深入思考：讓建筑物獲得智能
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要點(diǎn)
智能建筑系統(tǒng)依賴于連網(wǎng)的傳感器、遙控執(zhí)行器以及決策軟件；
盡管建筑自動(dòng)化設(shè)備的過度使用是可能的，但大多數(shù)最終用戶并不愿意僅出于方便原因而花費(fèi)更多；
建筑系統(tǒng)采用無線鏈接、電力線通信和以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)燃夹g(shù)，可以無需布設(shè)新線而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；
成本的增加和系統(tǒng)的多樣性減緩了采納自動(dòng)化建筑互操作標(biāo)準(zhǔn)的速度；
Web 服務(wù)技術(shù)可使不兼容的自動(dòng)化建筑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和遙控運(yùn)作。
雖然工程師們一直展望能在家庭、工廠和辦公室中實(shí)現(xiàn)更多的便利性，但許多最終用戶仍不愿為簡化日常工作所需的軟、硬件而花費(fèi)更多。例如，今天已經(jīng)有了能進(jìn)行聲音控制、自動(dòng)喂食寵物，或有人進(jìn)門時(shí)打開燈光或娛樂設(shè)備的技術(shù)，但它們的受眾仍只限于很小范圍。由于在安保與能源管理這些最為消費(fèi)者注目的領(lǐng)域中缺乏兼容的產(chǎn)品，因此很難開發(fā)出一套完全整合的系統(tǒng)。產(chǎn)品制造商們認(rèn)識到了這些產(chǎn)業(yè)問題，于是提出了新的建議、升級標(biāo)準(zhǔn)、修訂通信協(xié)議，希望能加快智能建筑技術(shù)被大眾接受的速度。
智能建筑技術(shù)依賴于分布式傳感器、遙控執(zhí)行器、設(shè)備連網(wǎng)以及決策軟件，用來協(xié)調(diào)并優(yōu)化各種建筑子系統(tǒng)，如安保、環(huán)境、信息傳送和安全等。在一個(gè)真正集成的建筑自動(dòng)化系統(tǒng)中，任何子系統(tǒng)都可以使用元件和傳感器。例如，一個(gè)打開的窗口對安保子系統(tǒng)和供熱或空調(diào)功能是同等重要的。同樣，溫度傳感器可以用于檢測火災(zāi)或日常維護(hù)所需的信號。與今天獨(dú)立建筑系統(tǒng)不同，這種類型的數(shù)據(jù)重用需要各部件與子系統(tǒng)共享并存儲傳感器信息。
在采集智能環(huán)境所需信息方面，分布式傳感器是必不可少的。傳感器可以分為幾類：物理傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、力傳感器和生化傳感器等。物理傳感器測量壓力、溫度和濕度，運(yùn)動(dòng)傳感器記錄位置、速度和加速度。力傳感器指示張力、力矩和振動(dòng)。而生化類傳感器則包羅萬象，從反應(yīng)性傳感器到個(gè)人身份識別，如指紋、聲音分析以及視網(wǎng)膜掃描等。分布式傳感器面臨的最大挑戰(zhàn)是將測量值轉(zhuǎn)化為一種公共的格式、高效地傳輸數(shù)據(jù)，以及降低每個(gè)結(jié)點(diǎn)所需功耗。
智能傳感器
1993 年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)會和 IEEE 開始就分布式傳感器問題研究一個(gè)名為“傳感器與執(zhí)行器的智能換能器接口”的推薦系列標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的目的是在各個(gè)制造商之間提供互操作性，保證所有的換能器均以相同方式連接到控制網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)傳感器的自我識別、自我配置和自我校準(zhǔn)。該系列的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 1451.2，它定義了換能器硬件之間的接口，名為 STIM（智能換能器接口模塊），以及 NCAP（可連網(wǎng)應(yīng)用處理器）或網(wǎng)絡(luò)控制器（圖 1）。制造商可以簡單地實(shí)現(xiàn) 1451.2 接口的 STIM 端傳感器電路，然后根據(jù)應(yīng)用需求選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器。盡管 NIST 和 IEEE 在 1997 年就首次批準(zhǔn)了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)界對它的接受速度卻很慢?，F(xiàn)在該標(biāo)準(zhǔn)正在作一些修改，包括增加替代物理層，以采用現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸方法降低傳感器成本與復(fù)雜性。
