智能建筑相关技术的一体化教程

智能建筑是在现代建筑技术的基础上，融合了现代控制技术、现代计算机技术和现代通信技术。自20世纪90年代以来，通信网络技术日新月异地发展，如光纤通信技术、多媒体通信技术、IP宽带技术、蜂窝移动通信技术、高速计算机网络及网络互联技术、接入网技术、智能网技术相继问世。可视电话、可视图文、视频会议、无绳电话、VSAT卫星、ADSL和以太网宽带接入等新的通信业务不断推出，使得智能建筑中通信网络系统的内容十分丰富。

1.计算机控制技术基础与案例

计算机控制技术是计算机技术与自动控制技术相结合的产物，是构成智能建筑设备自动化系统的核心技术之一。

（1）计算机控制系统 自动控制的任务是连续控制被控对象的物理量按预定规律变化。为达此目的，采用反馈信息构成闭环控制系统，如图1-26所示。控制元件将被控对象测量值反馈到输入端，与给定值进行比较，得到的偏差信号送控制器，控制器经分析判断后经执行机构对被控对象进行调节，直到被控参数满足预定要求为止。

图1-26 闭环控制系统框图

将图1-26中的控制器用计算机来代替，即可构成计算机控制系统，基本框图如图1-27所示。由于计算机的输入和输出信号都是数字信号，因而系统中必须有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的D/A转换器。

图1-27 计算机控制系统框图

计算机控制系统由计算机、接口电路、外部通信设备和生产过程等组成，如图1-28所示。

计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等，它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。

1）硬件部分。硬件主要包括主机、外围设备、过程输入/输出设备、人机联系设备和通信设备等。由于要求不同，组成的硬件也不同，可根据系统要求进行扩展。

①主机。主机是计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器（RAM、ROM）组成。主机箱、主机板、主机延长器及主机机房等如图1-29所示。主机根据过程输入设备送来的反映生产过程的实时信息，按照内存储器中预先存入的控制算法，自动地进行信息处理与运算，及时地选定相应的控制策略，并且通过过程输出设备立即向生产过程发送控制命令。因此，主机的选用将直接影响到系统的功能及接口电路的设计等。

②过程输入/输出设备。它是主机与生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带，过程输入设备包括模拟量输入通道（AI通道）和开关量输入通道（DI通道）。AI通道先把模拟量信号（如温度、压力、流量等）转换成数字信号再输入，DI通道直接输入开关量信号或数字量信号。过程输出设备包括模拟量输出通道（AO通道）和开关量输出通道（DO通道），AO通道把数字信号转换成模拟信号后再输出，DO通道直接输出开关量信号或数字量信号。过程输入/输出设备还必须包括自动化仪表才能和生产过程（或被控对象）发生联系，这些仪表有信号测量变送单元（检测仪表）和信号驱动单元（执行器）等。

图1-28 计算机控制系统组成

a）组成示意图 b）拓扑图

图1-29 计算机主机

a）主机箱 b）主机板 c）主机延长器 d）主机机房

③通用外围设备。常用外围设备按其功能可分为输入设备、输出设备和存储器。输入设备用来输入程序、数据或操作命令，如键盘终端。输出设备如打印机、绘图机、显示器等，以字符、曲线、表格、画面等形式来反映生产过程工况和控制信息。外存储器有磁盘、磁带等，兼有输入和输出两种功能，用来存放程序和数据，作为内存储器的后备存储设备。

④人机联系设备。操作员与计算机之间的信息交换是通过人机联系设备进行的，如显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等。其作用有三：一是显示生产过程的状态；二是供生产操作；三是显示操作结果。人机联系设备也称为人机接口，是人与计算机之间联系的界面。

⑤通信设备。用于不同地理位置、不同功能的计算机或设备之间进行信息交换。

2）软件部分。软件是指完成各种功能的计算机程序总和。软件又可分为系统软件和应用软件两大类型。

①系统软件。一般包括操作系统、汇编语言、高级算法语言、过程控制语言、数据库通信软件和诊断程序等，系统软件是由厂家提供的。

②应用软件。一般分为过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印程序和公共服务程序等，以及控制系统组态、画面生成、报表曲线生成和测试等工具性支撑软件，大部分应用软件由用户根据需要进行开发。

3）计算机控制系统工作原理。计算机控制系统的控制过程通常可归结为下述两个步骤：

①数据采集。对被控参数的瞬时值进行检测，并传给计算机。

②控制。对采集到的被控制参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律决定控制过程，适时地对接收机构发出控制信号。

上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督，同时做出迅速处理。

对连续量的变化过程进行控制，要求控制系统能满足实时性要求，即在确定的时间内对输入量进行处理并做出反应。超出这个时间，控制就失去了意义。

（2）计算机控制系统的结构形式及分类

1）计算机控制系统的结构形式。一般可分为集中式系统、集散式系统和现场总线控制系统等几种形式。

①集中式系统（CCS）。由单一的计算机控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制的一种系统结构。智能建筑不采用这种结构。

