楼宇信息系统的应用与发展

    楼宇信息系统简称BIS系统(Building Information System)是指安装在住宅小区、单元楼、写字楼等建筑或建筑群,用图像和语音来识别来访客人,用各种前端传感器采集,控制数据和安防信息,进行各种智能控制,控制门锁及遇到紧急情况向管理中心发送求助信号和各种自动控制信息,管理中心亦可以与住户进行语音、数据指令或文字信息沟通的由统一总线平台或同一网络平台联接而成的设备集成。以可视对讲系统为基础平台,包含了安防报警系统、监控制录像系统、家电、灯光控制等家居自动化系统、家庭信息系统、家庭娱乐系统、物业管理信息系统(见图1)。由各种门口主机、住户终端机、中间传输切换器及管理中心等设备种类组成。
    楼宇信息系统因其产品发展的历史原因和产品技术的特点,已涵盖了可视对讲、单纯对讲、住宅报警、IC卡门禁、短信息发布、家电控制、视频监控和周界联动、安防信息管理等用途或领域,并且楼宇信息系统目前仍处于产品整合和技术高速发展的阶段。
楼宇信息系统与单元防盗门、住户防盗门、物业管理处结合起来为住户、访客的出入提供了便捷、安全、文明、舒适、智能的生活方式,同时为物业管理处提供了集中、快捷、有效的管理和控制平台,提高了信息管理的效率,降低了不良事件或案件的发生率。


楼宇信息系统定义及子系统相互关系

一、 楼宇信息系统的现状与应用
    楼宇信息系统是由楼宇对讲及楼宇控制发展而来,单纯对讲系统发展较早,在70年代末已在我国局部地区应用。独户型可视对讲、单元楼可视对讲系统在80年代后期进入中国大陆。1993年深圳视得安公司研制出国内第一套黑白可视对讲产品,标志着可视对讲系统的国产化拉开了序幕。随后在广东、福建等地先后也出现了一些厂家开始生产对讲系统产品。
    经过十年的发展,对讲系统类型有独户型、别墅型、低层系统、多层系统、高层系统、对讲系统、可视对讲系统,对讲可视混装系统、多功能可视对讲系统,彩色可视对讲系统、联网系统、大型联网系统等。由于中国大陆住宅产业和物业管理的高速发展,极大的推动了楼宇信息系统的研发,无论是产品还是技术都得到了快速提升。由于国内厂家紧跟国内市场的需求特点,不断推陈出新,已将可视对讲系统发展为集安防、家居智能、多媒体信息网络为一体的楼宇信息系统。将原本相对于国外厂家起步较晚的产品,短短十年间挤走了历史悠久的国外产品或迫使国外产品反过来研究中国市场,学习中国产品。
1、 产品现状与应用:
    门口机的种类有围墙门机、单元门机、住户门机,有可视、非可视之分,可视有彩色CCD、黑白CCD之分,从户数容量来说有直呼式、编码式之分。现在中高档的产品一般有LCD中文操作菜单提示,大容量密码开锁功能,IC卡门禁开锁及管理功能,产品的操作更趋向于人性化、智能化。
室内终端机的种类有可视、非可视之分,可视有黑白CRT显示和彩色LCD显示之分,有普通可视对讲和多功能报警可视对讲之分。此外一般还集成了紧急报警、信息提取功能。高档产品还采用触摸屏菜单操作、家电控制、图像存储以及个性化的和弦铃声选择等,个别产品甚至还集成了自动抄表模块和家庭信息模块,产品已明显趋向于家庭智能终端的角色,不再是传统的可视对讲产品。
管理机一般具有监视单元门,呼叫住户,接受室内机呼叫或警情,布撤防信息。与电脑联接后能进行信息发布、各种通信和报警的分析统计,在使用上一般采用电子地图直观显示各种住宅布局信息。有些软件可以做到监控录像、系统诊断、远程通信、远程控制等,并且可以作为一个信息共享平台集成抄表、CCTV监控、周界防范、物业报修、家庭多媒体信息、家庭娱乐等其它子系统。
2、技术现状:
    楼宇信息系统所涉及的电子技术面较广,从传统的摸拟技术到先进的数字技术;从普通的电平控制到现代的CPU控制、电脑控制及网络通讯技术均有应用。
    门口主机主要采用的技术有:CCD摄像技术、红外线补光摄像技术,音频处理及传输技术,CPU控制、通讯技术,文字编译及显示技术等。
室内终端分机主要采用的技术有:音频处理及传输技术,视频显示技术、CPU控制编解码及通讯技术、图象处理及存储技术、触摸屏控制技术、文字视频叠加技术、无线接收技术、TFT-LCD显示技术。
    传输器材主要采用的技术有:CPU控制编解码及通讯技术、自定义编码技术、RS485通讯技术、在大型联网中已有深圳视得安公司率先推出的音视频数字压缩解压技术和TCP/IP宽带通讯技术、光纤通讯传输技术。随着物业管理要求的发展和小区建设的规模化发展,在大型小区联网中模拟音视频传输技术和RS485通讯技术将很快由数字音视频光纤传输技术和TCP/IP通讯技术所取代。
前端聚集设备主要采用的技术有:红外传感器技术、烟雾感应器技术、瓦斯传器技术、温度、位移、压力、流量、湿度等传感器技术。

