现代建筑无线智能控制系统设计

王晓娟

（江苏安全技术职业学院，江苏 徐州 221011）

0 引 言

现代建筑是新时代背景下的产物，发展水平受到科学发展的影响。其设计和建设主要是将先进的科学技术融入建筑结构中，使每一个建筑物都能够形成一个完整的体系，以此改善人类日常生活和工作环境[1]。智能控制系统是现代建筑结构的核心组成，从长时间的革新来看，智能控制系统的发展可划分为独立集成阶段、楼宇自控集成阶段以及中央控制集成阶段。在各个阶段，智能控制系统都在不同方面得到了全面优化[2]。但目前最新的智能控制系统在现代建筑的应用中仍然存在各个控制子系统集成度不够、功能不齐全、互联性差以及执行度低等问题，使得现代建筑市场缺乏完善的管理体系，严重阻碍了现代建筑的智能发展[3]。基于此，本文开展现代建筑无线智能控制系统设计研究。

1 系统硬件设计

1.1 控制器选型

针对现代建筑结构的需要，选择两台基于PLC的控制器应用于同一座建筑物，其中一台主要用于采集控制信号，利用数据通信的方式传输控制信号、各电气设备运行状态信号以及调配信息等，并将相应的控制信号传递到另一台基于PLC的控制器当中。另一台基于PLC的控制器在接收到相应的控制信号后完成对信号的智能识别，控制现代建筑各个电气设备及电梯的运行，并将相应的控制信息发送到控制中心[4,5]。图1为现代建筑无线智能控制系统中控制器的连接方式示意图。

图1 无线智能控制系统中控制器的连接示意图

基于上述对控制器的设计要求，选用西门子ISH8869-95U25型号的两台控制器，每一台均能够满足现代建筑中电梯和电气设备等设施的自动化控制需要，不需要额外引入分层器，降低系统的研发成本。ISH8869-95U25型号控制器外结构尺寸为125 mm×95 mm×30 mm，安装孔径为65 mm，运行过程中可承受-35～+85 ℃的温度条件，在运行环境相对湿度达到25%～85%时都不会出现结露问题，工作电流为550 mA，输出电压为DC 36 V[6]。同时，在对现代建筑结构当中的电梯进行控制时，若单个建筑结构含有双电梯，则召唤控制时可通过ISH8869-95U25型号控制器进行自动识别，当其中一台电梯到达相应的楼层时，另一台电梯则停靠在最近的平层，不会造成电梯悬浮在两个楼层之间的问题，以此提高现代建筑结构中各类电气设备和电梯运行的安全性。

1.2 控制总线设计

针对本文现代建筑无线智能控制系统运行需要，选择Kvaser6820型号局域网控制总线作为本文系统的总线硬件结构，在运行过程中对各类电气设备和电梯实施检测和控制，从而解决电气设备和电梯之间的控制信号传输问题，以此减少电气设备和电梯之间存在大量连接电线的问题[7]。将Kvaser6820型号局域网控制总线连接在现代建筑的外围器当中，通过控制系统的基础模块实现对现代建筑中各个电气设备和电梯的控制。同时，Kvaser6820型号局域网控制总线的保护级别为IP15，具有高温和反向极性等功能，总线当中还包含一个电源LED灯显示设备，其主要作用是显示各类控制状态。

在安装Kvaser6820型号局域网控制总线的过程中，还需要安装相应的导轨[8]。本文选用DIN8545-650型号导轨，不需要外界工具辅助安装，成本更加低廉，同时该型号导轨可以将数据传输的最远距离为18.5 km，传输速度可达到2.5 Mb/s，充分满足各类高层及超高层现代建筑的设计需要。

2 系统软件设计

2.1 控制信号无线智能传输

本文在设计全新的控制系统时，主要将控制信号输送到现代建筑控制主站中，并通过无线方式实现控制信号在系统当中的可视化展现。设置电气设备和电梯的控制信号均满足S-Ans通信协议，根据现代建筑的日常功能需要，设置如表1所示的控制信号与对应功能表。

