1 引言[1]
随着控制技术和通讯技术的高速发展和应用,自动控制技术、传感技术逐渐被广泛地应用在工业与民用建筑上,使建筑物也具有了一定的智能。而以网络技术为核心的信息技术的迅速渗入,极大地拓展了建筑群的发展空间,在全国建成了一批又一批智能化住宅小区。建筑物的智能化问题也已经被提上日程。安防系统是保障居民人身和财产安全的重要手段,对其进行的研究具有深刻的实际意义。安全防范子系统作为小区智能化系统中的一个重要环节必须具备高度的安全性、保密性,必须做到高智能的技防措施和人防管理有机结合,从而加强小区的自身防范能力,确保小区的人员和设施的安全。
安防系统由电视监控、电子巡更、防盗报警、智能停车场、门禁管理等子系统共同组成。市场上已经有琳琅满目的安防系统,但是真正符合小区安防方面要求的产品并不多。因此,本文深入研究了智能楼宇安防系统的构成,设计总体方案,并对防盗报警子系统进行了重点设计。
2 系统构成[2][3][4]
2.1 系统总体设计
楼宇安防自动化系统有中央监控单元和一系列的子系统组成,总体结构中要求各个子系统高度分布,一个系统出现故障或异常,不会影响到其它模块的运行,同时各个子系统又需要统一接受监控系统的控制,各个子系统组合到一起,形成一个信息流畅、控制及时的自动化系统。
(1) 家庭防盗报警子系统:在家庭容易被侵犯的关键部位设置各类传感器,并通过网关与物业中心的安防计算机联网,以达到报警和及时援助的目的。以家庭防盗报警系统代替传统家居的钢筋防盗网。
(2) 楼宇可视对讲子系统:在每个楼宇单元的入口处安装电控防盗门、语音或可视对讲装置等,住户可以控制防盗门的开启。
(3) 门禁子系统:对关键的出入口通道进行控制的系统。
(4) 电子巡更子系统:为了对保安人员进行便捷、有效的管理,物业服务中心用中央监控的计算机可以读取实时的巡更信息。
(5) 电视监控子系统:小区采取封闭式管理,在其周边围墙及关键部位设置电视监控系统,并与物业管理中心的计算机系统实现联网,可以及时发现非法越界者并报警,并自动记录存储图像。
上述5个子系统的运行和监控全在计算机平台上完成。
2.2 功能分析
日常生活中,我们经常可看到物管中心各种安保人员对特定的区域进行定期或不定期的安全巡查。为全面、准确的掌握小区的安全信息,有效应对异常情况的发生,也为了加强对保安人员定时巡视工作的监督,在小区内设置巡更点是很有必要的。保安人员按规定检查并记录巡更点的情况。小区管理中心整理、汇总巡更资料,掌握小区的整体情况。通过巡查人员在记录本上签到的方式来监督巡查人员的巡查机制弊端较大,这种方式很难准确真实的再现巡查人员的真实工作情况。如果出现问题,管理层很难判明责任所在。非接触式智能IC卡的出现,带动了感应巡更系统的发展。这一系统对社会的安定起了很大的作用。
现在智能的电子巡更系统是工作人员在巡逻路线上,按规定地点、时间向中央控制器发出信号以示正常。如果该点的信号在指定时间内没有发回中央控制器或返回信号的次序不正常,将被认为发生异常。在巡更线路的各点上设有读卡器或巡更开关,保安人员在相应地点依次输入信息,中央控制器将显示巡更人员的当前位置。感应式巡更可分为在线式巡更和离散式巡更两种方式。
(1) 在线式电子巡更系统
在线式巡更系统是在特定巡更范围内进行布线,把巡更器依次设置在关键的巡更巡检点上。巡更人员只需携带信息卡,按布线线路进行巡逻。管理者便可以在中央监控室监控巡更巡检人员的工作进程。它的缺点是施工量大,成本高,室外传输线路容易损坏,已经装修好的建筑配置在线巡更系统更困难。同时系统容易受到温度、湿度已经布线范围等的影响,安装维护也很麻烦,优点是能进行有效的实时管理。
(2) 离线式电子巡更系统
离线式巡更系统无需布线,巡逻人员只要手持巡更巡检器到每一个巡更巡检点采集信息并通过传输器传输给计算机,就可以显示整个巡逻巡检过程的详细情况了。离线式电子巡更巡检系统的缺点是不能实时管理(除非有对讲机)。它的优点是无需布线,安装简单,操作方便,性能可靠。不受温度、湿度等外界环境的影响,系统升级容易、价格低,又不被破坏。系统安装维护都很方便,普遍适于任何巡逻领域。
2.3 结构设计
