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智能控制是電廠熱工自動化技術(shù)正常運行的保證,許多企業(yè)都采取了不同的方式來提升智能控制在電廠熱工自動化技術(shù)的控制方式以及所應用的水平。以下從幾個方面出發(fā),來對智能控制在電窗熱工自動化的應用進行研究。
1.1對過熱的溫度進行控制鍋爐的過熱溫度是指衡量電廠熱工自動化運行質(zhì)量的重要指標,同時也是如今鍋爐應用的重要內(nèi)容。使用智能控制就可以在過熱溫度產(chǎn)生變化時,操控其對熱量的控制系統(tǒng),從而實現(xiàn)熱量的減少。同時還需加強對其慣性和滯后時間的控制,這樣才能增強系統(tǒng)對于過熱溫度的適應力。另外,在采用了智能控制的電廠自動化模糊,可以持續(xù)保持對過熱溫度的良好控制以及對其高性能的熱負荷進行控制。這樣保證了即使達到過熱溫度也能保證單元系統(tǒng)的穩(wěn)定性,大大的減少因過熱溫度而給電廠造成的巨大經(jīng)濟損失。
1.2對給水加藥的控制可以使用智能控制當中的模糊控制來對變頻器的輸出進行調(diào)節(jié)控制,從而實現(xiàn)在給水加藥的過程中實現(xiàn)通過電動自行旋轉(zhuǎn)的控制器進行控制。這項控制技術(shù)克服了傳統(tǒng)的電廠熱工管理當中的給水質(zhì)量不高,供應出現(xiàn)不足的現(xiàn)象,而且模糊控制對火電廠自動化工程提供了極大的經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)勢,而且在一些實際的應用當中也取得了較為良好的經(jīng)濟效果。
1.3控制鍋爐燃燒的整個過程智能控制技術(shù)不僅能夠有效的控制熱工自定化工程當中鍋爐燃燒過程的不穩(wěn)定性,而且還能對整個運行系統(tǒng)的精確度起到促進作用。影響鍋爐燃燒的因素有很多,而且鍋爐燃燒其本身的制約因素也有很多。所以企業(yè)就應當對電廠自動化鍋爐燃燒的過程進行智能控制的制約,并對其具體的應用控制進行研究,這樣才能真正促進電窗熱工自動化的發(fā)展。
1.4安裝單元機組負荷控制裝置智能控制技術(shù)在電廠熱工自動化機組負荷控制裝置的應用當中,有著隨時間的變化而產(chǎn)生變化特殊性質(zhì)。而在這種特殊性質(zhì)的基礎(chǔ)上,企業(yè)就應當在電廠熱工自動化過程中安裝單元機組負荷控制裝置,這樣才能有效的提高電廠熱工自動化工程的模型準確度。同時在在測試智能的控制單元結(jié)果當中,單元機組負荷控制裝置有著很強的抗干擾能力以及高度的技術(shù)適應性質(zhì),從而能夠有效實現(xiàn)提高其系統(tǒng)運行的速度[3]。
1.5對中儲式制粉系統(tǒng)進行控制控制系統(tǒng)在電廠熱工自動化的應用當中,其中的中儲式制粉系統(tǒng)主要面臨著較大的困境,一些火電廠的自動化熱工工程其智能控制工作,需要一些比較復雜的數(shù)學模型為基礎(chǔ),這樣才能做到良好的接收信號。同時一些電廠熱工自動化智能控制也需要對模糊語言元素需要減少其對一些線性的規(guī)則數(shù)據(jù)的影響,這樣才能促進自動化技術(shù)的廣泛應用,從而提高電廠的經(jīng)濟效益。
2結(jié)語
生物質(zhì)氣化過程的本質(zhì)是生物質(zhì)碳與氣體之間的非均相反應和氣體之間的均相反應。該過程十分復雜,隨著氣化設(shè)備的不同、氣化工藝過程的差異及反應條件(如氣化反應劑的種類、氣化反應溫度、反應時間、有無催化劑的添加、氣化原料種類、原料的含水率等)的不同,其反應過程也大不相同;但一般會經(jīng)歷干燥、熱解、氧化、還原4個過程。在上述反應過程中,只有氧化反應是放熱反應,釋放出的熱量為生物質(zhì)干燥、熱解和還原階段提供熱量。在實際氣化過程中,上述4個過程并沒有明確的邊界,是相互滲透和交錯的。氣化爐是進行生物質(zhì)氣化過程的技術(shù)設(shè)備。在氣化爐中,生物質(zhì)完成了氣化反應過程并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃氣。氣化爐能量轉(zhuǎn)化效率的高低是整個氣化系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,故氣化爐型式的選擇及其控制運行參數(shù)是氣化系統(tǒng)非常重要的制約條件。針對其運行方式的不同,可將氣化爐分為固定床式和流化床式兩大類型。其中,固定床式氣化爐主要有上吸式、下吸式、橫吸式及開心式4種;流化床式氣化爐主要有鼓泡床式、循環(huán)流化式、雙床式及攜帶床式4種。據(jù)統(tǒng)計,目前商業(yè)運行的生物質(zhì)氣化設(shè)備中,75%采用下吸式固定床,20%采用流化床,2.5%采用上吸式氣化爐,另外2.5%采用其他形式氣化系統(tǒng)。本文以使用最為廣泛的下吸式固定床作為研究對象,分析生物質(zhì)氣化爐的結(jié)構(gòu)和工作過程,如圖1所示。下吸式固定床氣化爐的工作過程為:首先,粉碎處理后的生物質(zhì)物料由爐子頂部混合空氣后,經(jīng)由上料口投入下吸式固定床氣化爐;其次,氣化爐底部燃氣出口處設(shè)置有引風機,正常工作時,引風機輸出抽力,在爐內(nèi)形成負壓,使反應產(chǎn)生的氣體在爐內(nèi)流動,同時設(shè)置在喉管區(qū)的鼓風機,負責向氧化層輸入一次風,為氣化過程提供充分的氧氣,實現(xiàn)對生物質(zhì)物料的充分氧化;最后經(jīng)過還原反應區(qū),生成可燃氣體。物料和空氣在爐內(nèi)由上至下、隨著溫度的變化按照干燥、熱解、氧化、還原4個反應層依次地進行氣化反應,形成有少量雜質(zhì)的可燃氣體,該氣體經(jīng)過凈化工藝處理,最終形成可以直接使用的可燃氣體。