②集散式系统（DCS）。该系统由被控设备处的现场控制器完成对被控设备的实时监测与控制任务，特征是集中管理、分散控制，克服了集中控制带来的危险性及高度集中和常规功能单一的局限性。智能建筑BAS产品中大多使用该系统结构。

③现场总线控制系统（FCS）。它突破了DCS中通信由应用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于分开化、标准化的解决方案，即可把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的功能；同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身即可实现基本控制功能。

2）计算机控制系统的分类。计算机控制系统可分为操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统和分散控制系统四种类型。

①操作指导控制系统。该系统构成如图1-30所示，图中模拟量输入通道主要由信号变换器、多路切换开关和A/D转换器组成，用来采集模拟信号。开关量输入通道主要由光电耦合器和数字量输入单元组成，用来采集开关触点信号。

该系统为开环控制系统，计算机的输出设备与生产过程没有直接联系，控制动作是由操作人员接受计算机的指示去完成的，计算机通过模拟量输入通道和开关量输入通道采集到实时数据以后，根据一定的控制算法（数学模型）计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案，操作人员根据CRT或打印机输出的操作指导信息去调节控制仪表，从而实现对生产过程的控制。

②直接数字控制系统（DDCS）。该系统的构成如图1-31所示，计算机通过AI和DI采集实时数据，再按一定的控制规律进行计算，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，DDCS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。所谓直接数字控制，是指以微处理机为基础，不借助模拟仪表而将系统中的传感器或变送器的输出信号直接输入微型计算机中，经微机按预先编制的程序计算处理后直接驱动执行器的控制方式。这种计算机称为直接数字控制器，简称DDC控制器，这也是目前楼宇智能化技术中最常用的控制器。

图1-30 操作指导控制系统

图1-31 直接数字控制系统

DDCS中的计算机直接承担着控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。为充分发挥计算机的利用率，一台计算机通常要控制几个或几十个回路，因此必须合理设计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。工业生产现场环境恶劣、干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行，因此，必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使之能适应各种工业环境。

③监督计算机控制系统（SCCS）。SCCS构成如图1-32所示。

SCCS采用两级计算机，其中DDCS用计算机（称第一级）完成上述直接数字控制功能，SCCS用计算机（称为第二级）则根据反映生产过程工况的数据和数字模型进行必要的计算，给DDCS用计算机提供各种控制信息，比如最佳给定值和最佳控制量（如高效、低消耗、低成本）等。

DDCS用计算机与生产过程连接，直接承担控制任务，因而要求其可靠性高、抗干扰强，并能独立工作，一般选用模板机或微型机作为DDCS用计算机。

图1-32 监督计算机控制系统

SCCS用计算机承担高级控制与管理任务，信息存储量大，计算任务重，一般选用高档微型机或小型机作为SCCS用计算机。

SCCS结构有两种形式：一种是SCCS+DDCS，另一种是SCCS+模拟调节器控制系统，本文中为SCCS+DDCS。

④分散控制系统（DCS）

DCS系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上分为若干层，分别完成控制、监督和管理的功能。

（3）计算机控制系统应用案例

【案例1】 采用计算机控制的智能交通控制系统无线通信方案

随着城市车辆的增加，人、车、路三者关系的协调已成为交通管理部门所面临的重要问题。城市交通控制系统是面向全市的交通数据监测、交通信号灯控制与交通诱导的计算机控制系统，它是现代城市交通监控系统中重要的组成部分，主要用于城市道路交通控制，如图1-33所示。

图1-33 智能交通控制系统

【案例2】 一卡通系统的建设

将智能卡的强大功能和计算机网络的数字化理念融入企业中，将企业中原先相对独立的身份认证（员工卡）、门禁管理、考勤管理、会议签到、日常生活消费、员工宿舍管理、厂区（库房）巡更管理、水电节能、人事管理、临时访客等各个系统或者事项联为一体，利用一张卡来实现身份识别、消费等功能，并由系统建立统一的身份信息库，为与其他企业资源规划、办公自动化系统的互联互通打好基础，极大地方便职工，提高企业的安全和管理水平，提升企业的形象。企业一卡通系统拓扑图如图1-34所示。

企业一卡通系统的建设目标：

1）建立企业各类管理人员、员工和各种组织机构基本的、统一的信息化标准，强化集中式的信息规范管理，促进企业的人事规范化管理和企业的信息化建设。

2）建立符合企业信息化建设整体规划需求的“一卡通”数据平台，实现相关数据信息的集成及共享。

图1-34　企业一卡通系统拓扑图

3）企业内所有的证件都由员工智能IC卡代替，实现身份识别的数据共享。

4）实现员工卡、考勤、门禁、通行身份认证、会议签到、电子巡更、消费、水电节能、人事管理等功能。

5）在企业一卡通系统基础数据总平台的基础上，通过系统预留的扩展接口和智能控制可以实现与企业现在已运行的各类管理信息系统（如人力资源管理、生产管理、企业资源规划、财务管理等管理系统）、OA系统的信息互通，形成全公司范围的数字化管理空间和共享环境，动态实时地反映企业的生产运作情况和统计分析数据，增强领导科学决策的依据，提高企业管理水平。

