智能型住宅自动控制与管理系统应用研究

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 随着计算机技术、现代通信技术、自动控制技术的迅速发展，智能化建筑在世界应运而生。智能小区在智能化大楼基础上扩展和延伸出来的，人们通过对小区建筑群的四个基本要素（结构、系统、服务、管理）进行优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的人居环境。为适应我国加快住宅建设发展，增强住宅建设的科技含量的要求，我国 在继“解困”、“安居”工程后，又加大了小康工程的力度。“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”作为国家重大科技产业项目棗“2000年小康城乡科技产业工程”的专题，就是这一背景下提出的。“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”是哈尔滨工业大学（原哈尔滨建筑大学）承接的项目，由哈尔滨工业大学和北京德达数据系统有限责任公司合作开发。该项目采用LONWORKS技术开发研究并在住宅示范小区工程中试运行。1、对住宅居住环境（湿度、湿度）及设备进行监控；2、住户三表（水表、电表、煤气表）远传；3、住户三防（防火、防灾、防盗）；4、厨房设备监控；5、卫生间排风控制。这些功能用LON总线一节点实施，即每一住户为一LON节点，然后再用棗服务器管理各个用户的节点构成LON总线系统。该项研究已在北京翌景嘉园示范小区通过试运行，下面对其自评估如下：一、攻关的任务、考核目标及主要技术指标：经过论证，我们在专题合同中将各种指标定位在：本专题的攻关任务：研究智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统，该系统包括两项任务，其一是开发家用管理软件，其二是开发家庭智能控制装置，实现对居室温度、湿度进行自动调节；对厨房用具进行时序控制；对卫生间的排风进行控制。而家用电脑管理软件要对家庭设施进行管理并提供若干家政服务程序。 

  本专题的考核目标：提供具有居室空调、厨房监控、卫生间自动排风功能的微机控管装置一套；提供家用电脑管理软件一套；住宅温、湿度等参数应满足智能住宅规定标准；在示范工程中应用该项成果。    本专题的技术经济指标：温度、湿度等主要被控参数应满足智能小康住宅标准（温度18℃～28℃，湿度30％～70％）；系统运行可靠。    在进行该项专题的进一步研究的过程中，结合当前先进技术的发展以及我国智能住宅发展状况，在原有的合同的基础上，我们对家庭智能控制器又增加了三表远传、安防等功能。二、专题执行情况评价本专题按两个部分实施，即家庭智能控制器和家用电脑管理软件的研究：1、家庭智能控制器（1）功能本专题所开发的家庭智能控制器即智能节点具有4路模拟输入，12路数字输入，12路数字输出，其所实现的功能如下：通过对室内温度监测，得到实际温度与设定温度比较：当实际温度低于设定温度一定值时，在夏季关空调，在冬季开暖气；当实际温度高于设定温度一定值时，在夏季开空调，在冬季关暖气。温度控制达到智能小康住宅规定标准：18～28℃。    通过对室内湿度监测，得到实际湿度与设定湿度比较：当实际温度高于设定温度一定值时，关加湿器；当实际湿度低于设定湿度一定值时，开加湿器。湿度控制达到智能小康住宅规定标准：30～70 ％。    对三表实行脉冲计数，并发送到上位机。    当门磁或红外报警时，在设防状态下，声光报警和自动拨号器启动，并有报警信号传到上位机。    玻璃破碎报警时，声光报警启动；在设防状态下，自动拨号器启动：有报警信号传到上位机。    紧急按钮报警时，自动拨号器启动，并有报警信号传到上位机。    排风扇按钮控制排风扇，排风扇运行一段时间自动关闭。    烟感探头报警时，煤气闭阀器关闭，声光报警和自动拨号器启动，并有报警信号传到上位，此外，通过判断烟感探头输入信号可识别探头是否有故障。    煤气泄漏报警时，排风扇启动，煤气闭阀器关闭，声光报警和自动拨号器启动，并有报警信号传到上位机。    探头复位输入控制火灾探头掉电复位及开启煤气闭阀器。    通过上位机运作，可以控制厨房设备按一定时序启动。    温度的设置可以通过上位机或者设定按钮实现。    湿度的设置可以通过上位机或者设定按钮实现。    