之一智能化基础知识.doc

设计人员培训资料之一：建筑智能化基础知识一、什么是自动化？自动化是在没有人的直接参与下、机器能按人的意愿自动地对某种过程进行控制技术。高层次的自动化是模拟人的智能活动，代替人去思考。自动化综合采用机械、电子、光电子、计算机和通信技术，自动控制理论是自动化的灵魂。自动化生产正向计算机集成制造系统（CIM）发展。27年前，美国的约瑟夫哈林顿博士提出了CIM概念。CIM把市场、工程设计、制造、管理、销售等组合成一体，这些组合不能是拼盘式的，而是有机的信息集成和功能集成。信息集成是通过数据库、网络，把各自动化孤岛互联起来，称为有机的统一完整系统。功能集成是利用系统技术、人工智能指导局部优化，使整个系统运行在最优状态。CIM是21世纪制造业的先进技术模式，发达国家在大量投资开发，我国也已把CIM和智能机器人列为高科技发展规划自动化领域的两个主题项目，正在积极研究。在城乡建设领域，智能住宅、智能建筑、智能小区等都是热点问题，它们都可以分解为单项自动化问题，如智能建筑（IB）可以分解为通信自动化（CA）、楼宇自动化（BA），包括消防自动化（FA）、安全自动化（SA）和办公自动化（OA）。二、什么是传感器？人类获取信息开始仅仅依靠自身的感官（眼、耳、鼻、舌、身）。传感技术、遥测技术和遥感技术是人类感官的延伸，是人类获取信息的重要手段。传感器是一种把非电量信号转换为电磁信号的装置。传感器感受信息、并把信息转换为电磁量，以便对信息进行处理。传感器种类很多，如用于摄像机、照相机的电荷耦合器件（CCD，具有光电效应），用于夜视仪的红外光电传感器，用于有害气体报警的气敏传感器，用于火灾报警的烟雾传感器，用于记录地震的振动传感器等。三、自动控制的原理是什么？自动控制理论（或原理）是自动化技术的灵魂。它是控制论的一个分支，我们先介绍控制论。控制论1948年，美国著名科学家维纳（Norbert Wiener，1894-1964）撰写的控制论：或在动物和机器中的通信和控制一书出版，标志着控制论的正式诞生。控制论是研究包括人在内的生物系统、包括工程在内的非生物系统以及与二者有关的社会经济系统内部的通信、控制、组织、平衡、稳定、计算及其与周围环境相互反馈作用的科学方法论。控制论可以粗分为三大分支：工程控制论、生物控制论和经济控制论。工程控制论的主体理论都分叫自动控制理论或自动控制原理。四、什么是智能建筑？世界上第一座智能化大楼（IB）于1984年出现在美国的哈密瓜特福特市。智能建筑是利用信息技术（计算机、通信和其他智能技术）建造、具有通信自动化（CA）、楼宇自动化（BA）和办公自动化（OA）功能的建筑。智能建筑的目的是为用户营造一个适应信息化社会需要，高效率、安全和舒适的办公环境。智能建筑的组成见图1，智能建筑一般称3A系统，也可称5A系统。楼宇管理自动化包括消防自动化（FA）和保安自动化（SA），如把二者独立出来，则可称智能建筑为5A系统。1、通信自动化智能建筑通信自动化系统的组成如图2所示，通信自动化是智能建筑的中枢系统，它要保证楼内外各种信息交流的畅通。智能建筑综合管理系统（MA）综 合 布 线 系 统（SCS）3A系统办公自动化（OA）楼宇自动化（BA）通信自动化（CA）保安自动化（SA）消防自动化（FA） 5A系统图1 智能建筑的组成程控电话系统宽带局域网系统闭路电视系统通信自动化系统集中控制计算机电视会议系统卫星通信系统其他系统图2 通信自动化系统的组成（1）程控电话系统该系统使内外通话畅通无阻：具有内部通话缩位拨号功能，使内部通话经济、方便；同时能直接从市话网拨入楼内、从楼内拨出到市话网，而不需要转接。有的系统还设立了语音信箱功能，供客人留言，并能提示主人语音信箱中有留言邮件。（2）宽带局域网系统该系统采用光缆和主干网连接、有足够的出口带宽，用户无论进行内部计算机通信还是和外部互联网连接都快速方便。（3）闭路电视系统使用户能看到本地电视台播放的和卫星转播的高质量电视画面，见图3：采集图像显示摄像机1 图像采集与处理板 软/硬件解压MJPEG压缩工业PC机Pentium II 600MHz摄像机16 回放音频输入 显示回放图像图像存储响应报警 图像分割显示回放录像报警探测器 局域网硬盘存储器 硬盘扩展器电话线 本地监控 远程监控图3 多点监视用硬盘录像机的原理（4）电视会议系统电视会议系统使主人足不出户便能和全国甚至全球的同仁们“面商”大计，也能用于远程教育、远程医疗等。