企业一卡通的总体设计思想是只给使用者每人一张非接触智能卡，使该卡同时具有员工身份证件、工作证、电子钥匙、电子钱包、考勤卡等多种功能，让持卡者在企业内部一卡通行，办公、生活方便快捷，让管理者轻松便利、一目了然，充分享受智能科技给日常工作与生活带来的快捷、高效、安全和舒适。

一卡通系统功能总体分为图1-35所示的四类应用。表1-4 为一卡通子系统内容。

图1-35 一卡通系统功能

表1-4 一卡通子系统内容

2.计算机网络技术基础

计算机网络技术与通信技术的结合是智能大厦的核心技术，涉及通信网络系统、办公自动化系统和建筑设备自动化系统，延伸到大厦的各个楼层及角落。计算机网络系统已成为智能大厦及楼宇自动化的重要基础设施之一。

（1）计算机网络概述

1）计算机网络的认知。计算机网络是通过通信设备将地理上分散的多个计算机系统连接起来，按照协议互相通信，达到信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。

计算机网络由主机、终端、网络节点、通信链路等网络元素组成，如图1-36所示。从逻辑功能上看，一个网络可以分为资源子网和通信子网。

图1-36 计算机网络组成

a）计算机网络组成示意 b）计算机网络设备连接示意

资源子网由主机、终端及相关软件组成。

通信子网由负责信息数据传输和交换等通信处理的设备、线路组成。

从层次上分，资源子网是高层的概念，通信子网是基层的概念。以太网或公用电信网等从要领上讲都属于通信子网的范畴。

2）计算机网络的基本功能。计算机网络一般都具备表1-5所列的基本功能。

表1-5 计算机网络的基本功能

3）计算机网络的特点。

①互联群体。计算机网络是多个计算机系统互联而成的一个群体，这些系统在地理上是分散的，小到一间办公室就可容纳（如局域网），大到遍布一个国家甚至全球（如因特网）。

②共同的网络协议。进行通信的每台主机都是独立工作的，它们需要遵循共同的网络协议才能协同工作。

③经通信设施实现系统互联。系统互联需要通过各种有线、无线或卫星等通信线路及相关设备组成的通信设施实现。

④系统通过相互通信进行信息交换、资源共享、互操作及协作处理。

（2）计算机网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构是通过网络节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。计算机网络的拓扑结构既有规则的总线型、环形，也有不规则的网形，前者多见于局域网，后者多见于广域网。这主要是由于局域网的覆盖范围小，在设计上可以更多地从保障传输效能上着眼。而广域网的范围太大，各地理区域的经济、地形条件等对于网络拓扑有影响的因素彼此都有很大差异，因此，对拓扑结构就不能强求像局域网一样规则分布。

在现代智能建筑中主要使用局域网，网络的拓扑结构主要有星形、总线型、环形、树形、混合型和网形，如图1-37所示。

图1-37 网络的拓扑结构

a）星形拓扑 b）总线型拓扑 c）环形拓扑 d）树形拓扑 e）混合型拓扑 f）网形拓扑

拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有下列几点：

①可靠性。尽可能提高可靠性，以保证所有数据流能准确接收。还要考虑系统的可维护性，使故障检测和故障隔离较为方便。

②费用。建网时需考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。

③灵活性。需要考虑系统在今后扩展或改动时能容易地重新配置网络拓扑结构，能方便地处理原有站点的删除和新站点的加入。

④响应时间和吞吐量。要为用户提供尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。

1）星形拓扑。星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成，目前流行的专用交换机——程控交换机（PBX）就是星形拓扑结构的典型实例。

其优点如下：

①控制简单。在星形网络中，任何一站点只和中央节点相连接，因而媒体访问控制方法很简单，致使访问协议也十分简单。

②故障诊断和隔离容易。在星形网络中，中央节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

③方便服务。中央节点可方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。

其缺点如下：

①电缆长度和安装工作量大。因为每个站点都要和中央节点直接连接，需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。

②中央节点的负担较重，易形成瓶颈。一旦发生故障则全网受影响，因而对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。

③各站点的分布处理能力较低。星形拓扑结构广泛应用于网络的智能集中于中央节点的场合。从目前的趋势看，计算机的发展已从集中的主机系统发展到大量功能很强的微型机和工作站，在这种形势下，传统的星形拓扑的使用会有所减少。

2）总线型拓扑。总线型拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播，而且能被所有其他站所接收。

其优点如下：

①总线结构所需要的电缆数量少。

②总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性。

③易于扩充，增加或减少用户比较方便。

其缺点如下：

①总线的传输距离有限，通信范围受到限制。

②故障诊断和隔离较困难。

③分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能，站点必须是智能的，要有媒体访问控制功能，从而增加了站点的硬件和软件开销。