氣化過程是一個復雜的物理化學過程,其處理的植物燃料來源眾多,物理、化學特性差異較大;同時,氣化過程中爐溫受到一次風量、物料含水量等諸多因素的共同影響。這些因素對于氣化過程的影響相對較小,氣化過程主要受到空氣當量比和氣化反應溫度的影響。生物質(zhì)氣化爐的控制目標是將生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換效率最大化,提高并保證可燃氣體的質(zhì)量。影響氣化爐轉(zhuǎn)換效率的因素有很多,但主要取決于氣化爐4個處理過程的溫度區(qū)間;氣化爐生成的可燃氣體質(zhì)量主要反映在其含氧量高低。因此,生物質(zhì)氣化爐系統(tǒng)控制所要解決的問題主要在于如何將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在最佳區(qū)間及怎樣降低最終可燃氣體的含氧量。為穩(wěn)定氣化爐爐頂溫度和降低出口處可燃氣體的含氧量,本文選取雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),對生物質(zhì)燃料與一次風的投放量分別進行控制,如圖2所示。
1.1溫度控制環(huán)溫度控制環(huán)采用主、副控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝分析,生物質(zhì)氣化爐爐溫主要雖然受到多種因素影響,但主要取決于物料物理、化學反應的放熱和吸熱。由于該過程的非線性、大滯后特性,無法用準確的數(shù)學模型來描述,因此采用BP預測方法建立物料和溫度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。主控制器根據(jù)當前溫度和溫度設(shè)定值,預測最優(yōu)的生物質(zhì)物料添加量;副控制PID根據(jù)該添加量,對上料機構(gòu)的送料速度進行跟隨控制,達到精確上料和穩(wěn)定爐溫的目的。
1.2含氧量控制環(huán)為達到穩(wěn)定爐頂溫度、降低可燃氣體含氧量的目的,本文以一次風進風量作為主要調(diào)節(jié)手段。因為一次風不僅影響著可燃氣體含氧量,還影響著氣化爐溫度,所以本文引入溫度和含氧量兩個反饋。主控制器采用免疫PID控制,它能根據(jù)爐內(nèi)含氧量偏差和爐溫偏差推算出鼓風機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速;副控制PID則根據(jù)推算出的最優(yōu)轉(zhuǎn)速對鼓風機速度進行跟隨控制,確保鼓風機轉(zhuǎn)速。
2基于BP算法的溫度控制
氣化過程的溫度變化具有大滯后的特點,給控制帶來了很大的困難。通過對溫度變化的預估,能夠有效地抑制滯后,提升控制效果。生物質(zhì)氣化過程是一個復雜的、非線性工業(yè)生產(chǎn)過程。由于氣化爐溫度受到一次風量、物料分布及物料含水量等因素的影響,氣化爐溫度變化毫無規(guī)律而言。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單的神經(jīng)元縱橫交錯而形成的復雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它能以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),經(jīng)過有限次迭帶計算,獲得實驗數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律,并且無需預先給定公式,非常適合于研究非線性系統(tǒng)。因此,氣化爐的溫度可以采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進行預測[9]。BP網(wǎng)絡(luò)是一種多層網(wǎng)絡(luò),其基本理念是將W-H學習規(guī)則一般化,對非線性的可微分函數(shù)訓練權(quán)值。目前,BP網(wǎng)絡(luò)主要用在函數(shù)逼近、模式識別、分類和數(shù)據(jù)壓縮方面。BP算法由兩部分構(gòu)成:信息的正向傳遞和偏差的反向傳播。在其正向傳播過程中,輸入的數(shù)據(jù)信息會被逐步運算,從輸入層經(jīng)隱含層直到傳給輸出層;輸出的信息又會影響下一層神經(jīng)元。如果在輸出層沒有獲得期望的輸出,則會在計算輸出層的偏差變化值后進行轉(zhuǎn)向傳播,通過網(wǎng)絡(luò)將偏差信號沿原來的連接通路進行反向傳回,之后各層神經(jīng)元的權(quán)值會被修改直至達到期望目標。設(shè)P為輸入變量,r為輸入神經(jīng)元,s1為隱含層內(nèi)的神經(jīng)元個數(shù),f1為其對應的激活函數(shù),s2為輸出層的神經(jīng)元個數(shù),f2為對應的激活函數(shù),A為輸出,T為目標矢量,b1i表示第i個隱層神經(jīng)元的閾值,w1ij表示第j個輸入變量到第i個隱層神經(jīng)元的權(quán)值,b2k為隱層中第k個神經(jīng)元的閾值,w2ki為隱層中第i個神經(jīng)元到輸出層第k個神經(jīng)元的權(quán)值,則BP算法的正向傳遞信息。
2.1樣本的批處理對于一般的BP算法,各連接權(quán)的調(diào)整量分別正比于各個學習樣本的代價函數(shù)E,而全局偏差意義上的梯度算法就是調(diào)整全局偏差函數(shù)E的連接權(quán)。在逐個訓練樣本時對權(quán)值的修正可能會出現(xiàn)振蕩,為了避免這一問題,應該在m個學習模式全部提供給網(wǎng)絡(luò)之后對它統(tǒng)一進行調(diào)整;而成批訓練的方法就是將一批樣本生成的修正值累計后統(tǒng)一進行一次批處理。因此,修改權(quán)值的增量為。減少每個連接權(quán)及閾值的校正次數(shù),從而改進了學習速度。應用該方法時,穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的訓練過程及限制每次迭代網(wǎng)絡(luò)偏差增量是學習率增長的前提。