与本专题预期目标相比，我们在设备监控的基础上，增加了安防功能，三表远传功能；我们经过认真研究，考虑研发产品的应用和推广，我们单片机来完成这些功能，而是采用了先进的现场总线棗LON总线。（2）应用的LONWORKS技术特点本专题采用了LONWORKS技术进行开发，该技术有如下特点：开放性：网络协议开放，对用户平等；    通信媒介的多样性：可采用任何媒介进行通信，如双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外等，并且同一网络可以有多种通信媒介；    互操作性：其通信协议Lontalk是符合ISO定义的OSI 模型，任何制造商的产品都可以实现互操作性；    网络拓扑：有星型、总线型、环型以及自由型；    网络结构：主从式、对等式或客户/服务式结构；    通信的每帧有效字数可从0至228个字节；    通信速率可达1.25MB/S，此时有效距离为130M；78KB/S的双绞线，直线通信距离可达2700M；    其技术核心器件棗Neuron芯片内部装有三个8位微处理器、34种I/O对象和定时器以及LONTALK通信协议等。该芯片具有通信和控制功能。    近年来，该技术在国内外的智能建筑领域都得到了应用和发展，其开发工具平台强大，开发者在短期内就可以完成开发工作；在韩国、日本、澳大利亚、加拿大等国都已经利用该技术完成多项工程；并且，总体来看，该技术适用于中国，而且还在无线扩频等方面有继续加强的潜力，能在家庭智能系统上有更大的突破。（3）解决的技术关键功能集成：在目前智能住宅产品中，实现单一功能（如抄表、安防）的产品很多，本装置将三表收费、三防、厨房设备监控、室内环境监测、卫生间排风扇控制等功能集成在一起，真正实现了功能集成。    采用了Lonworks技术：Lonworks 技术作为先进的总线技术，在本专题得以采用，将会更有利于家庭智能控制装置的推广。    模拟量的引入：从长远来看，将模拟量引入智能住宅将是必然，而目前国内几乎没有智能住宅产品将其引入，本装置将模拟量引入，也体现装置的前瞻性。    软件编程语言采用Neuron C语言，利用该语言事件驱动任务的特点，增强了装置的实时性。    本装置可灵活组态：如果用户不需要该模块中的模拟输入，我们就会在设计硬件电路时预留出端口，而不焊接模数转换模块，这样可为用户省下投资，也为其将来扩展做好准备；12路数字输入点被开关量或脉冲信号来触发，其可以配置成电表水表煤气表输入，可以配置成安防信号输入，也可以是二者结合；12 路输出只是一个开关信号，也可根据实际情况进行灵活配置。    与目前系统集成商所提出智能小区方案相比，本专题将家用电脑引入家庭智能控制系统来管理家庭设施。    住宅节能：我们认为，智能住宅在提供给人们安全、舒适的环境的同时，也应将节能的概念引入智能住宅中。在本专题中，我们对卫生间排风采取实时控制，使其在满足室内排风要求的同时做到节省电能；我们通过对室内温度的设定，在不同季节内对空调或供暖设备进行控制，使其在一定的条件下工作，当达到预期要求时，立刻停止工作，进而达到节能的目的。    模数转换通信匹配问题：在本专题中，我们利用Max186芯片对采样的温湿度信号进行模数转换。Max186芯片具有12位精度，其与LONWORKS技术的neurowire方式进行通信需要匹配，本专题解决了这个问题。    本专题所开发出来的家庭智能控制器比较成熟，可作为产品投入市场，并且，该家庭智能控制器已经在北京翌景嘉园使用。与目前国内同类产品相比，其性能价格比是最优的（具体情况见效益分析）。2、家用电脑管理软件家用电脑管理软件是在Delphi5.2平台上开发而成，其功能、设计特点如下：（1）功能提供家庭生活服务信息。主要有：医疗保健知识、家庭菜肴、点心制作方法及饮食科学知识、女性美容装饰常识、花鸟鱼种值饲养方法、旅游知识、保险知识及家庭生活中的一些常用信息等。    提供家庭事物管理手段。这部分主要内容有：家庭财务、亲友通讯录、个人档案管理。    该软件通过网卡直接对家庭设施进行管理：三表计费、设备状态显示、厨房设备时序控制、温湿度设定。    （2）软件特点：是软、硬件技术成功结合的典范：考虑到“小康住宅”的特点，将计算机硬件、软件技术相结合，通过LON 控制模块成功地实现了对住宅内的环境监测及设备监控。    实用性强：在本软件中，我们以科学实用为原则，从医学、美食、旅游、保险、美容装饰、花鸟鱼种植饲养、财务管理、通信录管理等方面为用户提供了及其丰富的生活服务信息，以便为用户的工作、学习提供更多的方便。    