基于WSN的智能建筑综合控制系统研究.pdf

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1、第 J 9卷第 7 期 2 0 0 9年 7月 计 算 机 技 术 与 发 展 C O MPUTER TECF I NOI )(Y A DEVEL()P M NT、，o 1 1 9 N o 7 J u 1 2 0 0 9 基于 WS N的智能建筑综合控制系统研究 汪小龙，2，。，方潜生，葛运建2，张伟林3，周学海4 (1 安徽建筑工业学院 智能建筑安徽省重点实验室，安徽 合肥 2 3 0 0 2 2；2 中国科学院 合肥智能机械研 究所 机器人传感器实验室，安徽 合肥 2 3 0 0 3 1；3 建筑节能安徽省工程技术研 究中心，安徽 合肥 2 3 0 0 3 1；4 中国科学技术大学 信息科

2、学技术学院，安徽 合肥 2 3 0 0 2 6)摘要：研究智能建筑中“智能”的实现条件，和传感信息在“智能”中的重要作用；分析了现有智能建筑综合控制系统在“智能程度”、“信息资源成本”、“系统扩充与开放性”等方面的严重缺陷，给出了采用无线传感器网络(WS N)的解决方案；按照基于 WS N的方案，建立的智能建筑综合控制系统，集分布式信息获取、多层信息融合、海量知识存储、集中式智能决 策于一体。研究 目的是为建筑节能控制提供系统平台。初步的研究结果表明：该方案“智能”程度高、功能扩展容易、节约 布线成本、维护方便，是智能建筑领域值得推广的重要研究方向。关键词：智能；传感信息；无线传感器网络；智能

3、建筑综合控制系统 中图分类号：T P l 8 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 6 2 9 X(2 0 0 9)0 7 0 0 4 8 0 4 Re s e a r c h o n I n t e g r a t e d Co nt r o l _。S y s t e m o f I n t e l l i g e nt -Bu i l di ng Ba s e d o n W S N WA NG X i a o-l o n g ，-，F A NG Qi a n-s h e n g ，G E Yu n j i a n 2，Z HA NG We i l i n 3，Z HO U X u

4、e-h a i (1 A n h u i P mv i n d a l Ke y L a b o r a t o r yo f I n t e l l i g e n t B u i l d i n g，A n h u i Un i v e r s i t yo f A r c h i t e c t u r e，H e f e i 2 3 0 0 2 2，C h i n a；2 S e l 1 S()r L a r a t o r y，I n s t i t u t e o f I n t e l l i g e n t Ma c h i n e，C h i n e s e Ac a d e

5、 my o f S c i enc e s，He f e i 2 3 0 0 3 1，Ch i n a；3 En g i n e e r i n g Tech n o l o g y Re s e a r c h C e n t e r o f En erg ys a v i ng B u i ld i ng，An h u i P rov i n ce，He f e i 2 3 0 0 3 1，C h i n a；4 S c h o o l o f I n f o r m a t i o n S c i enc e&Te c h n o l o g y，Un i v e r s i t y o

6、 f S c i e n c e a n d T ech n o lo g y o f C h i n a，H e f e i 2 3 0 0 2 6，C h i n a)A b s t r a c t：T h e p r e c o n d i t i o n o f“I n t e l l i g e n c e”in i n t e l l i g e n t b u i l d i n g(I B)i s k u s e d i n t h i s p a p e r，a n d t h e 8 e ll o r in f o r ma t i o n i s a r g u e d

7、t O b e imp o r t a n t tO“I n t dl l g e n c e”；Se ri o u s d e f e c ts o f“lo w in t e l l i g e n t l e v e l”。“wa s t e o f i n f o r ma t i o n”a n d“p o o r e x p a n d a b i l i t y”o n e x i s t ing in t e g r a t e dc o n t r o l s y s t e m(i c s)o f I B a r e a ml y d，a n d s o l v i ng

8、s c h e ma b a s e d O I3 wi r e l e s s s e f l s o r n e t w o r k(WS N)f o r t h e s e d e f e c ts i s p r e s e n t ed；I nt he s c h e ma b a s e d o nWSN。“dis t r i b u t ed i n f o r ma t io na c q u i s it i o n”。“mu l t i l a y e r d a t af u s i o n”，“l a r g e k n o wle d g eb a s e”，a n

