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第一章绪论

智能建筑（IntelligentBuildings）是现代建筑技术与现代通信技术、计算机网络技术、信息处理技术和控制技术相结合的产物。

它是以建筑为平台，兼备通信、办公、建筑设备自动化，集系统结构、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个高效、舒适、安全、便利的建筑环境。

因此，智能建筑成为当代建筑的主要特征。

智能建筑主要包括三大系统，即通信网络系统（CNS）、办公自动化系统（OAS）和楼宇自动系统（BAS），这三大系统又包含有各种功能的子系统，并通过系统集成使这些系统有面结合起来，实现综合管理、资源共享。

众所周知，智能建筑在我国的兴起与发展，不过十多年时间，但发展迅速，目前向住宅小区智能化延伸，并已成为现代建筑发展的重要市场。

最近几年，未来的楼宇被人们认为将会是充满了各种各样的智能设备。

楼宇控制网络中的传感器、执行器、阀门等都是智能的，楼宇的基础设施能无缝隙的将数据网和控制网连接起来，形成整体的楼宇网络。

在九十年代中，人们逐渐对楼宇自控中信息的传递形成了新的概念：

智能设备-传感器、执行器形成能自主的控制环境即智能的温度传感器、电灯开关、窗帘、电梯按钮、读卡机等能混合一体的工作。

网络-新一代的智能设备能无缝隙的将各种网络如国际互联网、企业网或楼宇的广域网、局域网等连接起来。

全球联网-随着网络、设备和系统的发展,用户能在世界上任何地方,任何时间对智能楼宇网络上任何一点进行远程访问。

整体的楼宇网络概念已不再是一个对将来的期望,今天它正在发生中。

提供智能设备、子系统和系统的厂家正在如指数般的成长。

这种推动力主要来自于业主们，他们对楼宇物业集成度的要求越提越高，这也是合理的。

因为在今天，楼宇自控子系统如门禁、闭路电视、电梯、空调暖通、保安和消防中的智能产品都已问世了。

正因为种种要求的不断更新，今天更为智能化的建筑要求迫使我们要掌握更高的系统概念。

而今天我们的毕业设计是根据智能楼宇集成管理系统的集成要求，设计一个智能楼宇系统。

各弱电系统的数据通过下位DDC用LonWorks软件连接，为物业管理系统和办公自动化系统提供强大的数据基础，管理人员可以轻松舒适地管理各个弱电系统，使大厦的运营成本得到有效的下降。