由于安防系统含有子系统较多,下面以图2来说明电子巡更系统的构成。
3 系统硬件[5][6]
.1 LonWorks总线简介
美国Echelon公司于1991年提出了LonWorks(Local Operating Networks,局部操作网络)网络,简称L0N网。LonWorks是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制网络技术,到目前为止,全世界已有2500多家公司利用LonWorks技术生产各种各样的LonWorks产品,以满足现代化楼宇、工厂、交通运输系统、城市基础设施(水、电、气等)、家庭等环境自动化系统的分布式控制网络要求。
LonWorks网络上的每个控制点称为LonWorks节点或LonWorks智能设备,它包括一片Neuron神经芯片、传感和控制设备、收发器(用于建立Neuron芯片与传输之间的物理连接)和电源。
Neuron神经芯片是节点的核心部分,它包括一套完整的通信协议,即LonTalk协议,从而确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作。LonTalk通讯协议遵循ISO/OSI的全部七层模型。Neuron神经芯片内含三个八位CPU:第一个CPU为介质访问控制处理器,实现协议的第1层和第2层;第二个CPU为网络处理器,实现LonTalk协议的第3层至第6层;第三个CPU为应用处理器,实现协议的第7层。
LonTa1k协议是直接面向对象的网络协议,即通过网络变量实现网络节点间的联结。当定义为输出的网络变量改变时,能自动地将网络变量的值发送出去,使所有该变量定义为输入的节点都能收到它的改变,以便激活相应的处理进程(事件触发型)。由于LonWorks有完整的7层协议,所以具备了局域网的基本功能,它还提供了与LAN的接口,从而实现了二者的有机结合。
LonWorks支持多种拓扑结构,如总线型、星型、环型和混合型等形式以及多种传输介质,如双绞线、电力线、无线电波、红外线、光纤、同轴电缆和电源线等。这样,可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。采用双绞线通信速率为78Kbps/2700m,每段64节点。
Lodorks通过具有通信与控制功能的Neuron神经芯片、收发器、电源、传感器和控制设备构成的网络节点,采用专用的编程工具Neuron C,利用所提供的开发工具LonBuilder,NodeBuilder和LVS技术,可以快速、方便地开发节点和联网。
3.2 RS232／LonWorks转换器
RS232／LonWorks转换器是上位机与LonWorks总线的接口,使传输的信息在RS232总线标准和LonWorks总线标准之间进行转换。另外,报文的拼接和拆分,定时向集中控制器发校时命令等功能也由该转换器完成。
RS232/LonWorks转换器的硬件结构如图3所示。由于某种原因它被放在机房工作,可直接由机房的UPS(不间断电源)供电,所以它不带后备电源。
3.3 智能节点的硬件设计
安防的第一道防线主要是小区围墙安防,主要是在小区围墙设置红外对射探测器,当有物体阻挡对射光的接收时,会发出报警信号。对发射信号进行编码,为了防止不法分子利用自制发射器仿真发射,破坏报警检测,根据设计,此时只有特定的编码信号才能被识别。当探测器报警时,节点发送报警信息到安防监控中心,安防中心的显示器可以显示出报警地点。红外探测器和红外/微波双鉴器主要用于区域防护,通常安装在房间和主要通道的墙上或天花板上。当有人非法侵入的时候,红外探测器通过探测到人体的温度来确定有人非法侵入,红外/微波双鉴器探测到人体的温度和移动来确定有人非法侵入,并将探测到的信号传输给报警控制主机进行报警。安保人员也可以通过程序来设定红外探测器和红外/微波双鉴器的灵敏度和等级。紧急呼救按钮主要安装在人员流动比较多的位置或家庭内部,以便在遇到意外情况时可按下紧急呼救按钮向保安部门或其他人进行紧急呼救报警。
4 智能节点的软件设计