易学易用：在软件开发过程中，我们在不影响功能及生动性的前提下，尽量使界面简洁、直观，并具有逻辑性，从而使得用户容易掌握软件的思路及操作方法。    三、成果应用前景及效益分析建筑业是国家的支柱产业，住宅建设占总房产建设投资的80％左右，国家十分关注住宅建设，继“解困”、“安居”工程后，又努力实施“小康”工程。为了加大“小康”工程力度，国家把“2000年小康城乡科技产业工程”列为国家重大科技产业项目。可见，投身于住宅小区智能化以及相关产品的研发，既有利于推动建筑业的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。1、国内智能小区市场预测随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术等高新技术的延伸，智能建筑应运而生。智能小区是智能大厦的基本含义中扩展出来的。以1999年为例，国家在99年对住宅的投资1700～1800亿元人民币，根据建设部对小区初、中、高三个等级的划分，小区智能化为住宅小区总投资的1％～3％。以此比例计算，则仅99年度对小区智能化的需求就达17～54亿元人民币，而随着住房体制改革的不断深入及人们对住宅环境要求的不断提高，该数值还会将大幅度提高。由此可见，小区智能化市场前景广阔。2、本专题的实用性及前瞻性“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”作为2000年小康城乡科技产业工程“的一个专题，该项研究应用LONWORKS技术开发并在住宅示范小区工程中试运行。该家庭智能控制器具有很强的灵活必一，根据用户需要，可以进行灵活配置，例如：如果用户不需要该模块中的模拟输入，我们就会在设计硬件电路时预留同端口，而不焊接模数转换模块，这样可为用户省下投资，也为其将来扩展做好准备；12路数字输入点被开关量或脉冲信号来触发，其可以配置成电表水表煤气气输入，可以配置成安防信号输入，也可以是二者结合；12路输出只是一个开关信号，也可根据实际情况进行灵活配置。总之，该家庭智能控制器即适合现在智能住宅的要求，也会在一定程度上满足将来发展的需要。我们开发的家庭智能控制器再加上各种传感器构成的控制系统，其价格为4000元左右，即每个住户用于智能化投资在4000元左右，与当前国家制定普及型智能住宅价格（5000元）相比，相对价位下降20％；而从长远来看，随着人民生活水平的提高以及家庭智能控制器各类相关器件价格的下调，大多数用户对智能化的投资是可以接受的，并且其所带来的各种效益是无法估量的。4、本专题的社会效益本专题是以小康住宅智能化宗旨，旨在为人们提供舒适、安全、健康的环境。这一方面提高了人们生活水平，另一方面也为人们的高效率快节奏提供了条件。智能住宅设施的自动控制和管理，既需要相关行业的支持，也促进相关行业的发展。智能住宅建设的兴起，将使许多相关企业投入建筑市场，又为许多人提供了就业机会。此外，对于生产智能控制器的厂商来说，他们在推广应用这项成果中，将会获得可观的经济效益。四、专题调协的科学性和合理性的后评估本专题设置的科学性和合理性可从以下几方面反映出来：1、专题在智能小区的地位智能小区在智能化大楼的基础上扩展和延伸出来，人们通过对小区建筑群的四个基本要素（结构、系统、服务、管理）进行优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的人居环境。从以上的定义可以看出，人们通常提出的智能大厦的3A（建筑设备自动化 、办公自动化、通信自动化）或5A（在“3A”的基础上加上安防自动化和防火自动化）也适合智能小区，所以智能小区的“智能”很大一部分都体现在其自动化的程度。此次国家制定的该课题与以往课相比，其对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（厨房设备的自动化以及模拟量的引入随着人民生活的提高也将会被人们接受）。总之，本专题对智能小区“智能”的研究，在智能小区的整体研究中起着相当重要的作用。2、未来市场走向笔者认为，建筑业是国家的支柱产业，住宅建设将占房产建设投资的80％左右，其中对智能小区投资占总房产建设投资的8～24％，在这种背景下，国家将会进一步加大对智能化建筑的投资。由于智能小区的概念是近几年才形成的，单个功能或系统如抄表、报警功能在一些住宅小区中已经有些应用，但是还没有哪个厂家能够推出从总体上设计和规划成熟的智能小区网络化综合管理系统，目前的市场还处于群龙无首阶段。