3）环形拓扑。环形拓扑网络由站点和连接站点的链路组成一个闭合环，每个站点能够接收从一条链路传来的数据，并以同样的速率串行地把该数据沿环送到另一端链路上。

其优点：

①电线长度短。环形拓扑网络所需的电缆长度和总线型拓扑网络相似，但比星形拓扑网络要短得多。

②增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。

③可使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环形拓扑的单方向传输。

其缺点如下：

①节点的故障会引起全网故障。这是因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点，一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障。

②故障检测困难。这与总线型拓扑相似，因为不是集中控制，故障检测需在网上各个节点进行，因此故障检测困难。

③环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。

4）树形拓扑。树形拓扑是从总线型拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。

其优点如下：

①易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能便捷地加入网内。

②故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来。

其缺点如下：各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。从这一点来看，树形拓扑结构的可靠性有点类似于星形拓扑结构。

5）混合型拓扑。将上述的某两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑称为混合型拓扑结构。一种是星形拓扑和环形拓扑混合成的“星-环”拓扑，另一种是星形拓扑和总线型拓扑混合成的“星-总”拓扑。其实，这两种混合型在结构上有相似之处，若将总线型结构的两个端点连在一起也就成了环形结构。这种拓扑的配置是由一批接入环中或总线的集中器组成，由集中器再按星形结构连至每个用户站。

其优点如下：

①故障诊断和隔离较为方便。一旦网络发生故障，只要诊断出哪个集中器有故障，将该集中器和全网隔离即可。

②易于扩展。要扩展用户时，可以加入新的集中器，也可在设计时在每个集中器留出一些备用的可插入新的站点的连接口。

③安装方便。网络的主电缆只要连通这些集中器即可，这种安装和传统的电话系统电缆安装很相似。

其缺点如下：(www.xing528.com)

①需要选用带智能的集中器。这是为了实现网络故障自动诊断和故障节点的隔离所必需的。

②像星形拓扑结构一样，集中器到各个站点的电线安装长度会增加。

6）网形拓扑。网形拓扑在广域网中得到了广泛的应用，它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。由于节点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失效的部件或过忙的节点。这种结构虽然比较复杂，成本也比较高，提供上述功能的网络协议也较复杂，但由于它的可靠性高，仍然受到用户的欢迎。

结论：不管是局域网还是广域网，拓扑的选择需要考虑诸多因素：网络既要易于安装，又要易于扩展；网络的可靠性也是考虑的重要因素，要易于故障诊断和隔离，以使网络的主体在局部发生故障时仍能正常运行；网络拓扑的选择还会影响传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确定，这些因素又会影响各个站点在网上的运行速度和网络软、硬件接口的复杂性。

3.现代通信技术基础与案例

现代通信技术基础是实现大厦内部、大厦与大厦以及大厦与国内、国外信息交流不可缺少的关键技术，它在作为未来信息高速公路网站主节点的智能大厦中的地位和作用不言而喻。现代通信的内容涵盖了多媒体通信、计算机通信网络、个人通信、数字图像通信、移动卫星通信程控交换、信息高速公路、语音信箱与电子信箱等。通信网络正在由模拟走向数字，由单一业务走向综合业务，由服务到家到服务到人，由电气通信走向光通信，由封闭式的网络结构走向开放式网络结构。

（1）信息高速公路的组成 信息高速公路由干线、支线和节点构成，它是在光纤干线上将信息（如图像、声音、文字等）转换成数字信号，再经切换送到支线（电缆或电话线）上，最终送到节点（用户终端）。

1）干线部分。干线部分是信息高速公路的骨架，是局域网、有线网、数据网、无线网和程控网之间的桥梁。其中，局域网包括校园网、小型企业的信息网等；有线网包括有线电视、图文电视等；数据库包括图书资料、电子书刊以及各种信息数据等组成的数据网；无线网包括卫星通信、微波通信以及移动通信组成的无线寻呼、电话网、程控交换网等。