2.2基于變學習率的BP算法在基本的BP算法中,學習率必須是一個固定的常數(shù)。通過分析基本的BP算法的偏差曲面得知:在其平坦區(qū)域,學習率太小會造成迭代次數(shù)增加;而在變化劇烈區(qū)域,學習率太大又可能修正過頭,引起振蕩及發(fā)散,進一步影響學習收斂的速度。所以,合理調(diào)節(jié)學習率從而加快收斂速度是基本BP算法的常用改進方法之一。
2.3氣化爐溫度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測基于生物質(zhì)氣化過程的機理分析及實際經(jīng)驗,為降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,影響焦爐集氣管壓力的可測量因素初步確定為一次風量、物料分布及物料含水量,將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,氣化爐溫度的預測值為輸出,此時BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就變成為一個4輸入單輸出的模型。其中,啟停次數(shù)為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點,特征參數(shù)值為輸出節(jié)點,建立一個隱含層有5個神經(jīng)元的3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。理論上已經(jīng)證明:如果一個網(wǎng)絡(luò)具有偏差和至少一個S型隱含層加上一個線性輸出層,那它就能夠逼近任意有理函數(shù)。訓練算法采用梯度下降法,學習速率為0.15,網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值為0~1中的隨機數(shù)。
3基于模糊免疫PID的含氧量控制
可燃氣體含氧量是生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)質(zhì)量的重要指標之一,也關(guān)系到氣化產(chǎn)物的安全使用問題。在本文設(shè)計的生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)中,采用溫度和可燃氣體含氧量雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),對氣化過程進行自動控制??扇細怏w含氧量控制需要利用對一次風的控制,解決含氧量控制和爐溫控制之間的矛盾,在穩(wěn)定爐溫的同時降低可燃氣體含氧。
3.1生物免疫機理生物免疫機理是抗擊病源入侵的首要防御系統(tǒng),它通過對病原物質(zhì)的特殊提取、識別、刺激響應、自適應調(diào)節(jié)、學習和記憶等功能殺死抗原。B細胞和T細胞是生物免疫機理主要構(gòu)成部分;而在免疫系統(tǒng)中,除了淋巴細胞外,還有一些其它種類的免疫細胞擁有著不可忽視的作用。T細胞和B細胞從不活躍、未成熟經(jīng)自體耐受發(fā)展為成熟的免疫細胞,一旦人體受到有關(guān)攻擊時,迅速產(chǎn)生免疫應答。所謂的免疫應答就是一個識別、效應和記憶的過程。抗原是一類能被胸腺中的T細胞及骨髓中的B細胞識別并刺激T細胞及B細胞進行特異性應答的病原體。巨噬細胞等將特異抗原遞呈細胞吸取消化病原體,分解后展示在細胞表面,形成MHC分子。成熟的T細胞會被MHC分子激活,然后接受并識別病原體抗原。T細胞識別特異抗原后會復制并激活殺傷T細胞,令其殺死任何受到特異抗原感染的細胞,并通過輔助T細胞將B細胞激活,使其識別特異抗原,并進一步擴增分化產(chǎn)生抗體。這些抗體會與抗原結(jié)合,通過與補體系統(tǒng)形成復合物或直接被吞噬細胞吞噬來殺死抗原。B細胞、T細胞在走向成熟過程中會經(jīng)歷自體耐受,在接受、識別、殺死抗原后會形成免疫記憶,產(chǎn)生免疫反饋。免疫反饋原理為:抗原進入機體后,將信息傳遞給TH細胞和抑制TH細胞產(chǎn)生的TS細胞,接受到信息的TH、TS細胞會共同刺激B細胞使其增殖分化產(chǎn)生抗體消除抗原。為使免疫反饋系統(tǒng)趨于平衡[10],當抗原較多時,機體中TH細胞會較多于TS細胞,產(chǎn)生較多B細胞;反之,抗原被消滅減少后,TS細胞又會增多并抑制TH細胞的產(chǎn)生,從而導致B細胞也隨之減少。
3.2模糊免疫PID算法為滿足不同的控制要求,讓被控對象有良好的性能,溫度模糊免疫PID控制器采用模糊控制原理對PID參數(shù)模型中的kp、ki、kd進行在線修改。其中,溫度偏差e(e=T0-T1,T0代表檢測的實際溫度,T1代表設(shè)定溫度)和加熱能級u1作替換:u1S,Δu1ΔS,分別為控制器的輸入/輸出。
4仿真
在保證生物質(zhì)氣化爐運行狀況基本相同的條件下,采用基于灰色遺傳的組合預測算法,對從某廠氣化爐現(xiàn)場采集到的2000組干燥層溫度數(shù)據(jù)中選取的連續(xù)1500組訓練樣本數(shù)據(jù),以及剩余500組與樣本數(shù)據(jù)時間相近的實驗樣本數(shù)據(jù)進行學習,建立預測模型,對試驗樣本進行擬合。為了驗證基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生物質(zhì)氣化爐溫度組合預測算法方法的有效性,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對實驗數(shù)據(jù)進行學習和擬合,結(jié)果如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出:采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較好地預測氣化爐溫度實時值,平均誤差為4.3%,且能良好地跟蹤實際溫度的相位變化,為氣化爐溫度控制和可燃氣體含氧量控制奠定良好了基礎(chǔ)。