9、d“c e nt r a l i z e d i n t e l l i g en t d eci s io n”a r e i n i n t e g r a t ed in t h e I CS 0f I 3 P r e l imi n a r y r e s e a r c h r e s u lt s h ows：t h is sch e me is hig h i n“i n t e l l i g e n c e”l e v e l，e a s y tO d e v e lo p f u n c t ion，eco n o my t o l a y o u t，c o n v en

10、i ent t o ma i n t e n a n c e I t is a l l i mp o r t a n t r e s e a r c h d i r e c t io n f o r I B t h a t d e s e r v e s tO p o p u l a r i z e Ke yw o l d s i n t e l l ig enc e；s e n s o r i n f o r ma t io n；w i r e le s s s e n o r n e t wo r k；in t e g r a t ed。c o n t r o l s y s t em o

11、 f in t e l l i g e n t b u i l d i ng O 引 言 智能建筑，是具有感知、计算、控制和通讯能力的 综合智能体 1 一 。分布在智能建筑各个角落传感器，收稿 日期：2 0 0 81 02 1；修回 日期：2 0 0 9 0 2 一l 5 基金项 目：国家 自然科学 基金重点 项 目(5 0 5 3 4 0 5 O)；安 徽省 高校 自 然科学基金重点项 目(2 0 0 6 K J 0 2 1 A)：安徽 建筑工 业学 院博 士基金(2 0 o 40 3 9)作者简介：汪小 龙(1 9 7 2一)，男，安徽无为人，博士，副教授，研究方 向为信息获取、智能建筑等

12、；方潜生，博士，教授，博士生导师，研究 方向为智能建筑、计算机控制、计算智能等。构 成了强大的感知网络；中央控制 器和大量分 散布 置 的嵌入式计算节点，构成了智能建筑的各级计算和控 制中心；密布的有线、无线传输通道，构成了智能建筑 的 内外部通讯 系统。无线 传 感 器 网 络(WS N，Wi r e l e s s S e n s o r N e t w o r k)，集感知、运算、无线通讯、简单控制功能于一体，具有易安装、易管理、全信息、高可靠性等优点，在军 事、民用领域有巨大的应用价值l-4 1 1 。将 WS N引入 智能建筑领域，是传感器网络从有线到无线发展的必 然趋势，也是 WS

13、 N技术在民用领域的重要应用，能够 大大提高智能建筑控制系统性价比、灵活性，大大降低 第 7期 汪小龙等：基于WS N的智能建筑综合控制系统研究 4 9 安装的难度和维护成本。1 智能建筑与 WS N领域现状 1 1 智能建筑简介 世界第一座智能建筑 1 9 8 4年诞生于美 国 H a r t f o r d 市，该大厦采用计算机监控空调、电梯、照明、防盗 等设备，为客户提供语音通信、文字处理、电子邮件和 情报资料等信息服务，由于在出租率、投资回收率、经 济效益等方面取得 巨大成功，在世界各 国相继形成智 能建筑热潮l 1-3 J。通常意义上的智能建筑，是指利用系统集成方法，将传感器技术、计

14、算机技术、通信技术、控制技术与建 筑技术有机结合，通过对环境和设备的自动监控，对信 息 资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑的优 化组合，所获得的投资合理，适合信息社会要求并且具 有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。据估测，美国本土的智能建筑超过万幢，日本新建 大厦中的 6 0 达到智能化要求。在我国的台、港、澳 地区，建筑的智能化程度较高；大陆地区的智能建筑发 展相对较晚，典型的智能大厦 目前 主要集中在北京、上 海、深圳和广州；在其它经济较发达的省市如浙江、江 苏，智能建筑领域 目前正处于积极发展阶段l l J。1 2 无线传感器网络研究现状 美国 技术评论 2 0 0 3年

15、2月评出的未来十大新 技术，传感器网络名列第一【1 2 j。同年 8月 2 5日出版 美国 商业周刊 也预测：传感器网络将成为未来高 技术产业 四大顶梁柱之一。传感器 网络的发展经历了 从模拟到数字、从有线 到无线 的发 展过程，WS N是 目 前各国积极研究的热点。近年来，美国国家 自然基金委会()、美 国国防 部国防先进技术研究计划署()、美国陆军研究 实验室(A R L)，一直把 WS N作为一个重要研究投资 领域；工业巨头 I n t e l、微软、惠普、Mo t o r o l a 也积极与高 校、研究机构合作，展开 WS N方面的研究工作，E l 本、韩国、英国、意大利等国家的科研