这些也是现代人工智能起到了计划、组织、指挥和协调而日益增涨的能力，从而真正的实现整个大厦各种类型楼宇设备的协调运行。

使其高效地利用智能建筑中的各种资源，真正达到一体化、智能化，充分发挥各个楼宇设备系统的潜力。

1.1楼宇自控的未来发展

现在虽然这许许多多的智能产品正在导致楼宇子系统的逐渐更新,但真正的整体的楼宇网络系统仍然少见。

生产厂商们一方面表示他们全面向开放性系统靠拢,但另一方面又限制互操作性产品的发展，因为他们惧怕一个标准网络通信协议和真正的开放性结构所带来市场变化。

大公司愿意维持现状是因为他们是既得利益者。

许多大厂商们在他们的底层设备采用了LonWorks技术，是因为他们发现使用LonWorks平台这一经济有效的技术可以实现他们的封闭系统中的设备互通信息,

（1）走向开发性。

今天的楼宇自控行业与昨日的计算机行业有许多的相同之处。

传统的楼宇控制系统也是封闭式的,通常从一家公司购买并由他们安装。

由于这种系统是主从式的控制结构,安装和维修成本都较高且将来的增减、改造和维修都有一定的局限性。

任何在子系统层上的集成都需要有昂贵的网关硬件和专业人员专用的编辑程序来完成。

不幸的是不少的控制系统生产商并不愿意提供真正的开放平台。

而这些也是导致我们的设计没有更好完成的原因。

在外国公司留下来的文件夹中，我们很快的发现了它资料的不完整性。

这中间留给我们思考的东西还很多，也正是因为这样它激起了我们要更好的完成它的使命性。

（2）从后视镜里往前看。

如果我们仔细看看今天楼宇自控厂商们提供上市的各类产品，我们不禁要怀疑这些厂商们是否在后视镜里往前看。

最终用户们要的是对等式的开放系统，不含那些昂贵的、独家的、封闭式的模板和中央控制器及相应的复杂布线、控制程序和维护。

今天的控制设备厂商们希望用他们的昂贵的网关来做集成（达到互操作性）,虽然这些网关可以使子系统达到某一程度的互操作性,但网关限制了终端设备之间的通讯,并使整个系统复杂化了。

智能化的路由器可以解决上述弊病。

路由器使通道之间透明，可从任何地方访问某通道上的某个终端设备。

路由器提高了系统的可靠性,为升级、改变和更换提供了足够的灵活性。

这种路由器的工作方式只是在网络中进行逻辑的隔离而非物理隔离。

当我们这个控制行业采纳了真正的开放性系统时,业主和物业管理人员们才能享受到从不同厂家产品中集成出一个楼宇管理系统的真正好处：

自由选择最高性能价格比的产品、技术和服务；成本也可以在产品的真正生命期中摊销完毕。

我们毕业设计时间为期两个月，在这短时间内，我们对智能楼宇的概念有了质的飞跃。

通过四年的大学学习，我觉得那些都只是我们都楼宇的所有设备设施建立了一个概念，设立了一个平台。

正因有了这么一个平台，我们才能开始飞翔。

通过对LonWorks软件的学习和应用，使得我们打开了我们对楼宇智能化的大门。

把以前觉得想像的东西，通过这个软件，我们比较成功的完成啦！

1.2本论文主要工作

本论文主要工作为设计智能楼宇系统下的两个子系统：

闭路电视监控及周边安放系统和照明系统。

主要任务为设计一个系统使整栋楼宇处于闭路电视监控和安全防范状态，能够随时监控楼宇周边和室内主要通道情况，在设防状态下能够及时发现情况并发出报警；再设计一个照明系统，能够根据周边不同环境和具体要求控制整栋楼宇内的灯的开关和亮度，主要包括使办公室内的灯能根据室外光照度强度来改变亮度，走廊照明根据有无人活动来控制照明的开光，室外照明根据认为设计定时开关，达到节省能源的目的。