5應用
針對某生物能源公司以生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)過程具有高度非線性、時變特性、強耦合性、擾動變化激烈且幅度大的特點,結(jié)合氣化爐現(xiàn)場工藝狀況,設(shè)計了一種新的控制系統(tǒng)應用于該公司生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)過程。該系統(tǒng)基于Honeywell集散控制系統(tǒng)運行環(huán)境和操作平臺,可用于采集過程數(shù)據(jù)、實時監(jiān)視及分析歷史數(shù)據(jù)等;采用高級編程語言VisualC++6.0編寫智能解耦與優(yōu)化控制應用軟件,通過OPC通信技術(shù)將應用軟件和集散系統(tǒng)進行無縫連接,以確保所編寫的應用軟件能夠通過集散系統(tǒng)對現(xiàn)場的執(zhí)行設(shè)備進行控制,從而保證了多座氣化爐生產(chǎn)過程的實時穩(wěn)定優(yōu)化控制。本文所研究的生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)在某生物能源公司入生產(chǎn)后,得到了有效應用,起到了穩(wěn)定氣化爐溫度、降低可燃氣體含氧量的作用,滿足了生產(chǎn)過程的需要。將本文提出的控制方法應用于現(xiàn)場實際后,運行情況表明:生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)保證了化爐干燥層溫度穩(wěn)定在優(yōu)化設(shè)定值±45℃范圍內(nèi);當壓力變化、投放物料、氣溫變化造成系統(tǒng)擾動時,該系統(tǒng)能在短時間內(nèi)通過調(diào)節(jié)上料速度和一次風機轉(zhuǎn)速,將爐溫和可燃氣體含氧量動態(tài)調(diào)整到正常波動范圍內(nèi),滿足了生產(chǎn)的要求。
6結(jié)論
解決我臺機房大廳環(huán)境問題,必須從降溫、除塵、智能控制三個方面入手,才能予以徹底解決。同時要本著節(jié)約的原則,在保證有明顯效果的前提下,力爭達到節(jié)約資源、一次性投入少、運行費用低;系統(tǒng)具有自診斷告警功能,減少人員工作量;設(shè)計時要考慮系統(tǒng)冗余,制冷風量要有一定的余量,保證在極端情況下系統(tǒng)也能正常工作;同時要考慮系統(tǒng)改造后哪些地方容易出現(xiàn)問題,加強維護保養(yǎng)。故對機房做如下相應改造:機房大廳增設(shè)4臺100kW大功率恒溫恒濕冷凍水型機房精密空調(diào),控制室內(nèi)溫濕度并加速室內(nèi)空氣循環(huán)達到30次/h。精密空調(diào)室外制冷主機采用高效率熱交換的風冷模塊機組,運行穩(wěn)定可靠,整機制冷效率較高。在大廳內(nèi)架設(shè)風管,將4臺100kW大功率冷凍水型機房精密空調(diào)出風口并管并延伸至機房各個要道,多點定點矩陣化送風,避免局部熱島效應。建立分支風管與PSM設(shè)備已建立的冷卻系統(tǒng)對接,利用現(xiàn)有的單點設(shè)備冷卻系統(tǒng)風道輔助對設(shè)備進行降溫以減少設(shè)備向室內(nèi)空間逸散的熱量。將甲機房大廳室內(nèi)全年溫度控制在30℃以下,適于設(shè)備正常運營環(huán)境及人員作業(yè)安全;同時將全年最高溫度控制在30℃內(nèi),無需過度制冷,保證全年最大限度減少能耗。不與室外不可控氣流交換,機房內(nèi)潔凈度在機組運行狀態(tài)下每小時室內(nèi)空氣被完全過濾30遍,機房內(nèi)將越運行越潔凈(運維人員適度進出),同時減輕運維人員運維成本。
2系統(tǒng)設(shè)計的測算依據(jù)及說明
目前需改造的甲機房大廳面積525平方左右,機房內(nèi)布4臺TSW2500型500kW短波發(fā)射機,由于設(shè)備發(fā)熱過大,故對每臺發(fā)射機做單點降溫處理。預計單臺發(fā)射機外溢至室內(nèi)空間中的熱能約為50kW,共計4部,致使機房目前室溫較高,全年冬季室內(nèi)平均達到27攝氏度,夏季室內(nèi)氣溫最高達40攝氏度,嚴重影響設(shè)備壽命、設(shè)備使用環(huán)境的安全可靠性并且夏季超出人員作業(yè)的可承受環(huán)境溫度,估測降溫需提供制冷量計算如下:
2.1對于制冷量需求的測算
單臺設(shè)備熱負荷*臺數(shù)+環(huán)境熱負荷*面積=需要的制冷量(kW)即:50kW*4+15m*35m*0.14kW/m2=273.5kW(備注:0.12—0.18kW/m2為機房環(huán)境熱負荷的估算范圍,由于我臺機房空間較大,設(shè)備密度較小,單機功率過大,故按照熱密度0.14kW/m2估值。)補充說明:機房層高6米,3米以上的空間氣溫對人員及設(shè)備影響較小,所以不需過多考慮對3米以上空間正常氣溫的處理。
2.2對于換氣次數(shù)需求的測算