解決分布式傳感器問題的另一種方法是將現(xiàn)在大多數(shù)建筑中都具備的 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)交換。OASIS（結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織）提出了一個(gè)為建筑控制系統(tǒng)定義 XML（擴(kuò)展標(biāo)記語言）和 Web 服務(wù)機(jī)制的方案。OASIS oBIX（開放式建筑信息交換）技術(shù)委員會正在定義一種標(biāo)準(zhǔn)的 Web 服務(wù)協(xié)議，以便能夠?qū)崿F(xiàn)建筑機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與企業(yè)應(yīng)用程序之間的通信。由于 oBIX 實(shí)現(xiàn)了與企業(yè)系統(tǒng)的集成，因此具備對機(jī)械控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的連續(xù)可視性，并能夠判斷出系統(tǒng)分析與人員交互的問題與趨勢。oBIX 的目標(biāo)是開發(fā)一種 Web 服務(wù)的接口規(guī)范，能從 HVAC、存取控制、公共設(shè)施以及其它建筑自動(dòng)化系統(tǒng)中簡單而安全地獲得數(shù)據(jù)。oBIX 方案具有能與既有機(jī)械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)共同運(yùn)作的優(yōu)點(diǎn)。
許多現(xiàn)代建筑子系統(tǒng)都能夠與現(xiàn)有非兼容的通信協(xié)議進(jìn)行互連，如 LonWorks、BACnet（建筑自動(dòng)化與控制網(wǎng)絡(luò)）和 ModBus，以及許多專有的協(xié)議，盡管這種互連不是在傳感器水平上。雖然這些建筑自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都可以在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，但它們都缺乏應(yīng)對企業(yè)路由器、防火墻、安全與應(yīng)用流量的復(fù)雜性。BACnet 是 ANSI/ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn) 135-2001 的通常叫法，該標(biāo)準(zhǔn)受到 ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）和 ASHRAE（美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會）的支持。BACnet 是一種非專有的、開放式協(xié)議的通信標(biāo)準(zhǔn)，它將數(shù)據(jù)表達(dá)為“objects”（對象）、“properties”（屬性）和“services”（服務(wù)）。這種表述數(shù)據(jù)與動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)方法可以使不同制造商的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。然而，大多數(shù) BACnet 設(shè)備還只限于加熱、通風(fēng)以及空調(diào)行業(yè)。例如，來自 Reliable Controls公司 的 Mach-Vision 是一個(gè)用于直接數(shù)字控制應(yīng)用的可編程用戶界面。這種經(jīng) BACnet 認(rèn)證的設(shè)備使用一種類似 Basic 的編程語言，具有五個(gè)可配置的輸入、四個(gè)可升級的輸出以及閉環(huán)能力（圖 2）。
協(xié)議芯片
與 BACnet 不同，LonWorks 需要在每個(gè)控制器中使用來自 Echelon 公司的專有 Neuron 芯片。LonWorks 主要應(yīng)用于照明、公用事業(yè)以及運(yùn)輸行業(yè)，在自動(dòng)化建筑中的安裝量高于 BACnet。LonWorks 協(xié)議提供了一組服務(wù)，使設(shè)備應(yīng)用軟件能夠通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收信息，而無需了解網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或名稱、地址以及其它設(shè)備的功能。LonWorks 協(xié)議可以任意提供端到端的信息響應(yīng)、信息確認(rèn)以及對實(shí)時(shí)應(yīng)用的優(yōu)先傳送。
ModBus 協(xié)議是 Modicon公司 在 1979 年開發(fā)的一種開放式消息傳送結(jié)構(gòu)，它在各個(gè)設(shè)備間建立起主-從式或客戶機(jī)-服務(wù)器式的通信。ModBus 最初是作為一種可編程邏輯控制器的標(biāo)準(zhǔn)，可存取簡單的整數(shù)和二進(jìn)制值。該協(xié)議在許多行業(yè)得到了充分認(rèn)知和廣泛應(yīng)用。其主要優(yōu)勢在于簡單、易于在低級設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。ModBus是電表、UPS和發(fā)電機(jī)中使用的標(biāo)準(zhǔn)
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