（5）卫星通信系统智能大楼作为卫星通信系统的一个地球站，能实现楼内一个用户或多个用户通过卫星通信系统和外界通信。（6）集中控制计算机负责智能建筑通信自动化系统的集中、统一监控。2、楼宇自动化智能建筑楼宇自动化系统的组成如图4所示，楼宇自动化综合应用了计算机、通信和自动化控制技术，对楼宇中的各种设备进行监控，达到高效、安全、节能等目的。（1）空调系统空调系统包括制冷、供热和通风，智能建筑采用集中空调系统。控制系统通过对相关设备的运行速度或启动、停止的控制，达到既能满足用户要求又能节约能源的目的。空调系统给排水系统变配电系统楼宇自动化系统集中控制计算机照明系统消防系统保安系统其他系统图4 楼宇自动化系统的组成（2）给排水系统采用二次加压设备直接给楼宇（包括高层楼宇）供水、高层楼宇不再采用楼顶水箱供水。加压设备采用变频调速电动机，通过调节电动机的转速（而不是开、停）使水压保持恒定，提高了供质量、避免了电动机的频繁启动（延长了设备寿命）、节约了能源。废水池设置了水位过高报警装置。（3）变配电系统该系统配备了双回路电源系统，某一电源意外断电时，电源切换装置自动切换到另一回路电源。该系统还配备了不间断电源（UPS），意外停电时能短时间给计算机等重要设备供电。监测装置能对电压、电流、功率、电能、变压器的温升等参数进行自动监测，发现异常情况能及时报警。（4）照明系统照明系统能对楼宇内外的照明灯的状态进行监视和控制。能按照预先编制的，周期长达一年的，综合考虑了日落日出时间、夜间的不同时间段、节假日时间、环境照度等多种因素的照明程序自动开关灯。能按照预先编制的事故照明方案照明。能实现场景变换无穷的艺术照明。（5）消防系统该系统在楼宇很多部位装有火灾探测器（如感烟器、感光器、感温器），发现火灾能自动报警、自动启动通风装置和灭火装置。自动灭火装置有水喷淋、一氧化碳气体喷淋和干粉固体喷淋系统。（6）保安系统该系统采用智能卡（IC卡）门禁系统管理本楼人员出入楼门和办公室门，重要部位采用指纹或面像识别系统，采用闭路电视监控系统监视并记录人员的活动，采用红外线探测系统防范破门或破窗而入的不速之客。（7）电梯系统该系统能对多部电梯实行统一调度，客人使用电梯时利用墙面上的键盘输入要去的楼层号，计算机分析计算后利用显示屏告诉客人等候时间。（8）集中控制计算机集中控制计算机负责整个楼宇自动化系统的集中、统一监控。3、办公自动化通信自动化是智能建筑的神经中枢，楼宇自动化是智能建筑的基础条件，办公自动化是用户使用智能建筑的目的。为了实现办公自动化，在通信自动化和楼宇自动化的基础上，还须要配备各种办公硬件设备（如计算机及外围设备）和各种办公软件（如人事、财务、物业管理软件）。办公自动化系统包括政务（或生产、科研、商业）管理系统、物业管理系统、人事管理系统、财务管理系统、停车管理系统等，具体需要哪些系统要根据智能建筑的具体用途而定。智能建筑管理单位的办公自动化系统的组成见图5：4、综合布线系统前面谈到智能建筑由很多子系统组成，如何传输这些子系统的信办公自动化系统OAS专用数据库系统办公事务处理系统个人事务处理系统决策支持系统公文处理电子邮件文档管理信息查询文字处理人事管理电子地图电子表格后勤管理管理决策日程处理行政管理电子会议个人资料会务管理外事管理图5 管理单位的办公自动化系统号呢？传统的布线方法（非结构化布线）是各子系统分别布线、各自为战。这种方法的缺点是显而易见的：线缆不同，插座各异，各子系统需要分别独立设计；布线复杂，施工困难；不易统一管理；灵活性差，需求变化时更改布线很困难。综合布线系统（GCS）则能克服上述缺点，是目前国际上最先进的布线系统。（1）综合布线系统的组成综合布线系统由5个独立的子系统组成：工作区子系统、水平配线子系统、垂直干线子系统、设备间子系统和建筑群子系统，见图6：工作区子系统 由信息插座和终端设备（如计算机、电话机、传真机）构成。信息插座采用标准插座（如RJ45），终端设备能直接或通过适配器转接和信息插座连接。一个信息插座的服务面积可设计为10m2。水平配线子系统 由楼层配线间（IDF）和IDF至多个信息插座之间的连接线构成。