甲機房打廳內(nèi)空氣體積:35*15*6=3150m3,依照機房建設(shè)標準,機房內(nèi)每小時換氣應保證20-30次,即2-3分鐘一次。故需求量為3150*20~30=63000~94500m3/h熱負荷估算原則負荷特點現(xiàn)階段設(shè)備的集成度越來越高,精密性也越來越高,使得機房的負荷特點更加顯著地表現(xiàn)為:機房設(shè)備散熱量的95%是濕熱,熱負荷大、濕負荷小、熱濕比極大。單位體積發(fā)熱量越來越大。在這種情況下,空氣處理可近似作為一個等濕降溫過程。在這種情況下的焓差小,要消除余熱必然是大風量。此外,因為設(shè)備24小時不間斷運行,所以需要空調(diào)系統(tǒng)一年四季不間斷地運行。余熱量大:機房內(nèi)95%以上的熱量來自設(shè)備;余濕量?。簷C房內(nèi)潛熱量來自人體出汗蒸發(fā)以及新風含濕量,由于人員較少且新風是經(jīng)過熱交換后進入機房,余濕量很??;循環(huán)風量大:需要較大的風量來解決機房內(nèi)散熱;焓差?。河捎谑覂?nèi)溫濕度允許變化率較小,所以焓差小;熱負荷大,冬季仍需制冷。機房專用空調(diào)正是依據(jù)上述特點研制開發(fā)而成的,顯熱比可達到90%以上,并可通過中央控制器調(diào)節(jié)溫度及相對濕度,溫度精度可控制在±1℃,相對濕度可控制在±5%,充分保障使用功能,并達到節(jié)能目的。
2.3系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
2.3.1設(shè)備及風管布局圖如圖1增設(shè)4臺100kW大功率恒溫恒濕冷凍水型機房精密空調(diào),控制室內(nèi)溫濕度并加速室內(nèi)空氣循環(huán)達到30次/h。精密空調(diào)室外制冷主機采用高效率熱交換的風冷模塊機組,運行穩(wěn)定可靠,整機制冷效率較高。建立風管將4臺100kW大功率冷凍水型機房精密空調(diào)出風口并管并延伸至機房各個要道,多點定點矩陣化送風,避免局部熱島效應。建立分支風管與PSM設(shè)備已建立的冷卻系統(tǒng)對接,利用現(xiàn)有的單點設(shè)備冷卻系統(tǒng)風道輔助對設(shè)備進行降溫以減少設(shè)備向室內(nèi)空間逸散的熱量。2.3.2氣流循環(huán)方式(保證送風回風風道暢通無遮擋)發(fā)熱設(shè)備高度在2.5M內(nèi),熱量逸散區(qū)域在落差3M空間內(nèi)影響周邊氣溫,精密空調(diào)送風風道從3M—3.5M高空將冷氣流吹出,與下部熱空氣混合,由精密空調(diào)強力回風口風機抽回,每個過道形成局部氣流循環(huán),熱量被不斷帶走經(jīng)過精密空調(diào)處理成冷風繼續(xù)優(yōu)化室內(nèi)溫度。精密空調(diào)回風口帶溫濕度探頭,如果回風口(即混合氣流)測定溫度達到所限定的溫度標準,機組停止制冷,僅風機運作帶動氣流循環(huán),極為節(jié)能。2.3.3動力與環(huán)境監(jiān)控拓撲圖機組標配:RS485接口及232接口,可以方便接入常規(guī)通用的監(jiān)控系統(tǒng)中,也可直接選擇BMS所使用的樓宇協(xié)議(如MODBUS等),便于監(jiān)管機房運行情況。名義工況:進/出水溫度7℃/12℃參考工況:進/出水溫度10℃/15℃參考工況:進/出水溫度12℃/18℃G4標準空氣過濾網(wǎng)聲級測試在距機組1m開闊地帶圖3拓撲空間圖2.3.4技術(shù)特點大風量、小焓差、高顯熱比專業(yè)設(shè)計。蒸發(fā)器采用親水鋁箔,高效內(nèi)螺紋管設(shè)計,耐腐蝕、長壽命、高效率。電極式加濕器,避免干燒的危險,能快速產(chǎn)生純凈蒸汽,具有自動清洗功能,檢修時不停機。智能除濕保證除濕速度快、精度高。風機選用后傾無殼式第三代高效EC風機以達到節(jié)能的要求。金屬框架G4標準過濾器,過濾效率高達90%,確保機房潔凈要求,可反復清洗降低運行成本。機組全正面維護設(shè)計,不受安裝環(huán)境限制,維護更方便。高品質(zhì)制冷配件確保機組在各種條件下穩(wěn)定運行,壽命10年以上。智能控制器融合完善控制邏輯、實現(xiàn)多重保護。大屏幕4行*30列LCD液晶全中文圖形顯示,機組運行狀態(tài)、溫濕度曲線、報警記錄等。提供500條歷史告警記錄。群組控制,實現(xiàn)備份、輪巡、層疊、避免競爭運行功能。遠程監(jiān)控,提供RS485、MODBUS、SUNRISE-PLUS、TCP/IP監(jiān)控方式。2.3.5方案特點能完全滿足降溫需求及室內(nèi)風循環(huán)換氣需求。不與室外氣流交換,機房內(nèi)潔凈度在機組運行狀態(tài)下每小時室內(nèi)空氣完全過濾24遍,機房內(nèi)將越運行越潔凈,同時減輕運維人員換洗過濾網(wǎng)的工作量。機組可方便接入各種通用監(jiān)控系統(tǒng),便于運營管理??呻S意設(shè)定機組溫度,例如設(shè)定至30度,那么機組在30度以下將停止制冷,只有風機運轉(zhuǎn)保持室內(nèi)空氣流通,高效節(jié)能。機組設(shè)計使用壽命15年,運行穩(wěn)定性高,運維成本很低。對機房外觀及內(nèi)部主體構(gòu)造沒有任何改動。
3總結(jié)
音頻分析技術(shù)
廣義上的動物健康可分為生理健康及情緒健康,音頻分析技術(shù)一般都是針對患有呼吸道疾病的動物咳嗽聲處理實現(xiàn)生理健康監(jiān)測。為此應首先提取患病動物咳嗽聲特征,F(xiàn)errari等[8-9]通過臨床檢查篩選染病豬并采集其咳嗽聲,與檸檬酸誘發(fā)的健康豬咳嗽聲對比發(fā)現(xiàn)染病豬咳嗽音頻的標準化壓力均方差及峰值頻率均值均低于健康豬,而染病豬咳嗽持續(xù)時間及咳嗽頻率則高于健康豬。針對染病豬咳嗽音頻特征參數(shù)構(gòu)建參考模板,將日常生產(chǎn)中利用定向麥克風采集到的豬咳嗽聲與該參考模板做模式匹配,可以實現(xiàn)呼吸道疾病疑似病豬智能識別。