智能型住宅自動控制與管理系統(tǒng)應用研究

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 隨著計算機技術、現(xiàn)代通信技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，智能化建筑在世界應運而生。智能小區(qū)在智能化大樓基礎上擴展和延伸出來的，人們通過對小區(qū)建筑群的四個基本要素（結構、系統(tǒng)、服務、管理）進行優(yōu)化考慮，提供一個投資合理，又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的人居環(huán)境。為適應我國加快住宅建設發(fā)展，增強住宅建設的科技含量的要求，我國 在繼“解困”、“安居”工程后，又加大了小康工程的力度。“智能型住宅家庭設施自動控制與管理系統(tǒng)應用研究”作為國家重大科技產業(yè)項目棗“2000年小康城鄉(xiāng)科技產業(yè)工程”的專題，就是這一背景下提出的。“智能型住宅家庭設施自動控制與管理系統(tǒng)應用研究”是哈爾濱工業(yè)大學（原哈爾濱建筑大學）承接的項目，由哈爾濱工業(yè)大學和北京德達數據系統(tǒng)有限責任公司合作開發(fā)。該項目采用LONWORKS技術開發(fā)研究并在住宅示范小區(qū)工程中試運行。1、對住宅居住環(huán)境（濕度、濕度）及設備進行監(jiān)控；2、住戶三表（水表、電表、煤氣表）遠傳；3、住戶三防（防火、防災、防盜）；4、廚房設備監(jiān)控；5、衛(wèi)生間排風控制。這些功能用LON總線一節(jié)點實施，即每一住戶為一LON節(jié)點，然后再用棗服務器管理各個用戶的節(jié)點構成LON總線系統(tǒng)。該項研究已在北京翌景嘉園示范小區(qū)通過試運行，下面對其自評估如下：一、攻關的任務、考核目標及主要技術指標：經過論證，我們在專題合同中將各種指標定位在：本專題的攻關任務：研究智能型住宅家庭設施自動控制與管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩項任務，其一是開發(fā)家用管理軟件，其二是開發(fā)家庭智能控制裝置，實現(xiàn)對居室溫度、濕度進行自動調節(jié)；對廚房用具進行時序控制；對衛(wèi)生間的排風進行控制。而家用電腦管理軟件要對家庭設施進行管理并提供若干家政服務程序。 

  本專題的考核目標：提供具有居室空調、廚房監(jiān)控、衛(wèi)生間自動排風功能的微機控管裝置一套；提供家用電腦管理軟件一套；住宅溫、濕度等參數應滿足智能住宅規(guī)定標準；在示范工程中應用該項成果。    本專題的技術經濟指標：溫度、濕度等主要被控參數應滿足智能小康住宅標準（溫度18℃～28℃，濕度30％～70％）；系統(tǒng)運行可靠。    在進行該項專題的進一步研究的過程中，結合當前先進技術的發(fā)展以及我國智能住宅發(fā)展狀況，在原有的合同的基礎上，我們對家庭智能控制器又增加了三表遠傳、安防等功能。二、專題執(zhí)行情況評價本專題按兩個部分實施，即家庭智能控制器和家用電腦管理軟件的研究：1、家庭智能控制器（1）功能本專題所開發(fā)的家庭智能控制器即智能節(jié)點具有4路模擬輸入，12路數字輸入，12路數字輸出，其所實現(xiàn)的功能如下：通過對室內溫度監(jiān)測，得到實際溫度與設定溫度比較：當實際溫度低于設定溫度一定值時，在夏季關空調，在冬季開暖氣；當實際溫度高于設定溫度一定值時，在夏季開空調，在冬季關暖氣。溫度控制達到智能小康住宅規(guī)定標準：18～28℃。    通過對室內濕度監(jiān)測，得到實際濕度與設定濕度比較：當實際溫度高于設定溫度一定值時，關加濕器；當實際濕度低于設定濕度一定值時，開加濕器。濕度控制達到智能小康住宅規(guī)定標準：30～70 ％。    