16、人员，也纷纷展开了 该领域 的研究工作 4-1 1 J。世界各地的科学家在不同的软硬件平台上进行了 大量细致的工作。实力强大的科研团队，如加州大学 B e r k e l e y 分校(U C B)机器人与智能机械实验室、加州 大学 洛杉矶分校(U C L A)嵌入式传感 器网络 中心(C E N S)、G e o r g i a 工学院宽带无线 网络实验室(B wN t a b)等，开展了从底层硬件平台(h a r d w a r e p l a t f o r m)、操作系统(O S)、中间件(m i d d l e w a r e)到专用开发语言(P r o g r a m L a n

17、g u a g e)、系统仿真(S i mu l a t o r)、协议(P r o t o c o l s)、信息融合(D a t a F u s i o n)等一系列的研究。我国大陆地区以中科院沈 阳所、中科院智能所、清 华大 学、哈 尔 滨 工 业 大 学 为 代 表 的科 研 机 构 和 高 校E 8 ，、我 国台湾和香港地 区的科研 机构 也积极开展 了相关的研究工作。2 智能建筑综合控制系统与建筑智能实现 2 1 建筑中的智能与传 感器“智能”一词广泛用于现代社会的各个领域，那么，什么是智能?2 0 0 1 年，瑞 士物理学 家 J o s e p h Wa k e l i n g

18、与 P e r B a k在美国物理学会(A P S)会刊(P h y s i c a l R e v i e w)中发 表研究论文指出：一个生物体的智能，仅仅与其如何解 决环境加诸于其上的问题的能力有关。这个智能的描 述，到底是科学论断，还是一家之言呢?早在 1 9 8 9年，我国科学家周远清、张再兴、许万 雍、贾培发在 智能机器人 一书中，就已经做出了类似 的论断 1 3】：智能机器人的“智能”特征，就在于它具有 与外部世界对象、环境和人相协调的工作机能。很显然，智能最基本的条件是：能够感知外部世 界，正确应对环境变化。在某种程度上，拥有传感器的 数目、种类以及获取传感信息的能力，从某个侧

19、面影射 出现代科技的智能程度。例如，1 9 6 1 年的美 国阿波罗 1 O 号飞船，就已经能够对 3 2 9 5个测量参数进行监测，被称作“高性能传感器的集合体”。2 2 智能建筑综合控制系统 与 2 0 世纪 6 0年代的阿波罗 1 0 号一样，现代的智 能建筑也同样是“高性能传感器的集合体”。澳大利亚 昆士兰(Qu e e n s l a n d)大学建筑 环境 中心(C e n t e r f o r t h e B u i l d E n v i ron m e n t)研究表明】，一个功能相对完善的 家庭，通常需要几百个传感器。一栋大型的智能建筑，往往使用了成千上万个各种功能的传感

20、器。这些物理范围离散分布的传感器，能够获取现代 建筑中的各类敏感参数，为建筑 自身的智能决策提供 实时、可靠的信息。据不完全统计，现代建筑中常用的 传感器，能够获取包括温度、湿度、烟感、空气成分、声 音、电磁、红外、紫外、C C D、门磁、燃器、闸门离合、光 强、压力、加速度、振动位移等在内的信息。目前，这些 功各异的传感器分布在智能建筑控制各个子系统，如 表 1 所示。表 1 涉及智能建筑的部分子系统。在传统的建筑 电气系统中，这些子系统的功能通常相对独立，不同的 科研、生产、施 工单位 互相 独立 完成 子 系统 构建。目 前，智能建筑研究专家正在试图将这些子系统综合集 成，从而实现系统级

21、势态估计与事故防范，即建立“智 能建筑综合控制系统”。第 7期 汪小龙等：基于 WS N的智能建筑综合控制系统研究 5 J -*WS N 网关。具 有较 强 的信 息 转发 与通 讯 能 力，能够进行复杂信息融合、存储、路由，同时适合大数 据量的信息获取。WS N网关间构成有线对等网，实现 信息共享。*控制服务器。对传感数据进行挖掘得到知识，通过知识激活，形成智能，实现势态估计(事故预报)和 主动防范。系统特点：*分布式信息获取；*多层信息融合；*海量知识存储；*集中式智能决策；*各子系统之间没有明确的物理 划分，子 系统 的 逻辑划分体现在控制服务器的进程 中。系统的优点：*容易扩展系统功能