在圈舍群養(yǎng)的豬飼養(yǎng)方式下,很難實現(xiàn)豬個體咳嗽聲的采集,可將圈設(shè)定為監(jiān)測對象,使用麥克風陣列定位具備病豬咳嗽音頻特征的咳嗽聲[10],將出現(xiàn)病豬咳嗽聲頻率高的圈設(shè)定為高危圈,養(yǎng)殖人員重點關(guān)注高危區(qū)內(nèi)動物健康狀況,及早隔離確診病例,這不僅有效降低了人工勞動強度,而且提高了患病豬識別效率,降低了規(guī)?;B(yǎng)殖場由于動物疾病帶來的經(jīng)濟損失。動物情緒健康更多是動物福利關(guān)注的問題,目前音頻分析技術(shù)主要用于提取動物在恐懼、孤獨、焦慮等不良情緒下的叫聲特征,在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)動物情緒健康的無損監(jiān)測。Jahns[11]針對已知的牛饑餓和叫聲信號提取出先驗特征矩陣及其參考模式,利用模式匹配方法識別牛只日常叫聲中所蘊含的饑餓及信息。Ikeda等[12]利用線性判別分析方法處理聲音信號的頻譜結(jié)構(gòu)變化特征,進而智能識別母牛饑餓以及與仔牛分隔而產(chǎn)生的兩種焦慮狀態(tài)。豬的情緒健康水準評價研究目前鮮見報道,限位欄飼養(yǎng)母豬和剪牙斷尾仔豬的情緒健康問題最值得關(guān)注。
以仔豬為例,為了驗證剪牙斷尾過程會引起仔豬極強的恐懼情緒,可設(shè)計獨立的仔豬叫聲采集室,人為制造令其恐懼的突變環(huán)境,采集其叫聲音頻并提取音頻特征構(gòu)建參考模板,與剪牙斷尾時采集的仔豬叫聲做模式匹配,實現(xiàn)仔豬恐懼情緒的智能識別。動物采食、飲水、排泄行為異常可用于預測其健康異常,因此這三大行為是畜牧養(yǎng)殖從業(yè)人員最為關(guān)注的動物行為。及時監(jiān)測到動物行為模式的突變有利于及早發(fā)現(xiàn)疑似發(fā)病個體,降低經(jīng)濟損失。音頻分析技術(shù)目前主要用于牧場放養(yǎng)的牛羊采食行為監(jiān)測,這種飼養(yǎng)方式下牛羊活動范圍廣,人工觀察方式及機器視覺技術(shù)難以監(jiān)測它們的采食行為。但是牛羊采食主要有咬斷及咀嚼草料兩種動作,而實際采食量可由咬斷草料的次數(shù)來判定,因此可通過咬斷、咀嚼草料兩種動作的不同音頻特征識別牛羊采食過程中咬斷草料的次數(shù),進而實現(xiàn)采食量的智能監(jiān)測[6-7]。難以實時、準確掌握養(yǎng)殖動物需求是目前畜牧養(yǎng)殖業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一,而動物叫聲是其生理、情緒健康狀況的外在表現(xiàn),準確掌握動物叫聲含義有利于養(yǎng)殖人員根據(jù)動物自身需求開展養(yǎng)殖工作。動物叫聲音頻分析的首要目標是針對大量已知含義的動物叫聲音頻提取特征參數(shù),不斷擴充動物叫聲音頻分析模式庫,這是研發(fā)動物叫聲含義智能識別系統(tǒng)的基礎(chǔ)。另外,動物叫聲含義分析對音頻質(zhì)量要求高,如何有效降低圈養(yǎng)動物叫聲間的相互干擾及環(huán)境噪聲的影響以實現(xiàn)音頻高質(zhì)量地實時采集,是后續(xù)研究中需要解決的問題。
機器視覺技術(shù)
在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域,動物行為與動物健康狀況、生存舒適度密切相關(guān),利用動物行為自動分析動物健康及舒適度狀況相比人工經(jīng)驗觀察而言結(jié)果更加客觀。隨著機器視覺技術(shù)在數(shù)字化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用,近年來,研究人員開始涉足基于動物視頻自動分析動物行為及動物生存舒適度的研究領(lǐng)域[13]。行為模型是核心,該模塊從動物形體姿態(tài)特征、行為間內(nèi)在聯(lián)系以及行為與環(huán)境間聯(lián)系三個方面針對動物行為進行定義、表示和建模。視頻流是動物行為分析的信息源,目前一般是在養(yǎng)殖舍頂部架設(shè)連接PC的攝像機實現(xiàn)視頻流信息采集[14-17],而關(guān)注動物腿部運動姿態(tài)的研究一般會單獨構(gòu)建規(guī)則通道,側(cè)方位架設(shè)攝像機,在動物經(jīng)過通道時采集其運動視頻[18]。運動目標分割步驟從視頻流原始圖像中分割出監(jiān)測對象,特征提取步驟主要工作是提取足夠的動物形體特征,以區(qū)分不同的動物行為,這些形體特征包括位置、姿態(tài)、運動速度、輪廓等等信息,該步驟首先需要解決視頻序列中研究目標的檢測與跟蹤問題。目前針對群養(yǎng)豬個體跟蹤的最新方法能夠準確識別、跟蹤3頭豬長達8min,為豬只行為特征提取奠定了良好的基礎(chǔ)[14]。行為特征提取的目的是區(qū)分不同的動物基本行為,所謂基本行為是指諸如休息、探究、采食等能夠持續(xù)一定時間的獨立行為。臨產(chǎn)母牛的站立、躺臥、攝食等基本行為可用于預測母牛分娩時間,Canger等[15]研究了這些基本行為對應的主軸線方向、臀圍長度、體型寬長比、背部面積等圖像特征,實現(xiàn)了基本行為的自動識別,該研究成果使得設(shè)計一種基于母牛行為的人工助產(chǎn)自動預警系統(tǒng)成為可能。