二、楼宇信息系统的发展
    楼宇信息系统一方受人们追求安全、便捷、舒适、智能的住宅建设的需求所推动;另一方面受数字宽带网络通讯这一主流技术的带动,楼宇信息系统无论是在产品设计还是在技术应用上均处于高速发展过程中。
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(一)技术发展趋势
1. 数字化:
    系统在传输过程中,音视频信号和各种传感器采集的信号由模拟技术向数字技术发展。数字技术的芯片价格下降。音视频数字化后的压缩、解压由软件解压逐步向硬件解压过渡。MFEG4为压缩、解压主流格式。


楼宇信息系统设备及网络示意图

2. 网络化:
    随着数字音视频的应用,IP网络成为系统联网的主要方式,并由局域网向INTERNET发展,实现远程信息调用,远程控制和远程维护。目前为模拟网络与数字网络并存的局面。
3. 集成化:
    由于数字技术标准的全球化、跨行业化,得以在系统传输中与其它安防系统融合集成在同一信息平台进行传输。由最初的电脑管理端集成向传输集成发展,并最终实现用户终端集成。
4. 智能化:
    在数字技术的应用层面实现自动数据处理,信息共享,系统联动,自动诊断。

(二)产品发展趋势
1. 中间传输设备减少:
    由于数字技术的应用,TCP/IP协议逐步取代RS485、CAN、脉冲编解码等控制信号的传输格式。中间传输的转换设备和中继设备消失。
2. 终端设备技术含量提升:
A、终端设备在系统传输数字化后出现终端设备的数字化,模拟器件使用量减少,数字IC使用量增加,体积变小、变薄。
B、终端设备集成度提高:由1-2种子系统功能发展到家庭智能控制终端。将家庭安防功能与家居智能,家居信息化直接融合。 
C、多种人性化操作界面:由于许多实用的子系统功能增加,使操作变得复杂。则中文菜单,触摸屏,手写输入,语音提示等用户操作技术逐步推广。
D、黑白图像显示成低档产品,彩色图像显示成中高档产品的基本配置。并由4寸屏向较大屏幕发展目前以5寸5.6寸为主流,智能终端产品向7寸8寸及更大屏幕发展。
E、将出现移动终端,由于系统IP网络的传输技术应用,系统在管理中心,用户终端与INTERNET接入,将出现与手机、PDA、手提电脑等设备的信息共享。
3.产品外观由介于民用与工业设备之间的角色,逐步过渡到家居装饰,个性化角色。而传输设备则过渡到工业控制领域的标准设备角色。
    随着电子、通信领域的技术发展,适合中国住宅小区建设和管理需求的楼宇信息系统已经在可视对讲基础上,融合信息家电、智能控制、计算机网络等技术走出了一条中国特色的产业之路,其技术与产品已走到世界同类产品的前列。在各地信息化建设的推动下,楼宇信息系统也必将得到更加快速的发展,为建设和谐社会创造有利条件。

文章来源:深圳市视得安罗格朗电子股份有限公司

基于ZigBee技术的无线抄表系统设计

引言
    与采用有线网络通信的楼控产品相比,无线解决方案的优势在于安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置的可移动性。ZigBee技术产品以其低功耗、低成本以及优秀的组网能力,被广泛认为将在未来几年中对楼宇自动化和工业产生重大的影响。本文研究的远程抄表系统就基于ZigBee技术实现了无线自动抄表功能。
  
系统硬件结构
    无线抄表系统是由多个ZigBee节点所构成的网络。ZigBee技术支持3种网络拓扑结构,即星形(Star)、网状(Mesh)和树形分簇(Cluster Tree)。星型结构由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成。协调器是一种特殊的全功能设备(Full Function Device,FFD)。FFD是具有转发与路由能力的节点。终端设备可以是FFD或简化功能设备(Reduced Function Device,RFD)。RFD 是最小且最简单的ZigBee 节点,只发送与接收信号,并不起转发器、路由器的作用。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后由协调器依次将数据转发到目标终端设备。