主要内容包括设计图纸、程序设计、设备使用和说明，系统设计原理及说明。

第二章楼宇自动化系统的设计

2.1BAS的设计要求和设计标准

楼宇自动化系统（BAS）设计和一般要求是：

对建筑物内各类设备的监视、控制、测量，应做到运行安全、可靠、节省能源、节省人力。

建筑设备监控系统的网络结构模式应采用集散或分布式控制的方式，由管理层网络与监控层网络组成，实现对设备运行状态的监视和控制。

自动控制、监控、测量是BAS的三个基本方面。

所以，对于智能建筑各个建筑设备的设计要素如下：

（1）对空调系统设备、通风设备及环境检测系统等运行工况的监视、控制、测量、记录；

（2）对供配电系统、变配电设备、应急（备用）电源设备、滞留电源设备、大容量不停电电源监视、测量、记录；

（3）对动力设备和照明设备进行监视和控制；

（4）对给排水系统的给排水设备、饮水设备及污水处理设备等运行工况的监视、控制、测量、记录；

（5）对热力系统的热源设备等运行工况的监视、控制、测量、记录；

（6）对公共安全防范系统、火灾自动报警与消防联动控制系统运行工况进行必要的监视及联动控制；

（7）对电梯及自动扶梯的运行监视。

2.2设计步骤

（1）工程需求分析

（2）确定各功能子系统的控制方案

（3）确定系统监控点、前端设备及控制设备（智能控制器）清单

（4）确定控制器的安装位置，绘制出BAS平面图和系统图，并确定系统网络结构和系统软件。

2.3BＡS的供电、接地与线路敷设

（1）楼宇自动化系统的电源要求：

控制室应由变配电所引出专用回路供电，中央控制室内设专用配电盘。

负荷等级不低于所处建筑中最高负荷等级；

通常要求系统的供电电源的电压波动不大于正负10%，频率变化不大于正负1Hz，波形失真率不大于20%；

中央管理计算机应配置UPS不间断供电设备，其容量应包括建筑设备自动化系统内用电设备总和并考虑预存的扩展容量，供电时间不低于30分钟；

（2）现场控制器的电源应以满足下述要求：

I类系统（650-4999点），当中央控制室设有UPS不间断供电设备时，现场控制器的电源由UPS不间断电源以放射式或树干式集中供给。

II类系统（1-649点），现场控制器的电源可由就地邻近动力盘专路供给。

含有CPU的现场控制器，必须设置备用电池组，并能支持现场控制器动作不少于72h,保证停电时不间断供电。

BAS系统的接地一般按产品说明规定的要求执行，如所选产品未明确说明，则应按有关规范关于计算机系统接地的要求处理。

2.4线路敷设

BAS线路通常包括：

电源线、网络通讯电缆和信号线三类。

电源线一般采用BV-（500）2.5

铜芯聚氯乙烯绝缘线。

网络通讯电缆采用同轴电缆（有50、75、93Ω等几种）和双绞线。

信号线一般选用线芯截面1.0

或5

的普通铜心导线或控制电缆。

BAS线路均采用金属管、金属线槽或带盖板的金属桥架配线方式。

网络通讯线和信号线不行与电源线共管敷设，当其必须作无屏蔽敷设时，间距不小于0.3m，如敷于同一金属线槽，需设金属隔离。

高层建筑内，通信干道在坚井内与其他线路平行敷设时，应按上述规定处理（同轴电缆可采用难燃塑料管敷设）。

条件允许时应单设弱电信号配线竖井。

每层建筑面积超过1000m或延长距离超过100m时，宜设两个竖井，以利分站布置和数据通信。

水平方向布线宜采用：

天棚内的线槽方式；地板上的架空活动地板下或地毯下配线方式以及沟槽配线方式；楼板内的配线槽试；房间内沿墙配线方式。

第三章LonWorks总线技术介绍

3.1LonWorks的神经元芯片

LonWorks技术的核心是神经元芯片（NeuronChip）。

该芯片内部装有3个微处理器:

MAC处理器完成介质访问控制;网络处理器完成OSI的3～6层网络协议;应用处理器完成用户现场控制应用。

它们之间通过公用存储器传递数据。

在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。

这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O等。

神经元芯片还有一个时间计数器,从而能完成Watchdog、多任务调度和定时功能。

神经元芯片支持节电方式,在节电方式下系统时钟和计数器关闭,但状态信息（包括RAM中的信息）不会改变。

一旦I/O状态变化或网线上信息有变,系统便会激活。

其内部还有一个最高1.25Mbps、独立于介质的收发器。

由此可见,一个小小的神经元芯片不仅具有强大的通信功能,更集采集、控制于一体。

在理想情况下,一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为DCS系统中一个独立的控制单元。

3.2完善的开发平台

LonWorks提供的不仅仅是一套高性能的神经元芯片,更重要的是,它提供了一套完整的开发平台。

工业现场中的通信不仅要将数据实时发送、接收,更多的是数据的打包、拆包、流量处理、出错处理。

这使控制工程师不得不在数据通信上投入大量精力。

LonWorks在这方面提供了非常友好的服务,提供了一套完整的建网工具——LonBuild。

首先,它提供了一套C语言的编译器,从而大大减少了开发时间。

在这个编译器中,提供了对11个I/O非常详尽的库函数。

在通信方面,它也提出了一个全新的概念——网络变量。

通过网络变量,网络上的通信只需将相关节点上的网络变量连接一下即可。

网络变量是应用程序定义的一个特殊静态变量,可以是ANSIC所定义的各种类型,也可以是自定义类型,还可以规定优先级、响应方式等。

网络变量被定义为输入或输出,当定义为输出的网络变量被赋予新值时,与该输出变量相连的输入网络变量就会被立刻赋予同样的新值。

另外,LonBuild还集成开发环境和编译于一体,具备C调试器,可在多个仿真器上调试应用程序,并具备网络协议分析和通信分析的功能。

3.3LonWorks与现场总线

按照国际电工委员会（IEC）的叙述,把低级或底层的工业数据总线定名为现场总线。

其基本要求包括:

以串行通信的方式取代传统的4～20mA的信号传输,并且一条现场总线可为众多的可寻址的现场设备实现多点连接;支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用介质交换信息;现场总线的协议在物理层和链路层与OSI模型有相同的含义。

目前,一些公司、厂商所推出的现场总线产品,其基本要求大体与上述内容类似。

从前面对LonWorks的分析介绍可以看出,LonWorks的性能覆盖了IEC关于现场总线的推荐规范,而且应用更加灵活。

①神经元芯片是一个很好的低成本的现场总线处理器。

它处理现场互联的全部任务,还能处理现场传感器、执行器的动作,以及简单的数字逻辑运算等现场任务。

②以IEEEP1118（ver3.0）制定的现场总线功能要求为例,与LonWorks的性能做一比较:

在物理层上的比较见表2,在链路层上的比较见表3,在应用层上的比较见表4。

③LonTalk是OSI参考模型面向现场对象应用的一个子集。

它比现场总线历来推荐的功能覆盖面更广,如支持多介质、大网络。

这为工厂制造自动化的测、控、管一体化提供了全局性的解决方案,而且都可通过固化有LonTalk协议的神经元芯片实现,只需用一个神经元和某种网络的专用控制器相连构成的桥接器同生产管理级、厂级互联。

另外,它比现场总线以往提供的应用服务更友好、更方便,用户只需按对象来定义和连接网络变量。

④LonWorks支持各种拓扑结构,不限于总线,选择不同的收发器可构成星形、环形、树形或混合形结构;而寻址由协议来解决,这样现场互联更加灵活。

综上所述,LonWorks是一种全新的现场总线。

它为全分散式的现场设备提供了可互操作的控制网络,已获得世界上140多个公司、组织的确认,并组成LonMark协会。

目前,有1500家组织选择它,在各行各业成功地构成了应用系统。

LonWorks总线技术的DCS系统结构图：

图1LonWorks总线技术的DCS系统图

3.4DDC控制器应用

3.4.1DDC系统

直接数字控制系统（DirectDigitalControl简称DDC），计算机通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。

因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。

DDC系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。

DDC（Directdigitalcontrol）直接数字化控制，是一项构造简单操作容易的控制设备，它可借由接口转接设备随负荷变化作系统控制，如空调冷水循环系统、空调箱变频自动风量调整及冷却水塔散热风扇的变频操控等，可以让空调系统更有效率的运转，这样，不仅为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下运行，从而延长设备的使用寿命以及达到提供舒适的空调环境和节能之目的。

可实现高度集中的数字控制，DDC采用全光电隔离、电源电压监视、瞬间脉冲干扰抑制、数字滤波、看门狗等多种抗干扰措施，可靠性高，性价比高，操作筒单，多用于中央空调，新风机组，给排水换热站等机电没备温度、湿度、压力、流量等测量控制。

在集散控制系统中，通常用作现场直接控制器,通过通讯总线与中央控制站联络

3.4.2DDC与集散型控制系统

集散型计算机控制系统主要由如下四部分构成：

传感器与执行器，DDC（直接数字控制器），通讯网络，中央管理计算机。

通常，中央管理计算机（或称上位机、中央监控计算机）设置在中央监控室内，它将来自现场设备的所有信息数据集中提供给监控人员，并接至室内的显示设备、记录设备和报警装置等；DDC作为系统与现场设备的接口，它通过分散设置在被控设备的附近，收集来自现场设备的信息，并能独立监控有关现场设备。

