深入思考：让建筑物获得智能

作者：Warren Webb，EDN技术编辑2005-10-02 点击:704

　　建筑自动化的设计师们身处一个极分散的行业内，他们正在计划新的方案，提供互操作性、简化管理、节省能耗、保证安全并且降低成本。
　　要点
　　智能建筑系统依赖于连网的传感器、遥控执行器以及决策软件；
　　尽管建筑自动化设备的过度使用是可能的，但大多数最终用户并不愿意仅出于方便原因而花费更多；
　　建筑系统采用无线链接、电力线通信和以太网电缆传输等技术，可以无需布设新线而实现数据共享；
　　成本的增加和系统的多样性减缓了采纳自动化建筑互操作标准的速度；
　　Web 服务技术可使不兼容的自动化建筑系统实现数据交换和遥控运作。
　　虽然工程师们一直展望能在家庭、工厂和办公室中实现更多的便利性，但许多最终用户仍不愿为简化日常工作所需的软、硬件而花费更多。例如，今天已经有了能进行声音控制、自动喂食宠物，或有人进门时打开灯光或娱乐设备的技术，但它们的受众仍只限于很小范围。由于在安保与能源管理这些最为消费者注目的领域中缺乏兼容的产品，因此很难开发出一套完全整合的系统。产品制造商们认识到了这些产业问题，于是提出了新的建议、升级标准、修订通信协议，希望能加快智能建筑技术被大众接受的速度。
　　智能建筑技术依赖于分布式传感器、遥控执行器、设备连网以及决策软件，用来协调并优化各种建筑子系统，如安保、环境、信息传送和安全等。在一个真正集成的建筑自动化系统中，任何子系统都可以使用元件和传感器。例如，一个打开的窗口对安保子系统和供热或空调功能是同等重要的。同样，温度传感器可以用于检测火灾或日常维护所需的信号。与今天独立建筑系统不同，这种类型的数据重用需要各部件与子系统共享并存储传感器信息。
　　在采集智能环境所需信息方面，分布式传感器是必不可少的。传感器可以分为几类：物理传感器、运动传感器、力传感器和生化传感器等。物理传感器测量压力、温度和湿度，运动传感器记录位置、速度和加速度。力传感器指示张力、力矩和振动。而生化类传感器则包罗万象，从反应性传感器到个人身份识别，如指纹、声音分析以及视网膜扫描等。分布式传感器面临的最大挑战是将测量值转化为一种公共的格式、高效地传输数据，以及降低每个结点所需功耗。

　　智能传感器
　　1993 年，美国国家标准与技术学会和 IEEE 开始就分布式传感器问题研究一个名为“传感器与执行器的智能换能器接口”的推荐系列标准。这些标准的目的是在各个制造商之间提供互操作性，保证所有的换能器均以相同方式连接到控制网络，并且实现传感器的自我识别、自我配置和自我校准。该系列的第一个标准是 IEEE 1451.2，它定义了换能器硬件之间的接口，名为 STIM（智能换能器接口模块），以及 NCAP（可连网应用处理器）或网络控制器（图 1）。制造商可以简单地实现 1451.2 接口的 STIM 端传感器电路，然后根据应用需求选择一个网络控制器。尽管 NIST 和 IEEE 在 1997 年就首次批准了这个标准，但业界对它的接受速度却很慢。现在该标准正在作一些修改，包括增加替代物理层，以采用现在广泛应用的数据传输方法降低传感器成本与复杂性。