2）支线部分。支线部分构成某个局域的现代化信息环境。以校园网为例，它可提供图书资料服务、文件服务、打印服务、行政信息管理等功能。

3）节点部分。节点部分包括各种信息的发送和接收设备，构成用户的信息环境。按照信息环境的差异，可以分为各种不同的用户，如办公室信息环境、家庭信息环境等。

（2）信息高速公路案例 某商场的网上购物为信息高速公路应用案例，如图1-38所示。

图1-38 信息高速公路应用案例

a）网上购物 b）实物图

购物操作指导：在关键字中填写产品名进行搜索。

下拉菜单中有5项内容可供选择：

“供应信息”⇒得到搜索产品的所有供应信息；

“求购信息”⇒得到搜索产品的所有求购信息；

“产品目录”⇒得到搜索产品的所有商品样品的列表；

“公司库”⇒得到搜索产品的所有公司的介绍；

“行业资讯”⇒得到搜索产品的所有新闻资讯。

如果所需产品专业特殊或者比较冷僻，可以到华典信息高速公路寻找商业伙伴和服务人员的帮助。

（3）信息高速公路的特点 信息高速公路具有“六化一性”的特点：

1）高速化。速度和容量接近正比例关系。

2）数字化。容量大、成本低、抗干扰性强、失真度小、保密性好，便于与计算机连接。

3）网络化。通信平台和应用信息体系配合便构成了网络，用户的多元“信息媒体”通过应用信息体系置入公用“平台”。

4）小型化。在三维空间的大幅度活动要求个人携带设备小型化。

5）多媒体化。采用多媒体计算机，使多媒体共存，实现综合双向传输。

6）多样化。即功能的兼容性。

7）双向性。在通信过程中，可对信息处理的全过程随时干扰或介入。

4.BA系统的检测技术基础

在智能建筑中，应用到大量检测设备（传感器）及执行机构设备，在智能楼字内对各种物理量的检测和控制的执行与这些设备的运行状态密切相关。

（1）BA系统的检测技术 自动检测技术是以微电子技术为基本手段的检测技术，归纳起来可以分为两大类：一类是对电压、电流、阻抗等电量参数的检测；另一类则是运用一定的转换手段，把非电量（如温度、强度、压力、流速等）转换为电量，然后进行检测。将非电量转换为电量的器件，通常称为传感器。传感器在自动检测技术中占有极为重要的地位，在某些场合成为解决实际问题的关键。非电量自动检测单元的基本结构用图1-39描述。

图1-39 非电量自动检测单元的基本结构

BA系统检测仪表应选用标准化、系列化和通用化产品。考虑现场环境条件的影响，根据先进可靠、经济和实用的原则进行选择，以确保检测的准确可靠。

1）传感器的定义及组成。

①传感器（即检测器）的定义。传感器是一种能把特定的被测量（包括物理量、化学量、生物量等）信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。

传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多种形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

②传感器的组成。传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

2）传感器的分类。传感器的种类繁多，应用领域极其广泛，可从不同角度进行分类，具体情况见表1-6。

表1-6 传感器的分类

除按表1-6分类外，还可按构成敏感元件的功能材料分类，如半导体传感器、陶瓷传感光纤传感器、高分子薄膜传感器等。或与某种高技术、新技术相结合而得名的，如集成传感智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。不同传感器的外形如图1-40所示。

图1-40 各种传感器的外形图

3）传感器的技术要求。作为测量与自动控制系统的首要环节，传感器必须满足如下基本要求：

①灵敏度高，精度适当。即要求其输出信号与被测输入信号成确定关系（通常为线性），且比值要大，传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。

②足够的容量。传感器的工作范围或量程足够大，具有一定的过载能力。

③适用性和适应性强。体积小、质量轻，动作能量小，对被测量对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰和影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。

④响应速度快，工作稳定，可靠性好。

⑤使用经济。成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。

（2）典型参数的检测

1）电参数的检测。电参数的检测主要是对电压、电流、功率、阻抗和波形等参数的测量，通常采用以下设备和方法进行。

①直流电压、电流的测量。测量方法有多种，在测控系统中采用数字化测量方法，如图1-41所示。

图1-41 直流电压、电流的测量

a）实物图 b）框图

测量原理：被测电压U经放大器进行放大或衰减，以达到标准的电压范围，实现量程变换（单极性的如0～5V或0～10V，双极性的如±5V、±10V），变换的标准电压可直接送到DDC的AI输入，DDC内部经A/D转换器将此电压信号转变成一个数字量，该数字量乘以放大器放大或衰减系数即为被测电压的测量值。

在实际工程应用中有许多非电量需转为电量，如压力变送器、温度变送器，转换后变为0～5V直流电压或4～20mA的电流，可直接送到DDC的AI输入端进行测量。

②交流电压、电流的测量。在测控系统中常用数字化测量法检测交流电压、电流，如图1-42所示。

图1-42 交流电压、电流的测量

a）实物图 b）框图

测量步骤：首先是量程变换，由电流互感器或电压互感器完成，再经过交-直流变换，最后将直流电压值测出，可求得被测正弦交流电压、电流的有效值。

③功率的测量。功率测量过程如图1-43所示。

功率测量原理的核心是模拟乘法器。交流电压和电流信号经模拟乘法器相乘后即得瞬时功率信号，再经过低通滤波器得出平均功率值，这是一个直流信号，它代表被测功率的大小。

测出此直流电压值即可求得被测功率的数值。

2）温度、湿度的检测。

①温度的检测。温度检测仪表按检测方式可分为接触式和非接触式两大类。在BA系统中采用接触式检测方法，检测设备为铂热电阻、铜热电阻、热敏电阻、热电偶等，可对室内外气温（-40～45℃）、风道气温（-40～130℃）、水管内水温（0～90℃）进行检测。这种温度检测器在结构上有室外型、室内墙挂式、风道式和水管式等，如图1-44所示。