它通过数据传输线路与中央监控室的中央管理监控计算机保护通信联系，接受其统一控制与优化管理。

中央管理计算机与DDC之间人信息传送，由数据传输线路（通信网络）实现，较小规模的BAS系统可以简单用屏蔽双绞线作为传输介质。

作为BAS系统的末端为传感器和执行器，它是装置在被控设备的传感（检测）元件和执行元件。

这些传感元件如温度传感器、相对温度传感器、压力传感器、流量传感器、电流电大传感器、液位检测器、压差器、水流形等，将现场检测到的模拟量或数字量信号输入至DDC，DDC刚输出控制信号传送给继电器、调节器等执行元件，对现场被控设备进行控制。

图2集散型控制系统基本组成

DDC（DirectDigitalController），意为直接数字控制器，又称下位机。

顾名思义，直接数字控制器的“控制器”系指完成被控设备特征参数与过程参数的测量，并达到探微目标的控制装置；“数字”的含义是该控制器利用数字电子计算机实现其功能要求；“直接”意味着该装置在被控设备的附近，无需再通过其他装置即可实现上述全部测控功能。

因此，DDC实际上也是一个计算机，它应具有可靠性高、控制功能强、可编写程序，既能独闰监控有关设备，又可联网通过通信网络接受中央管理计算机接受控制与优化管理。

3.4.3DDC控制的原理和功能

该控制器的主要特点是其计算机配有各种形状量与模块量的输出及输入接口处理模块。

输入模块负责将来自传感器等的常规模拟量或开关量输入信号转换成该计算机可接受的数字量；输出模块负责将计算机发出的数字式控制指令，转变成可驱动执行器动作的常规模拟量或开关量电信号，由于其任务是直接负责现场控制，所以也称为是下位机或I/O控制站。