配线间内设置线架（跳线架），跳线架上有垂直干线输入接线架和输出（至信息插座）接线架。二者之间连接的接线位置能方便地改变（称跳线），从而能方便地改变二者之间的接线关系。当终端设备改变时（如从计算机改为电话），仍可使用原来的插座，只要通过跳线改变按线关系即可。连线常采用4对（8芯）双绞线。IDFIDFIDFIDF MDF主机PABX 从电话局来的电缆图6 综合布线系统垂直干线子系统 是指设备间和各楼层配线间的干线。干线采用对绞线或光缆，芯线的对数视需要而定。设备间子系统 设备间内装有主计算机（服务器），电话交换机（PABX）和主配线架（MDF），计算机和交换机通过MDF和垂直干线连接。建筑群子系统 是指多个建筑共用一套设备时连接各建筑的室外双绞线或光缆，图中未画出。（2）综合布线系统的特点模块化设计和星形拓扑结构 综合布线系统采用标准化模块设计，能使结构化布线像搭积林那样灵活方便地把布线系统拼装起来。支持多种信号传输 理想化的综合布线系统能传输所有弱电信号，如语音、数据、图像、楼宇设备的监控信号。实际的综合程度要根据实用性、先进性和经济性的原则选择，不能盲目攀高。目前实施的综合布线系统一般只包括语音和计算机数据传输系统。不宜把传输图像信号综合进来，这是因为：如果采用双绞线综合布线系统，受目前双绞线技术性能的限制，图像的清晰度由单独用同轴电缆传输时的400线下降到300线，且提高了造价；如果采用光缆则造价又太高。也不宜把传输楼宇自动化信号综合进来，理由是：用双绞线甚至光缆传输速率很低的楼宇自动化信号是很大的浪费，造价提高太多，而且其中的消防自动化信号不允许综合传输。我国的防火规范规定消防系统必须单独设计、单独施工和单独管理。况且，楼宇自动化系统的布线一旦确定以后基本不变，综合布线的灵活性优点得不到体现。高度的灵活性 结构化布线有高度的灵活性，应变能力强，房间主人变更、用户需求变化时易于扩充和重新配置。设计和施工方便 结构化布线能实现统一设计、施工单位只需铺设一套线缆系统，从而大大降低了成本。5、综合管理系统综合管理系统（MA）由计算机、接口电路等组成，计算机通过接口采集通信自动化系统、楼宇自动化系统和办公自动化系统的信息，利用专家决策系统（软件）分析处理采集到的信息，对各大系统进行更高层次的管理，各大系统除自控外还受控于综合管理系统，并且综合管理系统优先控制权。五、什么是智能小区？改革开放以来，随着人民生活水平的提高，住宅小区如雨后春笋一样涌现出来。随着我国信息化的普及，智能住宅、智能建筑和智能小区正在大量建设中。智能住宅小区是指采用信息技术（计算机技术、通信技术和其他智能技术），实现了安全自动化（SA）、通信自动化（CA）和管理自动化（MA）的住宅小区。智能住宅小区的构成如图7所示，这里原则上不涉及智能住宅和智能建筑。1、安全自动化安全自动化（SA）包括边界防范、门窗防范、可视对讲、身份识别、燃气泄露、火灾报警、紧急求助等系统，SA的功能是给住户营造一个安全的住宅环境。（1）边界防范系统边界防范系统是指小区周围、包括小区大门的防范。可采用的方法有：利用由摄像机、监视器、录像机和传输线路组成的闭路电视监视系统监视人员和车辆的活动；常住居民持智能卡（IC卡）刷卡也入；来访人员通过可视对讲系统识别身份，并发给其临时出入IC卡；利用牌照识别系统记录车辆的出入。（2）身份识别系统该系统主要用于常住居民出入小区大门、住宅楼门和居室门时的身份鉴定，具体有密码识别、刷卡识别、指纹识别、面像识别等方法（称门禁系统），可以单独采用或复合采用。（3）门窗防范系统门窗防范是指住户居室门窗的防范，包括住宅楼大门的防范。较先进的方法是：采用被动红外线检测系统。人体本身是一个热源、能发射边界防范系统门窗防范系统安全自动化可视对讲系统身份识别系统紧急求助系统宽带传输网络系统通信自动化智能住宅小区内部通信系统闭路电视系统集中控制系统保安巡逻管理系统管理自动化四表远程传送系统照明控制系统图7 智能住宅小区的组成大量红外线，如检测到不速之客发射的红外线则警铃大作、并向小区控制中心报警。（4）可视对讲系统该系统是一个内部的可视电话系统，用于居室主人对来访人员身份的确认，小区内部的通话等。（5）紧急求助系统该系统根据需要在居室内多处安装紧急求助按钮，以便主人在遇到窃贼入室、失火、突发疾病等紧急情况下向小区控制中心报警。