對三表實行脈沖計數，并發(fā)送到上位機。    當門磁或紅外報警時，在設防狀態(tài)下，聲光報警和自動撥號器啟動，并有報警信號傳到上位機。    玻璃破碎報警時，聲光報警啟動；在設防狀態(tài)下，自動撥號器啟動：有報警信號傳到上位機。    緊急按鈕報警時，自動撥號器啟動，并有報警信號傳到上位機。    排風扇按鈕控制排風扇，排風扇運行一段時間自動關閉。    煙感探頭報警時，煤氣閉閥器關閉，聲光報警和自動撥號器啟動，并有報警信號傳到上位，此外，通過判斷煙感探頭輸入信號可識別探頭是否有故障。    煤氣泄漏報警時，排風扇啟動，煤氣閉閥器關閉，聲光報警和自動撥號器啟動，并有報警信號傳到上位機。    探頭復位輸入控制火災探頭掉電復位及開啟煤氣閉閥器。    通過上位機運作，可以控制廚房設備按一定時序啟動。    溫度的設置可以通過上位機或者設定按鈕實現(xiàn)。    濕度的設置可以通過上位機或者設定按鈕實現(xiàn)。    與本專題預期目標相比，我們在設備監(jiān)控的基礎上，增加了安防功能，三表遠傳功能；我們經過認真研究，考慮研發(fā)產品的應用和推廣，我們單片機來完成這些功能，而是采用了先進的現(xiàn)場總線棗LON總線。（2）應用的LONWORKS技術特點本專題采用了LONWORKS技術進行開發(fā)，該技術有如下特點：開放性：網絡協(xié)議開放，對用戶平等；    通信媒介的多樣性：可采用任何媒介進行通信，如雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜、無線電波、紅外等，并且同一網絡可以有多種通信媒介；    互操作性：其通信協(xié)議Lontalk是符合ISO定義的OSI 模型，任何制造商的產品都可以實現(xiàn)互操作性；    網絡拓撲：有星型、總線型、環(huán)型以及自由型；    網絡結構：主從式、對等式或客戶/服務式結構；    通信的每幀有效字數可從0至228個字節(jié)；    通信速率可達1.25MB/S，此時有效距離為130M；78KB/S的雙絞線，直線通信距離可達2700M；    其技術核心器件棗Neuron芯片內部裝有三個8位微處理器、34種I/O對象和定時器以及LONTALK通信協(xié)議等。該芯片具有通信和控制功能。    近年來，該技術在國內外的智能建筑領域都得到了應用和發(fā)展，其開發(fā)工具平臺強大，開發(fā)者在短期內就可以完成開發(fā)工作；在韓國、日本、澳大利亞、加拿大等國都已經利用該技術完成多項工程；并且，總體來看，該技術適用于中國，而且還在無線擴頻等方面有繼續(xù)加強的潛力，能在家庭智能系統(tǒng)上有更大的突破。（3）解決的技術關鍵功能集成：在目前智能住宅產品中，實現(xiàn)單一功能（如抄表、安防）的產品很多，本裝置將三表收費、三防、廚房設備監(jiān)控、室內環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生間排風扇控制等功能集成在一起，真正實現(xiàn)了功能集成。    采用了Lonworks技術：Lonworks 技術作為先進的總線技術，在本專題得以采用，將會更有利于家庭智能控制裝置的推廣。    模擬量的引入：從長遠來看，將模擬量引入智能住宅將是必然，而目前國內幾乎沒有智能住宅產品將其引入，本裝置將模擬量引入，也體現(xiàn)裝置的前瞻性。    軟件編程語言采用Neuron C語言，利用該語言事件驅動任務的特點，增強了裝置的實時性。    本裝置可靈活組態(tài)：如果用戶不需要該模塊中的模擬輸入，我們就會在設計硬件電路時預留出端口，而不焊接模數轉換模塊，這樣可為用戶省下投資，也為其將來擴展做好準備；12路數字輸入點被開關量或脈沖信號來觸發(fā)，其可以配置成電表水表煤氣表輸入，可以配置成安防信號輸入，也可以是二者結合；12 路輸出只是一個開關信號，也可根據實際情況進行靈活配置。    