功能：

（1）现场数据的周期性采集。

（2）采集数据的处理（滤波、放大和转换）。

（3）控制算法与运算。

（4）执行控制输出。

（5）监控层及其他站点进行数字交换，向中央操作站传送各种采集、控制和状态信息，接受并执行中央操作站（上位机）的控制命令。

3.4.4DDC选型

HW-BA5201DDC控制模块是智能楼宇控制系统的一部分，它采用LonWorks现场总线技术与外界进行通讯，具有网络布线简单、易于维护等特点。

它可完成对楼控系统及各种工业现场标准开关量信号与模拟量信号的采集，并且对各种模拟量以及开关量设备进行控制。

（1）HW-BA5201DDC的特点

具有11路通用输入端口，可采集多种类型的模拟量信号与不同电平的开关量信号，并对其进行不同方式的处理。

具有4路开关量输出端口，可输出多种形式的开关量控制信号。

具有2路模拟量输出端口，可对各种模拟量控制设备进行控制。

具有2路通用输出端口，可输出模拟量或开关量控制信号。

控制器内部集成多种软件功能模块，通过相应的Plugin，可对其方便地进行配置。

控制器内部集成有空调控制功能模块，可对温度、湿度与风阀进行手动或自动调节。

控制器内部集成有事件日程功能模块，通过配置，可分别对6路开关量控制设备进行定时启停。

控制器内部集成有状态机功能模块，通过配置，可实现各种不同的逻辑组合功能。

控制器内部集成有机组运行时间累计模块，可对某一开关量设备的运行时间进行累计。

通过配置，可使控制器内部各软件功能模块任意组合，相互作用，从而实现各种逻辑运算与算术运算功能。

（2）HW-BA5201DDC的技术特性

1.工作电压：

DC24V，允许范围：

DC21.6V～26.4V或AC17V

2.工作电流：

500mA

3.网络协议：

LONTALK

4.通讯介质：

双绞线（推荐使用：

KeystoneLonWorks16AWG（1.3mm）Cable）

Service网络安装

5.I/O数量：

11个UI，4个DO，2个UO，2个AO

6.输入信号类型：

AI0~5VDC，0~10VDC，0~24VDC，4~20mADC，10K电阻温度传感器模拟量信号，10位A/D

DIDC5V，DC12V，DC24V有源开关量信号

输入保护：

信号输入口具有防反接与过压保护功能

7.输出信号类型：

DO触点容量250VAC/5A，具手/自动转换开关，输出为常开或常闭选择

AO0~10VDC，具手/自动输出转换开关，10位D/A

UO可作DO/AO输出用，具手/自动输出转换开关

DO：

触点容量250VAC、5A，输出为常开或常闭选择。

AO：

0~10VDC，10位D/A。

8.使用环境：

温度：

-10℃～+55℃

相对湿度：

10%～95%，不凝露

9.储存环境：

温度：

-40℃～+70℃

相对湿度<95%RH，不凝露

10.外形尺寸：

234mm×104mm×27mm

（3）结构特征与工作原理

1．结构特征：

HW-BA5201DDC控制模块主要由CONTROLMODULE板、主板和外壳等组成，其外观示意图如图3所示：

图3HW-BA5201DDC外观示意图

2．HW-BA5201DDC说明

a.指示灯：

维护灯（黄色）：

正常监控下不亮，下载程序时闪亮。

电源灯（红色）：

模块上电后常亮。

DO1~DO4：

工作状态指示灯（绿色），相应路继电器吸合时亮。

UO1~UO2：

工作状态指示灯（绿色），相应路继电器吸合时亮。

b.按键：

维护：

维护键。

复位：

复位键。

DO1~DO4，UO1、UO2，AO1、AO2：

自动/强制输出转换按键，按键按下时相应路为强制输出。

c.电位器：

手动调节AO1、AO2，UO1、UO2：

调节相应端口的输出电压值。

3.工作原理：

HW-BA5201DDC控制模块的硬件部分主要由电源整流、电源变换、神经元模块、按键、指示、A/D变换、DO驱动以及D/A变换等8部分组成。

电源整流将无极性24V直流电源转换为有极性直流24V电源；电源变换电路将输入24V电压变换为5V输出电压，电压变换芯片采用LM2575；神经元模块为CPU；A/D变换芯片采用TLC1543，具有11通道，10位精度；D/A变换芯片采用TLC5617，具有2通道，10位精度；DO驱动电路采用ULN2803芯片，该芯片片内具有8个大电流达林顿开关，能驱动电流高达500毫安的负载，片内的反向二极管起钳位保护作用。

两个按键一个为复位键，一个为SERVICE键。

指示灯一个为电源指示，一个为SERVICE。

第四章某智能楼宇闭路电视监控及周边安防系统和照明系统的设计

4.1闭路电视监控及周边安防系统

4.1.1系统概述

电视监控系统（CCTV）是在利用前端摄像机获得视频信号源，并通过同轴电缆、双绞线、光纤或微波等信号传输到监控中心，监控中心的后端设备将获得的信号进行处理、显示和存储等构成完整的监控系统。

闭路电视监控系统能实时、形象、真实地反映被监控对象，不但极大地延长了人眼的观察距离，而且扩大了人眼的机能，它可以在恶劣的环境下代替人工进行长时间监视，让人能够看到被监视现场的实际发生的一切情况，并通过录像记录下来。

闭路电视监控系统是智能楼宇安防系统的一个重要组成部分，是一种先进的，防范能力极强的综合系统。

采用摄像机对被控现场进行实时监视，能实时、形象、真实地反映被监控的对象，使得保安人员在控制室中能观察到大楼内所有重要地点的情况，为保安系统提供了视听觉效果，为消防、防盗和楼内各种设备的运行和人员活动提供了监视手段，极大地提高了管理效率和自动化水平。

周边安防系统的技术防范是在小区周边设置探测器或利用画面移动侦测技术，探测任何试图非法进入小区的行为，一旦发生非法进入行为，系统联动现场和控制室声光报警器，给入侵者以威吓并通知保安人员进行处理，同时自动启动24小时不间断录像保存系统，及时记录现场的入侵行为，以备查询分析，寻找可疑线索。

两系统作为智能安防系统的一部分，成为智能楼宇安全自动化的基本组成模块。

本系统采用半数字化监控系统结构。

半数字化监控系统是在模拟监控系统上发展起来的，既有模拟部分又有数字部分，其视频图像生成、