　　解决分布式传感器问题的另一种方法是将现在大多数建筑中都具备的 TCP/IP 网络用于数据交换。OASIS（结构化信息标准促进组织）提出了一个为建筑控制系统定义 XML（扩展标记语言）和 Web 服务机制的方案。OASIS oBIX（开放式建筑信息交换）技术委员会正在定义一种标准的 Web 服务协议，以便能够实现建筑机械系统、电气系统与企业应用程序之间的通信。由于 oBIX 实现了与企业系统的集成，因此具备对机械控制系统与电气控制系统的连续可视性，并能够判断出系统分析与人员交互的问题与趋势。oBIX 的目标是开发一种 Web 服务的接口规范，能从 HVAC、存取控制、公共设施以及其它建筑自动化系统中简单而安全地获得数据。oBIX 方案具有能与既有机械子系统和电气子系统共同运作的优点。
　　许多现代建筑子系统都能够与现有非兼容的通信协议进行互连，如 LonWorks、BACnet（建筑自动化与控制网络）和 ModBus，以及许多专有的协议，尽管这种互连不是在传感器水平上。虽然这些建筑自动化网络协议都可以在 TCP/IP 网络上运行，但它们都缺乏应对企业路由器、防火墙、安全与应用流量的复杂性。BACnet 是 ANSI/ASHRAE 标准 135-2001 的通常叫法，该标准受到 ANSI（美国国家标准协会）和 ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）的支持。BACnet 是一种非专有的、开放式协议的通信标准，它将数据表达为“objects”（对象）、“properties”（属性）和“services”（服务）。这种表述数据与动作的标准方法可以使不同制造商的设备实现互操作。然而，大多数 BACnet 设备还只限于加热、通风以及空调行业。例如，来自 Reliable Controls公司 的 Mach-Vision 是一个用于直接数字控制应用的可编程用户界面。这种经 BACnet 认证的设备使用一种类似 Basic 的编程语言，具有五个可配置的输入、四个可升级的输出以及闭环能力（图 2）。

　　协议芯片
　　与 BACnet 不同，LonWorks 需要在每个控制器中使用来自 Echelon 公司的专有 Neuron 芯片。LonWorks 主要应用于照明、公用事业以及运输行业，在自动化建筑中的安装量高于 BACnet。LonWorks 协议提供了一组服务，使设备应用软件能够通过网络发送和接收信息，而无需了解网络的拓扑结构或名称、地址以及其它设备的功能。LonWorks 协议可以任意提供端到端的信息响应、信息确认以及对实时应用的优先传送。
　　ModBus 协议是 Modicon公司 在 1979 年开发的一种开放式消息传送结构，它在各个设备间建立起主-从式或客户机-服务器式的通信。ModBus 最初是作为一种可编程逻辑控制器的标准，可存取简单的整数和二进制值。该协议在许多行业得到了充分认知和广泛应用。其主要优势在于简单、易于在低级设备中实现。ModBus是电表、UPS和发电机中使用的标准

。ModBus 供应商与用户协会总裁 Ken Crater 说：“与比较复杂的协议相比，ModBus 这类简单的协议可以方便、快速地编码、应用和查错。这种方案降低了成本，帮助企业更快地进入自己的市场。”你不仅可以从互联网上免费下载ModBus 规范，而且协议里的许多开放源同时也能得到。

 

　　由于一个智能建筑环境要采用大量的传感器，设计师们倾向于无需安装新互连电缆的联网机制。无线链接、电力线通信，甚至电话线共享等都是无需布新线的可行替代方法。例如，Echelon公司 的 PL3120 和 PL3150 电力线智能收发器可以使 LonWorks 兼容产品通过建筑物的电力网进行通信（图 3）。收发器中包括一个运行应用程序和管理网络通信的 8 位 Neuron 处理器内核。双载波功能可在噪声阻挡住一个信号时，自动选择第二个频率。收发器现有 345 美元的 Mini EVK（评估套件），设计师可以用它来实验智能照明开关、恒温器，以及其它简单设备与传感器的电力线通信。
　　极低功耗的无线网络最适合于许多智能建筑传感器应用。为满足这种需求，2003 年 5 月，IEEE 批准了用于无须许可频段、极低功耗、低数据速率网络运行的 802.15.4 标准。该标准定义了 PHY（物理层）和 MAC（介质存取控制）子层规范，用于低速率设备在 868 MHz 频段 20 kbps、915 MHz 频段 40 kbps，以及 2.4 GHz 频段 250 kbps 的通信。网络拓扑结构可以是星形或点对点型，包含的结点地址超过 65000 个。发射器在亚 GHz 频段采用带 BPSK（二进制相移键控）的 DSSS（直接序列扩频），在 2.4 GHz 则采用 O-QPSK（偏移正交相移键控）。该标准在 2.4 GHZ 频段提供 16 个信道，在 915 MHz 频段提供 10 个信道，而在 868 MHz 频段提供一个信道。信道存取方法为 CSMA-CA（具有避免冲突的载波侦听多路存取）。规范描述了两类网络结点：一种为 FFD（全功能设备），可以完成任何网络工作；另一种为 RFD（减少功能的设备），它的资源与功能有限，用于对成本敏感的应用。