22、。随着智能建筑的不断推 广和使用，新的功能和需求会不断 出现。WS N是无线 自组织网，布置传感器节点非常方便，其它的工作就是 增加软件模块。*系统“智 能”程度高。WS N 获取的信 息全 面，控制服务器数据存储量大，处理器功能强大。*节约布线成本。*系统维护方便。任何一个 WS N节点失效，更 换极其容易。3 结束语 如图 1 所示的“智能建筑综合控制系统”，已建成 多年并且运行 良好。目前，如图 2 所示“采用 WS N的 图 3 WS N节点 图4 无线传 感器网络大规模复合 实验 系统 智能建筑综合控制系统”框架基本 建成，部分 WS N节 点(如 图 3 所示)已经 研制成功。如图

23、4 所示的“无线传感器网络大规模复合实验 系统”已经研制成功，文中方案的优点得到初步验证。该系统具有 自主知识产权，目前国内未见相关成 功先例。在该 系统 中，WS N节点 可 以实现 远程控 制、在线编程，任意一个 WS N节点的传感信息都可以远 程监控。该系统的研制成功，为研究 WS N的系统整 体特性、实现软硬件的优化设计提供了实现平台，为进 一步深入的工作打下了坚实基础。参考文献：1 郭维钧，何志修，施鉴诺 建筑智能化技术基础 M 北京：中国计量出版社，2 0 0 1 2 甄军涛，尹金玉，王广生，等 智能建筑现状和发展趋势研 究 M 中国建筑电气设备选型年鉴 2 0 0 5 2 0 0

24、 6：1 4 5 1 4 8，北京：学苑音像出版社，2 0 0 5 3 陆伟良 亚洲智能建筑现状及其发展 J 工程设计 C A D 与智能建筑，2 o 0 2(6)：3 4 3 6 4 A k y i l d i z I F，Wa n g X u d o n g，Wa n g We i l in Wir e l e s s Me s h N e t w o r k s：A S u r v e y E J C o m p u t e r N e t w o r ks J o u rnal(E ls e v i er)，2 o 0 5，4 7(4)：4 4 5 4 8 7 5 A k y i l

25、d iz I F，S u We i li a n，S a n k a r a s u b r a m a n i a m Y，e t a1 A$u r v e y o n s e n s o r n e two r ks J 1 E E E Com mu n i c a t i o m Ma g a z i n e，2 0 0 2，4 J D(8)：1 0 2 1 1 4 6 Me y e r S，R a imt o n i r a i n y A A s u r v e y o f r e s e a r c h o n c o n t e x t a w a i e h o m e s C

26、 P r o c e e d i n g s o f t h e A u s t r a l a s i a n i n f o r ma t i on s e c u r i t y wo r k s h o p c o n f e r e n c e 0 n A f r o n t i e r s 2 0 0 3 一 V o lu m e 2 1 A d e l a i d e，A ust r a l i a：s n ，2 0 0 3：1 5 9 1 6 8 7 K a r l H Wi l l i g A A s h o r t s u r v e y o f w i r e l e s

27、 s s e n s o r n e t w o r ks R C IL 2 0 0 3 0 8 h t t p：w w w t i m t U b e r l i n d e p u b l i-c a t i o n s p a p e r s h Re p o r t 一 0 3 0 1 8 r x t f 8 任丰原，黄海宁，林闯 无线传感器网络 J 软件学报，2 0 0 3，1 4(7)：1 2 8 2 1 2 9 1 9 曾鹏，于海斌，梁英，等 分布式无线传感器网络体系 结构及应用支撑技术研究 J 信息与控制，2 0 0 4，3 3(3)：3 0 73 1 3 1 0 李建中，李金

28、宝，石胜 飞 传感器 网络及其数据管理的概 念、问题与进展 J 软件学报，2 0 o 3，1 4(1 0)：1 7 1 7 1 7 2 7 1 1 马祖长，孙怡宁，梅涛 无线传感器网络综述 J 通信学 报，2 0 0 4，2 5(4)：1 1 4 1 2 4 【1 2 3 1 0 e m e r g i n g t e c h n o l o g ie s t h a t w i l l c h a n g e t h e w o r l d，I ech，n dR e v E B O L 2 0 0 4 h t t p：w w w p r i n c e t o n e d u -r w e i s s i n t h e n e ws M I T T R To p 1 0 f o r 一 一 2 0 0 4 p c t f 1 3 周远清，张再兴，许万雍，等 智能机器人系统 M j E 京：清华大学出版杜，1 9 8 9