    本文设计的ZigBee节点是星型结构中最简单的双节点网络,即由一个协调器节点和一个RFD节点组成。其中,ZigBee每个节点的硬件均由两部分构成:电能测量与处理部分和无线接收/发送部分。而硬件具体实现的功能则由烧写入单片机的程序来决定。无线抄表系统的硬件结构如图1所示。
电能测量与处理模块的工作原理
    电能数据采集模块的核心是美国ADI公司的一款高精度单相有功电能计量芯片ADE7753。该芯片集成了数字积分、参考电压源和温度传感器。它提供了一个和有功能量成比例的脉冲输出(CF)和数字系统校准误差电路(通道偏置校准、相位校准及能量校准)。该芯片适用于单相电路中有功功率、无功功率和视在功率的测量。
ADE7753有电流和电压两个通道,共两路模拟量输入,分别是电流通道V1P、V1N和电压通道V2P、V2N。电压信号经可编程放大器(PGA)放大和模数转换器进行A/D转换变为数字信号,然后,电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并数字积分后,与经相位校正后的电压信号相乘,产生瞬时功率;此信号经低通滤波LPF2产生瞬时有功功率信号。利用功率偏差校准寄存器的值对有功功率进行校准,放入采样波形数据寄存器中,然后对采样波形数据寄存器的值进行累加,将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器中,经DOUT引脚输出。

    电流和电压采集电路把交流电变为可供ADE7753输入的电压。在电流通道中,通过di/dt微分电流传感器实现电流/电压变换。di/dt微分电流传感器基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由环绕一根长直导线排列、匝数为N的矩形空芯线圈组成。

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无线收发模块的工作原理
    无线收发模块主要由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。本设计采用16MHz无源晶振,其负载电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗,使其输入/输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420通过4线SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器。
从天线接收到的射频信号首先经过低噪声放大器和正交下变频到2MHz的中频信号,此混合I/Q信号经过滤波、放大,再通过ADC转变成数字信号。后经自动增益控制、数字解调和解扩,最终恢复出传输的正确数据。发射机部分采用直接上变频。待发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DAC。然后,经过低通滤波和上变频的混频后被调制到2.4GHz,并经放大后送到天线发射出去。

系统软件设计
Microchip的ZigBee协议栈

    完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。本硬件设计选择的是Microchip公司的PIC18系列单片机,因此在软件设计中应用了Microchip公司提供的ZigBee协议栈。它随着ZigBee无线协议规范的发展而不断更新。该协议栈有如下特点:使用支持2.4 GHz 频带的Chipcon CC2420 RF 收发器;支持简化功能设备和协调器;在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储;支持非时隙的星型网络;可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植;支持Microchip MPLAB C18和Hi-TechPICC-18C编译器;易于添加或删除特定模块的模块化设计。

RFD节点软件设计流程
    这里以RFD节点为例,阐述RFD节点加入由协调器节点组建的网络的设计思想及程序流程。图2是RFD节点主应用程序设计的流程框图。其主要功能是实现硬件的初始化,并根据用户指令进入配置模式来完成绑定操作。绑定的目的是让RFD的地址信息出现在协调器的绑定表中,从而使RFD节点与协调器关联起来。对于第一次完成烧写程序的节点,必须接入计算机终端,按照流程进行配置和绑定操作;对于已经完成绑定操作的节点,在进行下一次操作时,可以无需计算机而进行脱机操作。 

    一个RFD节点从自身配置、绑定完成到加入由协调器组建的网络,然后进入正常工作模式,要经历不同的状态。根据ZigBee协议栈的要求,在主应用程序中定义了6种工作状态。初始化状态(SM_APP_INIT),即节点进行任何操作前的最初状态;配置状态(SM_APP_CONFIG_START),即让节点进入配置模式的状态,主要通过调用配置函数引导用户完成配置操作;正常启动状态(SM_APP_NORMAL_START),当已经配置过的节点再次使用时,无须再次进行节点配置,则直接进入正常启动状态,并尝试加入一个由协调器节点组建的网络;正常启动等待状态(SM_APP_NORMAL_START_WAIT),RFD节点在尝试加入网络的过程中,要经过新网络初始化、网络初始化是否完成、网络初始化是否成功等问答和回应过程;正常工作状态(SM_APP_NORMAL_RUN)下,节点能够最终进入正常工作状态才能完成节点的绑定操作;休眠状态(SM_APP_SLEEP)下,ZigBee节点节能的关键就是能够实现在休眠状态和正常工作状态间的切换,当工作任务完成后能够自动进入休眠状态,而当受到触发后能够自动进入正常工作状态。

结语 
    基于ZigBee技术的无线抄表系统不仅能节约人力成本,还可提高抄表的准确性、实时性,使管理部门能及时准确地获得数据信息。
     
参考文献:
1 白剑波等. ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考[J].智能建筑与城市信息,2006(1):102-104
2 刘和平等.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005