　　ZigBee 网络
　　IEEE 802.15.4 为 PHY 和 MAC 层定义了一种全局标准，而 ZigBee 联盟则为低速、低功耗的无线规范定义了余下的网络、安全和应用层。ZigBee 定义的网络层负责设备的发现与网络配置。ZigBee 可以采用星型与网格拓扑结构，或两个簇状树结构网络的组合。每个网络必须至少有一个 FFD，或叫协调者，它提供初始化、结点管理以及结点信息存储。为尽量降低成本与功耗，其余结点可以是简单的电池驱动 RFD。设计师可以用多种数据传输方案实现 ZigBee 网络。对周期性数据（如无线传感器），结点会在设定时间苏醒，向协调器传输采样数据，然后再恢复休眠。照明开关提供的就是间断数据，只有在被激活时才与网络建立连接和通信。对实时控制系统这种重复性数据应用，可以使用 ZigBee 的保证时隙功能，确保通信没有延迟或竞争。这些网络层的数据传送策略可以使系统设计师用通信频率换取 RFD 结点的电池寿命。采用扭扣电池的结点可在低占空度下维持数年的运行。

　　一个典型的智能建筑环境需要大量的传感器结点，因而成本成为关键因素。设计师可以通过去除外部系统的功能或限制其兼容性的办法削减成本。德州仪器公司主管先进嵌入控制的 MSP430 微控制器市场经理 Juan Alvarez 表示：“客户要求传感器网络有低成本和低功耗双重特性。一个完全满足要求的 ZigBee设备需要40k 字节闪存和5k字节RAM。这对一个 95% 时间处于休眠状态，只定期苏醒突发性传送数据的结点还是太昂贵了。虽然 ZigBee 中的完整功能有着互操作性的意义，但低成本可能是更高的要求。”
　　为了降低ZigBee兼容结点的高成本，Ember公司 最近推出了 EM250，这是一个真正的单片ZigBee 系统，它将2.4 GHz、IEEE 802.15.4 射频收发器与一个16位微处理器整合在一起（图4）。EM250与EmberZNet 一起工作，后者是Ember公司 最新的符合 ZigBee标准的嵌入式网格连网软件。EM250的设计目标是要满足电池寿命长、外接元件数少以及工业标准连网协议的要求。EM250的内置微处理器工作在12 MHz，它带有128 k字节闪存和 5k 字节 RAM，并且根据 EmberZNet 网络库提供用户应用程序。EM250 的深度睡眠模式即使是在睡眠计数器运行期间也只需要小于1mA 电流。对于需要扩展范围的应用，Ember 也提供一种连接外部放大器的简单方法。大批量的Ember EM250单价不到 4 美元。Ember公司的营销副总裁 Venkat Bahl 说：“如同 Wi-Fi 认证带给无线局域网供应商的好处一样，将带有正式 ZigBee 认证的 Ember 产品推向市场的能力将会同样获得市场的认同与鼓励。”

　　Web 连接
　　Automated Logic 公司在自己的 WebCtrl（基于 Web 的建筑控制）系统中采用了互联网技术。WebCtrol 有内带的 BACnet 架构，支持 ModBus 和 LonWorks，它集成了建筑子系统信息与信息技术协议（图 5）。WebCtrl 的标准 Web 服务接口使用了 SOAP（简单对象访问协议）和 XML 技术，用于与其它计算机系统的跨平台数据共享。Steve Tom 是 Automated Logic公司 的技术信息主管，他说：“不管计算机是处于其它建筑系统还是一个完全不同的应用中, XML都 为建筑自动化系统提供了一种与其它计算机通信的标准方法。今天，建筑自动化厂商正在自己的 Web 服务器和操作员工作站中增加对 XML 的支持，因为它是这个层次上与其它系统通信的标准。”（见参考文献 1）。XML 数据交换可以使维护管理系统、计费系统、广域公用设施管理项目以及其它高级计算机应用等使用标准企业工具从 WebCtrl 中检索信息。它还意味着这些工具可以向 WebCtrl 写入数据，因此建筑控制应用程序可以将天气预报、实时能源价格以及其它外部要素作为建筑控制应用程序的组成部分。

　　智能建筑技术最终将成为普适计算(pervasive computing)运动的一部分，普适计算表示计算机间的交互以自然和松散的方式进行（参考文献 2）。那时，Web 技术似乎是将高度分散的建筑自动化业联系在一起的最佳方案。互联网协议与 Web 服务可以使不兼容的系统共享数据，并整合到企业的信息技术架构内。