此时，国内市场急需一种性能价格比较高的智能化产品，这时研究智能型住宅家庭设施控制和管理系统将有更重要的意义。3、用户需求随着生活水平的提高，一方面，人们对住宅的追求不仅仅局限于外表的装饰，人们对住宅的智能已经有了初步的认识；另一方面，在一些发达的城市中已经出现智能小区并为人们所接受。此时研究本专题开发出适合人们要求的智能化产品也具有很重要的意义。4、科技含量可以说智能小区是随着计算机技术、通信技术、自动控制等的发展而提出和发展起来的。智能小区的“智能”也可理解成为其科技含量，其科技含量的高低反映了智能小区智能化的水平。本专题所采用的LONWORKS技术是最近几年内流行的先进的现场总线技术，运用该项技术研究本专题并开发出基于该技术的产品，将更有利于该产品的推广，并且随着LONWORK技术本身的改进和提高，智能化产品也利于更新换代。总之，“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”专题的完成，一方面，为家庭设施智能化的可行性提供了依据；另一方面，也为制定家庭设施智能化规范提供了参考。并且，本专题开发出来的成果正在转换成产品，这进一步证明了专题设置的科学性和合理性。五、经费决算和经费使用评价国家科委为“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”专题攻关拨款10万元，于1999年9月拨款到哈尔滨建筑大学，课题组将其分成两个子项实施，即智能家庭控制装置和家用电脑管理软件，经过一年多的研发，现已完成。其经费使用情况如下：   收入   支出       科目 实际数（万元） 科目 金额（万元）    单位自筹 2 仪器设备费 1.5    国家拨款 10 材料费 0.5     加工费 0.5     试验费 1.0     管理费 3.0     劳务费 2.0     软硬件费 1.0     调研费 1.5     其他 1.0    合计 12 合计 12    2、经费使用评价本专题的研究采用LONWORK技术，并要求在示范小区试运，这样做可保证技术的先进性和成果的推广。但应用该技术必须在其开发平台上完成，我们没有（国内仅少数单位具有）开发工具，该开发系统由美国ECHLON公司专卖，价值二十万元。其次选择示范小区，也要花费相当数量的费用。面对这两项主要开销，国家科委下拨的十万元是明显不足的。为了解决经费的不足，我们采取如下措施：（1）将该专题分成两个子项，即智能住宅家庭控制装置和家用电脑管理软件。其中智能住宅家庭控制装置由于采用LONWORKS技术，我们决定采用合作开发的办法，而家用电脑管理软件采用自主开发，经费分项使用。（2）选择北京德达数据系统有限责任公司作为合作伙伴，主要原因是该公司作为国内智能建筑领域起步最早的企业之一，其在智能建筑科研、设计、安装颇具实力，并且还备有开发技术产品的成套设备。与该公司合作，他们可提供开发设备和安装调试条件，我们出技术、人力，这样做就不需购买专题开发用的设备，也就节省了这笔大的开销。（3）确定北京翌景嘉园示范小区作为试运点，该智能住宅小区是北京德达数据系统有限责任公司承接工程，其中有该公司科研、开发、实验样板间，利用该样板间提供的条件（其中包括智能住宅的多种传感器），可以节省现场安装调试所需的硬件费用。（4）本着节省的原则办事情，由于合作单位、示范小区均在北京，而我们在哈尔滨，两地的差旅费将要占科研经费的三分之一，我们利用北京德达数据系统有限责任公司提供给校方人员的食宿条件以及按每次出差要集中高效办事的原则，使差旅费的花销仅用原计划的一半。由于利用以上一些措施，使得该项目实际用费基本与国家科委拨款持平。六、存在的问题目前，国内没有一个完整的智能小区规范，这为定位智能住宅的功能带来一定难度，本专题对家庭智能控制装置的功能是结合我国智能小区现状及各种技术资料定位的，并且对每个家庭所配置节点数还有待进一步研究。在本专题中，由于目前厨房设备的种类和数量的不可预测性，我们仅定义了两个厨房设备，并对其进行一定的时序控制，对厨房设备数量及实时监控还需深入探讨；家庭智能控制装置对设备控制只局限于开关控制，对设备的进一步控制有待于进一步研究。现在智能家电已被一些厂家生产，各种智能家电产品的标准因厂家的不同而不同，并且国家没有固定的标准，这为将来将其集成在家庭智能控制系统中带来一定的难度。此外，由于家庭智能控制器所采用的各种元器件大部分是国外产品，无形中增加了成本价格。