图1-43 功率测量过程

a）实物图 b）框图

图1-44 温度检测器的结构

【案例】 热电阻温度检测器

热电阻温度检测器在BA系统中应用较多，其测量如图1-45所示。

热电阻规格很多，但基本上是线性器件，用以描述其线性关系的公式为

R_T=R₀+αT （1-1）

式中，R_T为热电阻阻值；R₀为温度为零时的阻值；α为灵敏度；T为时间。

由上式可知，虽然热电阻规格不同，由其线性特点说明，只有R₀和α不同，所以R-V变换和信号调理电路的原理是相同的，其输出均为标准的电压（0～5V，0～10V）或标准的电流（4～20mA）。而热敏电阻是非线性的。

图1-45 热电阻温度检测仪

a）热电阻测量电路原理 b）电压输入型实用的测量电路

②湿度的检测。BA系统中对湿度的检测主要用于室内外的空气湿度和风道内空气湿度的检测。常用的湿度检测元件有烧结型半导体陶瓷湿敏元件、电容式相对湿度传感元件等。

检测元件是利用极板电容器的变化正比于极板间介质的介电常数。如果介质是空气，则其介电常数和空气相对湿度成正比。因此，电容器容量的变化与空气相对湿度的变化成正比。

电容式相对湿度传感器的测量精度可达±2%，测量范围为10%～90%RH，环境湿度一般不超过50%，其输出可以是标准的电压（0～5V，0～10V）或电流（4～20mA）。

在BA系统中，空调子系统中常采用热敏电阻或湿敏电阻检测，如图1-46所示。

3）压力液体检测。在BA系统中，给排水子系统、冷热源子系统等可检测供水管压、差压、水箱水位等，因此压力检测在系统中占有一定位置。

压力检测仪选用的依据主要有：

①控制系统对压力检测的要求，例如测量精度、被测范围以及对附加装置的要求等。

图1-46 温度、湿度检测元件

a）热敏电阻 b）湿敏电阻

②被测介质的性质，例如介质温度高低、黏度大小、有无腐蚀和易燃易爆情况等。

③现场环境条件，例如高温、腐蚀、潮湿、振动等。

除此之外，对于弹性式压力表，为了保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时必须留有余地。一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3/4；在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量程的1/3为宜。

常用压力自动检测装置位移式开环压力变送器如图1-47所示。

图1-47 位移式开环压力变送器

检测过程：将压力通过弹性元件变换为位移变化，再经位移检测器将位移变换成电量，最后经信号调理电路送出电压为0～5V或0～10V，电流为4～20mA的标准值。

弹性元件有弹簧管、波纹管、膜片以及波纹管与弹簧组合几种，如图1-48所示。这里仅以弹簧管为例说明弹性元件如何将压力转为位移的变化过程。

图1-48 常用弹性元件构造

弹簧管是常用的一种弹性测压元件，它是一种弯成圆弧形的空心管子，其横截面是椭圆形的。当从固定的一端通入被测压力时，由于椭圆形截面在压力的作用下趋向圆形，使弧形弯管产生挺直的变形，其自由端产生向外的位移x。此位移虽然是一个曲线运动，但在位移量不大时可近似认为是直线运动，且位移大小与压力成正比。

4）流量、容积及其检测。在冷热源子系统中，流量、容积的控制应用最多，检测方法有电磁式、速度式、容积式和节流式等。差压流量计如图1-49a所示，它实质上是节流装置与差压计配套，测量各种性质的液体、气体和蒸汽的流量。

涡轮流量计如图1-49b所示。涡轮的轴装在导管的中心线上，流体流过涡轮时，推过叶片，使涡轮转动，其转速近似正比于流量Q。

（3）常用执行机构 执行机构按使用的能源种类可分为气动、电动和液动三种。在智能楼宇中常用电动执行器，执行器在系统中的作用是执行控制器的命令，直接控制能量或物料等被测介质的输送量，是自动控制的终端主控元件。执行器安装在生产现场，常年和生产工艺中的介质直接接触。执行器选择不当或维护不善时常使整个控制系统不能可靠工作，严重影响控制品质。

电动执行器有电动执行机构、电动阀、电磁阀等。

图1-49 流量计

a）差压流量计 b）涡轮流量计 1—涡轮 2—磁铁 3—支承 4—线圈 5—导流体 6—壳体

5.楼宇智能化系统的集成技术基础与案例

（1）楼宇智能化系统集成的概念

1）系统集成的定义及意义。

①楼宇智能化系统集成的定义。系统集成是将智能建筑中分离的不同功能的子系统通过相互关联、统一协调，以实现数据综合的系统。

建造智能建筑的目的是为了谋求低造价、高性能，在整个建筑生命周期获得高效益。楼宇控制系统的建立是为了智能建筑有一个舒适的环境，节约能源，尽快回收基本建设投资，并且始终高效益地运行。目前楼宇控制系统的设计人员正在竭力采用标准的、开放的交互操作控制系统，以集成多个暖通空调、照明、消防、安保、电梯、停车场、IC卡等系统，这种以楼宇控制系统集成为平台的智能建筑集成十分必要。