復雜行為由一個或多個具有時空關(guān)聯(lián)的基本行為組成,復雜行為分析也可稱為動物行為模式分析,其主要工作是挖掘動物基本行為間或基本行為與環(huán)境間的內(nèi)在聯(lián)系。Shao等[16]針對群養(yǎng)豬睡眠時的紅外圖像選取圖像不變矩、背景前景像素轉(zhuǎn)換頻率以及豬群緊密程度作為特征向量,使用最小歐幾里德距離方法區(qū)分環(huán)境溫度寒冷與舒適兩種狀況下豬的睡眠姿態(tài)?;诖?,養(yǎng)殖人員可根據(jù)動物睡眠姿態(tài)判斷其環(huán)境溫度舒適度,實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的按需調(diào)節(jié),該研究對探索環(huán)境因子對豬生長的影響也具有重要的學術(shù)意義和實用價值。動物行為模式是發(fā)現(xiàn)動物反常行為的基礎(chǔ),而反常行為是動物個體出現(xiàn)健康異?;颦h(huán)境發(fā)生突變的外在表現(xiàn)。動物反常行為的及時發(fā)現(xiàn)可用于動物疾病或環(huán)境調(diào)節(jié)預警。朱偉興等[17]利用安裝于豬舍排泄區(qū)的嵌入式監(jiān)控設(shè)備對群養(yǎng)豬的排泄行為進行24h監(jiān)控,對于單日排泄次數(shù)超過系統(tǒng)閾值的豬只,認定其排泄行為出現(xiàn)異常。Song等[18]將牛行走過程中同側(cè)前后蹄接觸地面中心點間距離定義為形跡重疊參數(shù)Δ,并挖掘出健康牛行走行為模式:行進過程中Δ值小于或等于0。將行進過程中Δ>0的牛只認定為患有跛腿殘疾。僅從畜牧信息的無損監(jiān)測角度而言,基于機器視覺技術(shù)的動物行為監(jiān)測是目前最好的方法,這種技術(shù)以無接觸方式記錄動物行為信息,對動物活動沒有任何影響。但是該方法的技術(shù)實現(xiàn)難度較大,受現(xiàn)場光照條件影響大,攝像機視距、拍攝范圍有限,一般只能監(jiān)測圈養(yǎng)動物信息。后續(xù)研究中除了需要針對動物行為進行更精確的行為建模外,還需要解決養(yǎng)殖動物個體識別與跟蹤的問題,以豬行為監(jiān)測為例,目前最新研究進展能夠準確識別、跟蹤3頭豬8min時間[14]。而中國群養(yǎng)豬的單欄養(yǎng)殖密度一般都大于3頭/欄,仔豬單欄養(yǎng)殖密度則更高,在這種應用場景下,如何在大通量的視頻信息中識別跟蹤某一行為異常的個體是后續(xù)研究需要重點解決的問題。#p#分頁標題#e#
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)眾多的微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成的一個自組織無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可用于監(jiān)測復雜多變的環(huán)境條件,如溫度、濕度、噪聲等級等,也可監(jiān)測節(jié)點附著對象的運動特征,如速度、加速度、運動方向等[19]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)豐富的傳感器資源使其在畜牧信息監(jiān)測應用中具有得天獨厚的優(yōu)勢,無線通信方式不僅解決了養(yǎng)殖現(xiàn)場布線困難的問題,而且使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以穿戴在養(yǎng)殖動物軀體上,能夠滿足動物行為、體征等參數(shù)信息監(jiān)測的連續(xù)性和實時性要求。適宜的養(yǎng)殖環(huán)境可以充分發(fā)揮養(yǎng)殖動物的生產(chǎn)潛力,增強動物抵抗力,減少疾病的發(fā)生,繼而提高畜牧業(yè)的生產(chǎn)效益[20],同時,良好的環(huán)境也是動物福利的要求。畜牧生產(chǎn)中重點關(guān)注的養(yǎng)殖環(huán)境指標主要有溫濕度、光照強度及有害氣體濃度。利用無線傳感器監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境指標信息主要有以下3個挑戰(zhàn):一是于節(jié)點監(jiān)測范圍受限,單個節(jié)點監(jiān)測結(jié)果不能客觀反映整個養(yǎng)殖舍環(huán)境信息;二是養(yǎng)殖舍內(nèi)多種氣體傳感器存在交叉敏感的問題;三是實際生產(chǎn)中需經(jīng)常沖洗圈舍,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不能布署于舍內(nèi)較低的位置,這就帶來節(jié)點無法測得動物高度層的實際環(huán)境信息的不足。針對第一個問題,滕翠鳳等[21]提出采用自適應加權(quán)融合算法融合同類傳感器組的多源數(shù)據(jù),利用D-S證據(jù)推理理論融合溫度濕度和光照度環(huán)境參數(shù),提高了環(huán)境監(jiān)測的精確度。針對第二個問題,俞守華等[22]利用小波變換提取氣體信號動態(tài)反應過程的局部特征,利用遺傳算法對小波系數(shù)特征值進行篩選,降低特征維數(shù)并簡化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),進而提高基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有害氣體定性測定準確率。對于第三個問題,可將養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境看作一個場,研究養(yǎng)殖舍溫濕度場、氣體濃度場,挖掘出不同高度層的環(huán)境參數(shù)的關(guān)系模型,實際布署網(wǎng)絡(luò)時將節(jié)點布署于養(yǎng)殖舍頂部,根據(jù)頂部環(huán)境指標結(jié)合不同高度環(huán)境參數(shù)關(guān)系模型,得到養(yǎng)殖動物所處高度層的實際環(huán)境信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)可通過3G網(wǎng)絡(luò)[23]或其它無線通信方式由基站(或網(wǎng)關(guān)節(jié)點)發(fā)送到服務(wù)器端。