是否要求响应分为四种类型服务。这四种类型的服务根据通讯的可靠性依次为:
(1)无地址无响应(UNADD_UNACK);
(2)带地址无响应(ADD_UNACK);
(3)无地址要求响应(UNADD_ACK);
(4)带地址要求响应(ADD_ACK)。
    其中常用到的类型是带地址要求响应型;无响应的服务主要用于广播,并且在数据链路层采用多次重发的机制,可以提高无响应服务的可靠性。
研究表明,在家电控制这种轻负载的网络条件下,CEBus的通讯效率是很高的。
    4. 结束语
    个人计算机正在成为家庭中工作、通信、教育和娱乐的强大平台。与此同时,几乎在一夜间,Internet逐渐成为信息交流的基本方式之一。正如把户外的信息和宽带娱乐资源(如Internet和有线电视)高速接入的需要不断增加一样,在家庭里,把家电设备进行数字化连接的需求也在迅速增长。当然可以通过局域网来实现家庭内部的连接,然而在家中布置一个局域网成本太高,布线也比较复杂。于是,人们设计出利用现有的电话线或者电力线来完成简单、高速和廉价的家庭网络。家庭网络的兴起和推广应用将会带来一场家电市场的革命。    
CEBus以其简便的协议、日臻完善的技术正日益成为消费电子设备互操作的企业标准,CEBus通讯的低层功能已实现了芯片化,所以接入设备比较便宜。 
    目前,市场上此类芯片有LM1893、ST7536、SSC-P485、CEWay-Ⅲ等。随着载波通讯技术的进一步成熟,CEBus将在仪器仪表、家庭自动化、智能楼宇建设、智能小区建设以及工业厂区建设中得到更为广泛的应用。