表1 控制信号与对应功能表

本文控制系统在对现代建筑中的各类电气设备和电梯进行控制时，根据需要将相应的操作信号在系统内部转换为控制信号，并结合ISH8869-95U25型号控制器对其进行自动采集。

系统软件部分底层（包括MAC层和物理层）采用IEEE802.15.4协议，调制方式为OQPSK，速率为250 kb/s。IPv6微型协议栈包括UDP、TCP、ICMPv6等基本协议以及在节点之间建立和维护多跳路由的MSRP路由协议。由于IEEE802.15.4支持的数据包长度最大为127 B，因此在MAC层和IPv6微型协议栈之间引入了一个适配层，当接入对象网络协议支持的最大数据包长度超过127 B时，需要对数据包做分片处理。另外协议栈里面包含两个独立的缓冲区，一个是发送队列，一个是接收队列，分别用于数据的发送和接收。此外，在实际应用中常常会由于人为操作错误而产生错误的控制信号，为了有效避免出现错误控制的问题，需要扫描控制器发出的控制信号，根据扫描的顺序过滤可能存在错误的控制信号，并将正确的控制信号存储在本文系统的存储模块当中，再通过相应的推算得出控制所有电气设备和电梯的控制信号，从而实现对现代建筑的运行控制[9]。

2.2 无线控制指令发送顺序

在得出控制信号与对应功能后，计算控制指令的发送顺序为：

式中，Em表示第m种电气设备或电梯的运行模式下第n部设备的综合控制指数；CEm表示n部设备的综合输入特征量；Wn表示控制系统的顺序评价指标；Cm1，Cm2表示某一部设备的综合输入特征量；Wn1，Wn2表示系统某一部设备的顺序评价指标。根据上述公式计算在多台设备同时运行过程中控制系统应当给出的控制信号顺序，以此实现对多台设备的有序控制，具体流程如图2所示。

图2 流程图

当现代建筑中的某一设备发生故障时，利用本文控制系统的控制器采集异常控制信号，并将其统一格式后传输到控制系统的上位机中进行报警显示，从而帮助现代建筑管理人员在第一时间对出现故障的设备进行维修和维护[10]。

3 对比实验

为进一步验证本文提出的现代建筑无线智能控制系统在实际应用中的效果，将现代建筑结构中的电梯作为控制对象，分别利用本文提出的控制方法和传统控制方法控制电梯的运行。选择两座5层双电梯建筑作为实验环境，其中一座利用本文提出的无线智能控制系统作为控制核心，另一座利用当前控制系统作为控制核心。该现代建筑结构中的电梯平均每一层楼经过时间为0.85 s，电梯的额定载荷为1 200 kg，约15人，随机选择50名志愿者乘坐，分别记录两座现代建筑在电梯运行过程中的相关数据，并绘制如表2所示实验结果对比表。

表2 两种控制系统实验结果对比表

表2中，两种控制系统下的电梯运行时间包含了乘客等待电梯的时间。从表中的数据可以看出，智能控制系统下电梯的运行时间更短，传统控制系统下电梯的运行时间更长。电梯的运行时间越短则表示该控制系统的控制策略更有效，控制效率越高，反之电梯的运行时间越长表示该控制系统的控制策略无法满足电梯快速运行的需要，控制效率低。通过对比实验能够进一步证明本文提出的现代建筑无线智能控制系统在实际应用中能够有效提高建筑结构中各个电气设备和电梯的运行效率与运行质量。

4 结 论

本文通过研究现代建筑无线智能控制系统设计，提出了一种全新的控制系统，并通过实验进一步证明了该系统的实际运行性能，同时将该控制系统应用到现代建筑当中，能够实现对各个电气设备或电梯的无线控制，满足现代建筑的智能化建设需要。与传统控制系统相比，该系统安装时减少了很多不必要的硬件结构，可以在降低现代建筑建设成本的同时提高建设的环保性，实现现代建筑的健康绿色发展。