基于光接入网络遥测的楼宇智能管理系统研究

陈 宏

(浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州 310027)

0 引言

随着智能化产业的蓬勃发展,智能楼宇已经成为现代化建筑发展趋势,智能楼宇采用计算机技术、信息处理技术和通信技术进行日常维护和运行,具有安全、便利、高效、节能、节省运行费用、节省维护管理工作量的特点,备受消费者的青睐。智能楼宇的管理范围有电气设备、消防系统、通信网络、综合布线、安全防范、物业设备等方面,提供门禁、安防、视频监控、电视、火灾报警、有线电视等方面的智能服务。但是目前的智能管理系统功能不能完全覆盖物业管理的功能需求,有的仅是安全保卫系统,有的仅是通信系统,还有的仅是消防系统,无法为全面系统管理提供足够的信息。全面信息处理的智能楼宇的智能项目种类繁多,想要进行全面信息的实时采集和集中管理,就需要设计综合性任务分类的智能管理系统。由于遥测技术能够实时远程获得物理网络设备和虚拟网络设备的准确信息[1],遥测技术使用传感技术、通信技术和数据处理技术的新型技术,对距离遥远、环境恶劣或高速运行状态的参数进行实时测量,特别是在飞行器测试[2]、运载火箭[3]、再入遥测[4]、无人机测控[5]、耐高冲击测试[6]、遥测收发[7]、小型遥测发射[8]、弹载遥测[9]等将数据传输到接收设备的场合,都已经广泛使用。遥测技术属于一种远程数据采集技术,是网络感知的基础技术之一。因此本文设计的智能管理系统采用光接入网络的遥测技术,通过采集网络信息,传输基带信号,设计楼宇智能管理系统,对楼宇进行实时测量和智能管理,获得良好的测试结果,对于智慧生活具有重要的实践意义。

1 楼宇智能管理系统

楼宇智能管理能够提供安全、高效、节能的服务,客户提出越来越多的需求。本文设计的楼宇智能管理系统主要包括3个类别,第一为楼宇的公共设施、楼道灯、电梯、公共卫生、设备节能提供智能监测和管理;第二为客户的水、电、煤气、通信网络、有线电视等日常生活保障提供智能服务;第三提供视频对讲、门禁、环境安全、紧急突发情况、人身财产保卫的智能监测服务。楼宇智能管理系统的总体方案架构如图1所示。

图1 智能管理系统方案架构

图1中的智能管理系统按照3个类别建立各自的遥测端,遥测端的信号通过传感器采集,经过信号编码后,从光接入网传输给智能管理数据中心,数据中心启动任务处理,处理后的信息反馈给智能管理数据中心。根据智能管理系统的需求,在智能管理系统网络中连接或者断开某个传感电路,就可以根据客户需求增加或者减少采集的信息。

智能管理系统的工作流程按照3个类别进行,设备节能的智能管理主要进行数据采集、数据分析、异常数据的设备检查;日常供应的智能管理主要进行数据采集、数据分析、异常供应的解决;安全保卫智能管理主要进行日常信号巡逻、报警问题处理,如图2所示。

图2 智能管理系统的工作流程

2 楼宇智能管理系统的设计

智能管理系统需要进行遥测网络设计、采集端设计、信号传输设计3个部分的设计之后,才能建立智能管理系统。

2.1 网络遥测的设计

网络遥测技术可视为“软件定义数据采集”,是传统网络测量技术与软件定义网络技术的结合[1]。按照智能管理系统的功能需求,本文设计的遥测网络逻辑架构如图3所示。

图3 楼宇智能管理系统的遥测网络逻辑架构

采控层包括遥测任务编排、数据分析、相关控制、和数据采集,向网元层发任务订阅、数据发布、数据存储、数据采集。采控层可以由遥测服务接口向外部应用提供所需的运行记录、问题分析、任务质量和难度、任务预测和数量。网元层包括物理网络或虚拟网络设备,负责执行任务订阅,完成被订阅任务的数据采集、数据分类和数据发布。