2、通信自动化通信自动化（CA）包括计算机网络系统、电话系统、闭路电视系统、内部通信系统，其功能是给住户营造一个国内外信息畅通无阻的通信环境。（1）宽带传输网络系统该系统是指搭建一个宽带的入户信息传输网络，住户的计算机只要和这个网络相连就可以宽带上网，享受网络上提供的丰富多彩的服务。（2）闭路电视系统闭路电视系统（CATV）不仅能使用户收看到数量多、图像质量好的国内外电视节目，还可以播放自办节目、发布小区信息等。（3）内部通信系统小区内部通话固然可以采用电话局的市话网，但建立内部通信系统可以降低话费、并且使用方便。内部通话系统可以和可视对讲系统、紧急求助系统合为一个系统。3、管理自动化在安全自动化和通信自动化的基础上，再增加若干管理专用的硬件和软件便可以实现管理自动化。（1）集中控制系统将各系统的信息输入到主控计算机，即可通过主控计算机对小区的各方面实现集中监控。（2）保安巡逻管理系统在小区的巡更路线安装电子签到器，巡逻员利用遥控器签到，控制中心的屏幕能以电子地图的形式显示巡逻员的位置和巡逻次数，从而能检查巡逻员是否按要求的路线和时间进行巡逻，也便于在发生紧急情况时调遣巡逻员。（3）照明控制系统是指走廊、室外等公共场合的照明自动控制系统，功能如下：根据自然光照度的高低，关闭或开启照明灯；根据时间开关照明灯，如深夜以后关闭一部分室外照明灯；走廊的每盏灯都采用声控，做到人来灯亮，人走灯灭；通过程序控制变换照明图案（场景），实现艺术照明。4、布线方案可采用以下方案之一：（1）把原有的只能单工通信的闭路电视网改造为能双工通信的宽带综合业务网。（2）在原有市话网的基础上，采用ADSL或W-ISDN技术，使市话网成为宽带综合业务数字网。（3）单独建网 可单独建立光纤到楼，同轴电缆到户的光纤、电缆混合风（FCC），全部使用光缆成本太高。六、什么是智能住宅？我国住宅的电气化、电子化、改革开放前处在电灯、少量电话和家用电器阶段，改革开放至今是家用电器迅速普及的阶段，今后将逐渐进入智能住宅阶段。智能住宅，也称数字化住宅、电脑住宅，其组成见图8：智能住宅的主要功能有：（1）通信系统能实现宽带上网、可视电话、闭路电视或卫星电视，水表、电表、煤气表的数字能自动远传等。（2）空调系统室外设置温度、湿度、风力、风向传感器，传感器和室内计算机相连，计算机根据室外气候条件控制室内的空调和窗户，达到主人的要求。（3）家用电器控制系统一方面在室内范围内，用无线技术集中控制家用电器：如，主人只要按动遥控器上的“休息”键，整个住宅便进入休息状态；主要灯光关闭、只留下走廊、厕所处的微弱灯光，家用电器关闭、只留下空调系统，保安系统进入一级警戒状态。另一方面，用电话可以遥控家用电器，如下班前遥控空调系统启动，一回家就能感受到舒适的环境。（4）灯光控制系统根据主人活动的不同（读书、会客、家庭舞会等），对各种灯进行调整、营造不同的灯光场景。主人外出快回到家时，通过遥控，使住宅灯火通明、音乐绵绵，欢迎主人的归来。（5）保安系统家庭成员的面孔信息被输入到计算机，计算机采用模糊识别技术，将非家庭成员拒之门外。门窗处装有移动物体（人体）探测器，一有非法者闯入，便铃声大作，同时自动向保安部门报警。保安系统还包括有害气体报警系统，如利用气敏传感器检测煤、燃气等燃烧时产生的能使人中毒的一氧化碳气体并报警。（6）消防系统利用烟、热、光等传感器预报火灾，发生火灾时灭火系统自动启动。（7）身体检查系统同抽水马桶相连的体检装置自动分析大小便的情况，将食指伸入马桶旁的血压计内，便能测出血压和脉搏。上述数据均自动输入电脑，有异常时计算机会提醒主人就医。智能住宅的控制装置是由主控计算机、负责局部控制的微电脑、负责采集信息的传感器、控制执行设备、无线传输装置等部分组成。美国、日本等国家已建成试验性智能住宅，我国不少高新技术企业正在涉足这一领域。天线天线热力表煤气表电表水表数 据 采 集 模 块双绞线通信接口家电控制家用电器电力线 家 庭 智 能 控 制 器家用电器PSTN报 警 接 收 模 块UPS电源无线遥控器CCD摄像头烟雾探测器煤气泄露探测器紧急求助按钮门磁开关玻璃破碎探测器红外对射报警器热释红外报警器家庭智能单元 控制转换器 RS-22大屏幕显示器 计算机 打印机 物业管理中心 图8 智能住宅的构成