②系统集成的意义。智能化系统集成不是各系统的简单组合，而是计算机网络技术和分布式数据库技术经最优化的综合统筹设计，将各子系统或设备有机地综合在一起，实现信息共享与综合应用，通过对大楼集中监控和管理，可以全面地利用大楼内的综合信息和数据，提高物业管理水平，降低大楼总体运行费用，实现对大楼内各类事件的全局管理，提高对大楼突发事件的响应能力，提供给用户更安全舒适的工作环境和更高效的办公条件。

系统集成的意义还体现在节省投资、提高工程质量和降低工程管理费用等方面。早期建设的智能化大楼多数是分立系统，即各个智能化子系统独立设置，分开管理，各个子系统互不相关，硬、软件大量冗余，使系统建设费用增加。而集成系统采用最优化的综合统筹设计，可实现整个大厦内物理和逻辑上的硬件设备与软件资源的共享，利用最低限度的设备和资源来最大限度地满足用户对功能上的要求，节省了大厦的投资。从工程建设的角度来看，系统集成有利于智能建筑的工程实施和施工管理。因为系统集成便于采用智能化系统总承包的施工方式，减少工程承包界面，便于各子系统之间的界面协调，不仅提高了工程质量，保证工程进度，为系统的一次性开通打下基础，而且降低了工程管理费用。

2）楼宇智能化系统集成监控。

①供配电设备的监视。对供配电设备不实行控制，对主要参数如电压、电流、视在功率、功率因数、频率等进行监视。

②冷冻站设备的控制和监视。冷冻机一般由数台构成，在一般情况下需预留一台机组作后备，每个机组的开、关取决于定时时间表，定时时间表决定每天在什么时间开机、关机。在冷冻机的供水端和回水端安装冷冻水旁通阀，用来控制空调机单元和风机盘管单元开始关闭时系统产生的压力，同时，它也可用来在冷冻水供水端和回水端保持一定压力，使冷冻水流向空调机。

③空气调节机组的控制和监视。空气调节机组的启动、停止控制要预先在定时时间表中安排程序，空调机一周内每天的开机、关机由楼宇控制系统根据定时时间表自动控制。楼宇控制系统将存储每台空调机的运行时间，这些数据将按需要在工作站向操作员显示。采用回风管温度来控制空调机阀门，当消防报警接点闭合时，关闭空调机。当风量探头在发动机开动后仍未测得风量时，空调机的状态显示将显示故障。空调机过滤网堵塞时，压差开关动作，向系统发出报警信号。当回风湿度低于设定值时，开启加湿装置。当温度低于4℃时，防冻系统报警并执行相应的防冻保护程序。监视的运行参数和控制功能有回风温度、湿度，送风温度、湿度，调节新风风阀、回风风阀、冷冻水阀的开度，风机启停控制以及过滤器阻塞报警。

④新风机组的控制和监视。每台空调机都可选择手动、自动控制。在自动控制模式下，楼宇控制系统将按时间表来操作空调机，执行相关的空调机程序和连锁功能。在手动状态下，楼宇控制系统功能失效，但监视功能仍然保留。新风机组监视的运行参数和控制功能有送风温度，室外新风温度，调节新风风阀、冷冻水阀的开度，风机启停等。

⑤通风设备的控制和监视。每台风机都由选择开关来选择手动、自动控制。根据控制区域内CO、CO₂探测器所测参数，控制风机启停。在定时时间表中安排一周内每天开机、关机时间，楼宇控制系统将存储每台风机的整个运行时间，这些数据将按需要向操作员显示。

⑥给、排水系统的控制和监视。整个系统由若干台水泵和各类水池、贮水箱组成，每台水泵都可选择手动、自动控制。楼宇自控系统将根据水位的高低来操作泵的启、停，存储每台泵的整个运行时间，并且自动更换泵的运行，以确保每台水泵有较平均的运行时间。当水位超过设定的高、低位置时，楼宇控制系统将给出报警信号。

⑦安保系统。如果火灾报警发生，或者发生偷盗或坏人破坏等事件，则可通过联动系统使公用广播及火灾事故广播转换到紧急广播，便于发出通知，组织人员进行疏散，另外对摄像机摄取的图像进行录像。