與目前系統(tǒng)集成商所提出智能小區(qū)方案相比，本專題將家用電腦引入家庭智能控制系統(tǒng)來管理家庭設施。    住宅節(jié)能：我們認為，智能住宅在提供給人們安全、舒適的環(huán)境的同時，也應將節(jié)能的概念引入智能住宅中。在本專題中，我們對衛(wèi)生間排風采取實時控制，使其在滿足室內排風要求的同時做到節(jié)省電能；我們通過對室內溫度的設定，在不同季節(jié)內對空調或供暖設備進行控制，使其在一定的條件下工作，當達到預期要求時，立刻停止工作，進而達到節(jié)能的目的。    模數轉換通信匹配問題：在本專題中，我們利用Max186芯片對采樣的溫濕度信號進行模數轉換。Max186芯片具有12位精度，其與LONWORKS技術的neurowire方式進行通信需要匹配，本專題解決了這個問題。    本專題所開發(fā)出來的家庭智能控制器比較成熟，可作為產品投入市場，并且，該家庭智能控制器已經在北京翌景嘉園使用。與目前國內同類產品相比，其性能價格比是最優(yōu)的（具體情況見效益分析）。2、家用電腦管理軟件家用電腦管理軟件是在Delphi5.2平臺上開發(fā)而成，其功能、設計特點如下：（1）功能提供家庭生活服務信息。主要有：醫(yī)療保健知識、家庭菜肴、點心制作方法及飲食科學知識、女性美容裝飾常識、花鳥魚種值飼養(yǎng)方法、旅游知識、保險知識及家庭生活中的一些常用信息等。    提供家庭事物管理手段。這部分主要內容有：家庭財務、親友通訊錄、個人檔案管理。    該軟件通過網卡直接對家庭設施進行管理：三表計費、設備狀態(tài)顯示、廚房設備時序控制、溫濕度設定。    （2）軟件特點：是軟、硬件技術成功結合的典范：考慮到“小康住宅”的特點，將計算機硬件、軟件技術相結合，通過LON 控制模塊成功地實現(xiàn)了對住宅內的環(huán)境監(jiān)測及設備監(jiān)控。    實用性強：在本軟件中，我們以科學實用為原則，從醫(yī)學、美食、旅游、保險、美容裝飾、花鳥魚種植飼養(yǎng)、財務管理、通信錄管理等方面為用戶提供了及其豐富的生活服務信息，以便為用戶的工作、學習提供更多的方便。    易學易用：在軟件開發(fā)過程中，我們在不影響功能及生動性的前提下，盡量使界面簡潔、直觀，并具有邏輯性，從而使得用戶容易掌握軟件的思路及操作方法。    三、成果應用前景及效益分析建筑業(yè)是國家的支柱產業(yè)，住宅建設占總房產建設投資的80％左右，國家十分關注住宅建設，繼“解困”、“安居”工程后，又努力實施“小康”工程。為了加大“小康”工程力度，國家把“2000年小康城鄉(xiāng)科技產業(yè)工程”列為國家重大科技產業(yè)項目?？梢?，投身于住宅小區(qū)智能化以及相關產品的研發(fā)，既有利于推動建筑業(yè)的發(fā)展，又能帶來可觀的經濟效益和社會效益。1、國內智能小區(qū)市場預測隨著計算機技術、現(xiàn)代通信技術和自動控制技術等高新技術的延伸，智能建筑應運而生。智能小區(qū)是智能大廈的基本含義中擴展出來的。以1999年為例，國家在99年對住宅的投資1700～1800億元人民幣，根據建設部對小區(qū)初、中、高三個等級的劃分，小區(qū)智能化為住宅小區(qū)總投資的1％～3％。以此比例計算，則僅99年度對小區(qū)智能化的需求就達17～54億元人民幣，而隨著住房體制改革的不斷深入及人們對住宅環(huán)境要求的不斷提高，該數值還會將大幅度提高。由此可見，小區(qū)智能化市場前景廣闊。2、本專題的實用性及前瞻性“智能型住宅家庭設施自動控制與管理系統(tǒng)應用研究”作為2000年小康城鄉(xiāng)科技產業(yè)工程“的一個專題，該項研究應用LONWORKS技術開發(fā)并在住宅示范小區(qū)工程中試運行。