在网络中传输的各个任务具有自己的编号,可以按照楼宇管理的需要增加或者减少任务的数量,按照如图4所示的格式帧进行任务数据传输。

图4 任务信息帧的结构

图4中的数据可以按照01、02、……的顺序继续发送,任务编号对应不同的传感电路采集的信息,数据是信息的具体内容,就是对应此时的网络中设备信息、环境信息。

2.2 数据采集端设计

数据采集的功能是通过在现场分布的各类采集端完成。数据采集端的电路由传感器、信号放大器、模数转换器构成。采集楼宇的各类信号经过放大器的放大,通过模数转换器变成数字信号,然后再经过编码,成为基带信号,发送到光接入网,向智能管理相同数据中心的数据接收端传输传感到的网络中的设备信息、环境信息需求信息。

2.3 基带信号的编码和解码电路设计

数字信号编码后在光接入网中的传输,经过数字ALTERA芯片EPM7128LC的编码形成基带信号发送到遥测网络。数据发送端的电路由时钟电路、AMI信号数字编码电路、光接入网接口电路构成。在接收端,设计ALTERA芯片的数字解码电路,进行信号解码,恢复发送端的信号,获得发送端的信息,对照任务类型,安排任务分配,执行解决方案,实现智能管理。数据接收端的电路由接口电路、AMI信号解码电路、数字信号处理电路构成。

AMI 码全称是传号交替反转码[10-11],具有正负电平跳变,AMI码的优点是没有直流分量,编码规则很简单,发生错码也容易看出来。AMI码不含直流成分,在有线遥测中传输基带信号,常用AMI编码形式。AMI码编码的1码称为传号,0码叫做空号,其编码规则是1码交替变为+1、-1,0码不变,+1、-1分别用信号的正负电平代表。消息代码是空号0时,AMI编码就是传输0;消息代码是传号1时,AMI编码就是传输+1、-1交替。采用ALTERA芯片设计的数字电路采用一个JK触发器和2路与门来实现2路编码输出。在数据信号为1时,JK两端置位,即成为一个T触发器,实现信号翻转,数据信号为0时经过2路与门得到的输出均为0。在AMI解码的电路,将2路输出进行“或”操作,即可得到解码。

3 楼宇智能管理系统的测试

智能管理系统的测试主要是信息传输的测试,用仿真波形可以查验发送端的信号编码和接收端的信号解码。AMI码是三电平的信号,需要把三电平分成2路信号输出,然后2路信号相减,就是三电平信号。解码后输出是两电平的信号。仿真波形如图5所示。

图5 AMI编码的仿真波形

图5中codeout信号是需要发送的信号,inclk是时钟信号,codeout15和codeout16是AMI编码的三电平信号分成的2路信号,codeout17是解码信号。在示波器测量的AMI编码三电平信号和解码信号如图6所示。

图6 AMI编码和解码信号

图6中1路信号是发送的信息,2路信号是AMI编码三电平信号。解码图中1路信号是发送的信息,2路是在接收端的AMI信号,经过解码后,获得发送端发送的信息。对比发送的信息波形和经过AMI编码、解码之后的信息波形,二者信息相同,没有误码,波形的形状完全一致,经过AMI编码和解码,消除了一些叠加在原来发送信号上的干扰信号,解码的波形比原来的信号波形更清晰、更规则。这验证了智能管理系统传输数据的准确、可靠。

4 结语

物联网带来数字化和智能化变革,光接入网络遥测是遥测技术在通信感知网络中的新应用,为智能社区、智能家居、智能楼宇、智能办公、智慧生活提供实时的设备状态、运行状态和网络状态的全方位信息,助力于实现光接入网络、居住、办公和家庭网络的自动化和智能化。本文设计的楼宇智能管理系统利用传感器感知物理设备、环境信息和客户需求,采用光接入网遥测的链接架构,传输基带信号,实现楼宇的节能、日常供应、安全保卫的智能管理。楼宇智能管理网络系统具有清晰的设备节能的智能管理、日常供应的智能管理、安全保卫的智能管理任务划分,具有利用传感器电路模块采集设备信息、环境信息、客户需求信息读取遥测信息的实时性,具有可以定时读取/随时读取数据、根据智能管理的需要增加或者减少需要感知的物理设备的灵活性,具有采用AMI编码和解码的基带传输方式、构建光接入网遥测、准确发送和接收信号可靠性的特点。

光接入网遥测准确传输信息是智能管理系统运行中的最重要工作任务。测试结果表明光接入网络的AMI编码、解码能够传输准确的信息,设计的基于光接入网络遥测的楼宇智能管理系统实现了智慧生活的实践应用,具有重要的现实意义。