防盗报警节点的应用程序采用Neuron C语言编写,并使用NodeBuilde:节点开发工具进行调试。Neuron C的任务调度采用事件驱动,当一个给定事件发生的条件为真时,与该事件关联的一段代码(称为任务)被执行。事件是通过When语句来定义的,一个When语句包含一个表达式,当表达式为真时,则表达式后面的任务被执行。安防节点的程序的主要任务如下:
(1) 初始化:包括本节点子网号、节点号的设置及对网络变量初始化;
(2) 将保存在节点E2PROM中的设置参数上传给监控计算机,用以完成对监控计算机上的相关网络变量初始化;
(3) 检测接收电路发出的控制信号,执行相应的控制功能和显示功能;
(4) 检测布防与撤防状态;
(5) 检测探测器的报警工作类型;
(6) 向安防控制网络发送本节点的实时信息;
(7) 当监控计算机下传的参数到达本节点时,执行网络变量要求的相关操作和设置功能,安防节点的部分程序流程图如图4所示。
5 各子系统集成模型
智能建筑中的每个子系统都是一个相对成熟独立的部分,它们分别由各自的厂家生产,即便是同一类产品也有很多生产厂家生产。其中每一个独立的产品就像是一个独立的小环境和小系统,其内部的数据格式和控制系统千差万别。在对系统进行集成时,我们一般不关心其内部的数据格式和控制方式,而是希望该系统提供给别的系统的数据要能被正确的理解。因此,要想实现系统之间的协作与交互,每一个子系统就必须设立一个Agent,由每个子系统的Agent进行单独的交流和协商。通过Agent可以实现信息共享,调整目标以适应环境的需求,同时与其他Agent协作完成全局任务。
代表子系统的Agent也是该系统的重要组成部分,因为系统内部的连接方式不变,所以Agent可以用子系统原有的数据访问方式进行数据的访问。而Agent之间通过局域网相互联接,Agent之间的数据可实现共享,实现协作与交互的各种信息通讯都通过局域网实现。
实现真正的智能建筑环境离开人的参与是不现实的,因为智能建筑环境毕竟是为人服务的。人与建筑的互动是由代表人的Agent(PAgent:Personal Agent)来实现的。PAgent能够充分理解人的兴趣爱好,代表人和其他代表建筑智能化系统的Agent之间的协调和交互,使得由多个Agent组成的集成系统能够构建一个最适合于人生活或工作的环境。通过智能界面可实现PAgent与人的交互,与其他Agent通过局域网连接在一起的。
在集成系统中,当多个Agent为实现各自目标而发生冲突,且自发进行协调而不能消除冲突时,就可通过协调Agent(CAgent:Coordinated Agent)来进行协调。CAgent拥有一个比较高的目标规划,可实现对多个Agent之间不能协调的冲突进行最终裁决。CAgent也是通过局域网与其他Agent连接在一起。
6 结束语
本文在分析了智能化住宅小区和楼宇安防系统的要求之后,给出了基于中央监控的安防系统的总体设计方案,并介绍了各子模块的设计和实现。然后根据中央监控系统的技术要求,选择了采用LonWorks总线技术作为技术基础,设计了中央监控子单元。
参考文献:
[1] 章捷,颜文俊,姚维.基于LonWorks的智能家庭控制系统[J].电子技术应用,2003,(2):32-33.
[2] 宋中才;智能建筑中火灾自动报警系统的设计[J].重庆邮电学院学报(自然科学版),2004,(4):99-101.
[3] 曾刚,彭楚武,贺蓉,朱志杰,李斌.一种远程集中抄表系统的设计与实现[J].长沙:湖南大学学报(自然科学版),2001,(1):69-72.
[4] 张玉凤,陈松立,李录锋.基于CAN总线的楼宇火灾监控系统设计[J].江苏煤炭,2006,(2):24-26.
[5] 阳宪惠主编．现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999:309-325.
[6] LonWorks Custom Node Development.http://www.echelon.com.
作者简介:李录锋(1970-),男,副教授,研究方向:电力电子与电气传动。