該家庭智能控制器具有很強的靈活必一，根據用戶需要，可以進行靈活配置，例如：如果用戶不需要該模塊中的模擬輸入，我們就會在設計硬件電路時預留同端口，而不焊接模數轉換模塊，這樣可為用戶省下投資，也為其將來擴展做好準備；12路數字輸入點被開關量或脈沖信號來觸發(fā)，其可以配置成電表水表煤氣氣輸入，可以配置成安防信號輸入，也可以是二者結合；12路輸出只是一個開關信號，也可根據實際情況進行靈活配置。總之，該家庭智能控制器即適合現(xiàn)在智能住宅的要求，也會在一定程度上滿足將來發(fā)展的需要。我們開發(fā)的家庭智能控制器再加上各種傳感器構成的控制系統(tǒng)，其價格為4000元左右，即每個住戶用于智能化投資在4000元左右，與當前國家制定普及型智能住宅價格（5000元）相比，相對價位下降20％；而從長遠來看，隨著人民生活水平的提高以及家庭智能控制器各類相關器件價格的下調，大多數用戶對智能化的投資是可以接受的，并且其所帶來的各種效益是無法估量的。4、本專題的社會效益本專題是以小康住宅智能化宗旨，旨在為人們提供舒適、安全、健康的環(huán)境。這一方面提高了人們生活水平，另一方面也為人們的高效率快節(jié)奏提供了條件。智能住宅設施的自動控制和管理，既需要相關行業(yè)的支持，也促進相關行業(yè)的發(fā)展。智能住宅建設的興起，將使許多相關企業(yè)投入建筑市場，又為許多人提供了就業(yè)機會。此外，對于生產智能控制器的廠商來說，他們在推廣應用這項成果中，將會獲得可觀的經濟效益。四、專題調協(xié)的科學性和合理性的后評估本專題設置的科學性和合理性可從以下幾方面反映出來：1、專題在智能小區(qū)的地位智能小區(qū)在智能化大樓的基礎上擴展和延伸出來，人們通過對小區(qū)建筑群的四個基本要素（結構、系統(tǒng)、服務、管理）進行優(yōu)化考慮，提供一個投資合理，又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的人居環(huán)境。從以上的定義可以看出，人們通常提出的智能大廈的3A（建筑設備自動化 、辦公自動化、通信自動化）或5A（在“3A”的基礎上加上安防自動化和防火自動化）也適合智能小區(qū)，所以智能小區(qū)的“智能”很大一部分都體現(xiàn)在其自動化的程度。此次國家制定的該課題與以往課相比，其對智能建筑的功能定位更加合理（功能多而必要），并且具有一定的前瞻性（廚房設備的自動化以及模擬量的引入隨著人民生活的提高也將會被人們接受）?？傊緦ｎ}對智能小區(qū)“智能”的研究，在智能小區(qū)的整體研究中起著相當重要的作用。2、未來市場走向筆者認為，建筑業(yè)是國家的支柱產業(yè)，住宅建設將占房產建設投資的80％左右，其中對智能小區(qū)投資占總房產建設投資的8～24％，在這種背景下，國家將會進一步加大對智能化建筑的投資。由于智能小區(qū)的概念是近幾年才形成的，單個功能或系統(tǒng)如抄表、報警功能在一些住宅小區(qū)中已經有些應用，但是還沒有哪個廠家能夠推出從總體上設計和規(guī)劃成熟的智能小區(qū)網絡化綜合管理系統(tǒng)，目前的市場還處于群龍無首階段。此時，國內市場急需一種性能價格比較高的智能化產品，這時研究智能型住宅家庭設施控制和管理系統(tǒng)將有更重要的意義。3、用戶需求隨著生活水平的提高，一方面，人們對住宅的追求不僅僅局限于外表的裝飾，人們對住宅的智能已經有了初步的認識；另一方面，在一些發(fā)達的城市中已經出現(xiàn)智能小區(qū)并為人們所接受。此時研究本專題開發(fā)出適合人們要求的智能化產品也具有很重要的意義。4、科技含量可以說智能小區(qū)是隨著計算機技術、通信技術、自動控制等的發(fā)展而提出和發(fā)展起來的。智能小區(qū)的“智能”也可理解成為其科技含量，其科技含量的高低反映了智能小區(qū)智能化的水平。本專題所采用的LONWORKS技術是最近幾年內流行的先進的現(xiàn)場總線技術，運用該項技術研究本專題并開發(fā)出基于該技術的產品，將更有利于該產品的推廣，并且隨著LONWORK技術本身的改進和提高，智能化產品也利于更新?lián)Q代?？