⑧停车场系统。纳入整个楼宇设备管理系统，对工作状态进行监视，在事故状态下如何运行也要由集成系统进行操作管理。

⑨IC卡系统。对重要区域及门锁实行IC卡管理，何人何时进入防范区域及大门都要进行管理，以提高安全程度。此外，IC卡可一卡多用，这属于办公自动化的一项内容。

⑩火灾报警及自动控制系统。火灾报警的监视报警数据除了反映到消防控制室外，还要反映到楼宇控制室，这样可以起到双重保险的作用。有些连锁接点，如火灾报警后要关断有关风机阀门，则要统一考虑。依据我国消防部门的规范，对于火灾报警的自动控制，主要靠火灾报警和自动控制系统完成。

（11）电梯。应对电梯平时的运行状态进行监视。火灾发生时应就近停靠或者行至首层、停靠。

（2）楼宇智能化系统集成方式　我国对整个智能大厦的系统集成方式还没有一个统一的定论，目前大型公共建筑系统集成主要采用以下四种模式：

1）以节点方式进行系统集成。

2）以串行通信方式进行集成。

3）以BAS为平台进行系统集成。

4）基于子系统平等方式进行系统集成。

第一种集成方式是系统集成最初的手段，现在建筑设备管理系统（BMS）集成中很少应用。第二种方式由于采用串行通信在通信速度上过慢。第三种集成方式存在很大的缺陷，由于BAS是一个相对封闭的体系，缺少向上开放的能力，与其他子系统的接口设备和接口软件局限于特定产品，因此系统集成能力有限，并且维护、升级成本过高。且BAS与BMS捆绑过紧，一旦BAS出现故障，BMS也就宣告瘫痪，失去正常工作能力，不能管理和监控仍正常工作的子系统。因此，基于子系统平等的集成方式相对受到青睐。

以楼宇控制系统为平台的系统集成方案可以形成以整个设备管理为中心的集成，这种系统集成比较经济实用，可以适当减少一些硬件设备及软件系统。另外一种方式为整个楼宇的一体化集成，是在楼宇控制系统、火灾报警与自动控制系统、保安系统、通信系统、办公自动化系统之上再加一级中央管理集成系统，这对需要形成最高管理层次的单位来讲是必要的。对于来自不同厂家的产品，真正做到集成需要采用一个统一的通信协议，由于具有共同的通信协议，有些昂贵的硬件、软件或其他的网关配置可以被削减。开放的“点对点”（分散控制）通信技术支持新一代的产品和系统，使其运行起来更经济。此外，它还提供非预制环境，以便将来改变或修改系统，完善子系统的集成性，降低运行成本。关于通信协议，采用Internet上使用的TCP/IP通用性较大。

楼宇智能化系统的集成技术包括两方面内容：一是分散控制系统，二是现场总线技术。总之，系统的集成是将计算机技术、控制技术、图形显示技术和通信技术汇集于一体，从而对现场设备进行分散控制，又方便集中管理，真正体现其智能化优势。

以前采用BAC net开放式通信界面较多，上层通过以太网（Ethernet），主干线采用因特网（Internet）提供系统高速的通信。以太网支持网络控制器，为楼宇中央通信系统提供高效的输入/输出的可扩充性。以太网支持更多工作站及WindowsNT服务器工作，操作员可通过标准拨号电话线与很多个异地终端通信。以太网控制器包含多至四个可编程的RS-232或RS-485接口，支持通信、打印机、调制解调器（Modems）的连接。

近年来采用LonWorks控制网络技术使得分散控制的目标成为现实。在LonWorks网络中，智能控制装置被称为节点，使用一个共同的协议来相互通信。每一个节点都含有嵌入式能执行协议的智能芯片，以完成监控功能。在一个网络中，可以有3至3万个乃至更多的节点，如传感器（温度、湿度、压力、红外线等）、驱动器（开关、整流器、断路器、变风量控制器、变频驱动器等）、操作接口（显示器、触摸终端、人-机接口等）和控制器（空调机、压缩机、冷水机组等）等，通常为减少对中央控制器、可编程序控制器或计算机的需求，可改用分散控制，这将提高系统的可靠性，同时也会降低系统的安装和运行成本。管理通信的任务将由一个强有力的集成电路夹完成。系统允许控制装置作出适当的决定，同时，通过一种或多种通信介质与其有关的网络中的其他智能控制装置进行通信。通信介质可由双绞线、动力线、同轴电缆、光缆或无线方式组成。这种支持多种通信介质的灵活性使得LonWorks网络成为改造现存的使用双绞线、结构化综合布线或动力线系统的极具魅力的方案。一个LonWorks节点类似数据网络上的一台个人计算机。然而，不同于数据网络采用宽带介质用来传输大量数据文件，控制网络传送由传感器生成的包含“状态信息”的少量控制信息。网络中的执行机构监视这种状态信息并做出相应的指令，协调风门、阀门或其他控制装置，保持对系统的控制。网络中的控制装置可以实现现场安装。使用流行的网络管理软件可在Windows95、Windows NT或其他平台上运行。控制装置安装后，网络管理者既可以使之与网络连接，也可与网络断开。这种智能型现场控制装置无需管理控制器即能正常运行。