傊?ldquo;智能型住宅家庭設施自動控制與管理系統(tǒng)應用研究”專題的完成，一方面，為家庭設施智能化的可行性提供了依據；另一方面，也為制定家庭設施智能化規(guī)范提供了參考。并且，本專題開發(fā)出來的成果正在轉換成產品，這進一步證明了專題設置的科學性和合理性。五、經費決算和經費使用評價國家科委為“智能型住宅家庭設施自動控制與管理系統(tǒng)應用研究”專題攻關撥款10萬元，于1999年9月?lián)芸畹焦枮I建筑大學，課題組將其分成兩個子項實施，即智能家庭控制裝置和家用電腦管理軟件，經過一年多的研發(fā)，現(xiàn)已完成。其經費使用情況如下：   收入   支出       科目 實際數（萬元） 科目 金額（萬元）    單位自籌 2 儀器設備費 1.5    國家撥款 10 材料費 0.5     加工費 0.5     試驗費 1.0     管理費 3.0     勞務費 2.0     軟硬件費 1.0     調研費 1.5     其他 1.0    合計 12 合計 12    2、經費使用評價本專題的研究采用LONWORK技術，并要求在示范小區(qū)試運，這樣做可保證技術的先進性和成果的推廣。但應用該技術必須在其開發(fā)平臺上完成，我們沒有（國內僅少數單位具有）開發(fā)工具，該開發(fā)系統(tǒng)由美國ECHLON公司專賣，價值二十萬元。其次選擇示范小區(qū)，也要花費相當數量的費用。面對這兩項主要開銷，國家科委下?lián)艿氖f元是明顯不足的。為了解決經費的不足，我們采取如下措施：（1）將該專題分成兩個子項，即智能住宅家庭控制裝置和家用電腦管理軟件。其中智能住宅家庭控制裝置由于采用LONWORKS技術，我們決定采用合作開發(fā)的辦法，而家用電腦管理軟件采用自主開發(fā)，經費分項使用。（2）選擇北京德達數據系統(tǒng)有限責任公司作為合作伙伴，主要原因是該公司作為國內智能建筑領域起步最早的企業(yè)之一，其在智能建筑科研、設計、安裝頗具實力，并且還備有開發(fā)技術產品的成套設備。與該公司合作，他們可提供開發(fā)設備和安裝調試條件，我們出技術、人力，這樣做就不需購買專題開發(fā)用的設備，也就節(jié)省了這筆大的開銷。（3）確定北京翌景嘉園示范小區(qū)作為試運點，該智能住宅小區(qū)是北京德達數據系統(tǒng)有限責任公司承接工程，其中有該公司科研、開發(fā)、實驗樣板間，利用該樣板間提供的條件（其中包括智能住宅的多種傳感器），可以節(jié)省現(xiàn)場安裝調試所需的硬件費用。（4）本著節(jié)省的原則辦事情，由于合作單位、示范小區(qū)均在北京，而我們在哈爾濱，兩地的差旅費將要占科研經費的三分之一，我們利用北京德達數據系統(tǒng)有限責任公司提供給校方人員的食宿條件以及按每次出差要集中高效辦事的原則，使差旅費的花銷僅用原計劃的一半。由于利用以上一些措施，使得該項目實際用費基本與國家科委撥款持平。六、存在的問題目前，國內沒有一個完整的智能小區(qū)規(guī)范，這為定位智能住宅的功能帶來一定難度，本專題對家庭智能控制裝置的功能是結合我國智能小區(qū)現(xiàn)狀及各種技術資料定位的，并且對每個家庭所配置節(jié)點數還有待進一步研究。在本專題中，由于目前廚房設備的種類和數量的不可預測性，我們僅定義了兩個廚房設備，并對其進行一定的時序控制，對廚房設備數量及實時監(jiān)控還需深入探討；家庭智能控制裝置對設備控制只局限于開關控制，對設備的進一步控制有待于進一步研究。現(xiàn)在智能家電已被一些廠家生產，各種智能家電產品的標準因廠家的不同而不同，并且國家沒有固定的標準，這為將來將其集成在家庭智能控制系統(tǒng)中帶來一定的難度。此外，由于家庭智能控制器所采用的各種元器件大部分是國外產品，無形中增加了成本價格。