對于采集到的環(huán)境參數(shù)目前主要有兩種處理方案:一種是當養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測值超過系統(tǒng)設(shè)定閾值時由服務(wù)器自動向管理人員或養(yǎng)殖人員報警[1];第二種是由服務(wù)器自動控制養(yǎng)殖場環(huán)境調(diào)控設(shè)備,這種處理方案中控制算法設(shè)計是關(guān)鍵,目前主要采用的是模糊控制算法[22,24]。綜合運用養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與反饋調(diào)節(jié)技術(shù),可以設(shè)計完整的養(yǎng)殖舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[25],為養(yǎng)殖動物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。
目前利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的動物個體信息主要包括動物生理指標(體溫、心率等)信息及行為(休息、散步、快走等)信息兩類,其一般流程如圖3所示,流程中首先需要解決的問題是設(shè)計適合動物穿戴的高效、耐用的傳感器及相應的節(jié)點。心率和體溫是傳統(tǒng)意義上的動物生理健康狀況重要指標,Eigenberg等[26]分別針對牛和豬設(shè)計了體溫和呼吸頻率傳感器。Martinez等[27]與Warren等[28]設(shè)計了一種能安置在瘤胃上的藥丸式心電圖節(jié)點來自動測量牛的心率,但該節(jié)點存在射頻信號受動物脂肪組織影響而衰減嚴重的問題,Hoskins等[29]針對這一問題設(shè)計了一種電感鏈路用以將體內(nèi)節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送到體外數(shù)據(jù)接收器。在行為監(jiān)測方面,研究人員提出利用三軸加速度傳感器監(jiān)測養(yǎng)殖動物運動過程中的三向加速度值并基于此對動物行為進行分類[30-34]。Brehme等[35]在已經(jīng)投入實際應用的電子計步器基礎(chǔ)上擴展環(huán)境溫度傳感器、位置信息傳感器,設(shè)計了一款綜合記錄動物生理、行為信息的傳感器節(jié)點,并將該節(jié)點應用于奶牛周期監(jiān)測。為了防止動物運動對傳感器節(jié)點帶來的破壞,需要將監(jiān)測節(jié)點合理固定在動物軀體上,利用動物項圈在動物頸部固定節(jié)點是目前最常用的方法[36-38],但對于有特殊監(jiān)測目標的節(jié)點而言,應靈活調(diào)整固定位置。Watanabe等[39]將三軸加速度傳感器固定在牛的下顎部以監(jiān)測其下顎運動特征,進而分析牛咬斷、咀嚼草料以及休息3種行為。Robert等[31]將三軸加速度傳感器固定于牛腳踝處以實現(xiàn)遠程監(jiān)測牛行走、站立和躺臥等行為。Warren等[28]為監(jiān)測牛心率參數(shù)將傳感器節(jié)點通過手術(shù)固定在牛瘤胃上。附屬于動物軀體的傳感器節(jié)點按設(shè)定時間間隔監(jiān)測動物體溫、心率、肢體運動三軸加速度等參數(shù),將監(jiān)測數(shù)據(jù)無線發(fā)送到數(shù)據(jù)收集器(如基站或網(wǎng)關(guān)節(jié)點)的方法目前主要有兩類:第一類是節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)緩存于存儲器,當動物活動到數(shù)據(jù)接收器(一般置于動物飲水器或食槽上)附近時,將緩存的監(jiān)測數(shù)據(jù)無線發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器[31,40-41];第二類是設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由協(xié)議,利用節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)收集器,這些路由協(xié)議需重點解決節(jié)點移動帶來的網(wǎng)絡(luò)拓撲實時動態(tài)變化的問題[36]。
對于傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的動物生理指標參數(shù)信息,可設(shè)計養(yǎng)殖專家知識庫自動分析生理指標所蘊含的動物健康狀況,并針對健康異常個體發(fā)出報警。對于監(jiān)測到的動物行為數(shù)據(jù),需要研究相應的動物行為模型以實現(xiàn)行為自動分類,動物行為模型主要解決傳感器數(shù)據(jù)與行為類型之間的關(guān)聯(lián)問題。目前針對三軸加速度值的行為建模主要采用的數(shù)學方法有動態(tài)線性模型、爾曼濾波[32-34]、K-均值聚類算法[42]及支持向量機[43]。動物行為模型是分析動物運動能力特征的基礎(chǔ),可為母豬、奶牛的初步鑒定提供判定依據(jù)[32,34,44]。目前已經(jīng)投入實際使用的傳感器節(jié)點大多針對生產(chǎn)環(huán)境相對規(guī)范穩(wěn)定的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計,但是畜牧業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復雜,有些應用場合甚至具有高溫高濕的特點,而且在動物個體信息監(jiān)測應用中,需要將節(jié)點固定在養(yǎng)殖動物軀體上,在動物躺臥甚至相互爭斗時都可能破壞傳感器節(jié)點。因此,畜牧業(yè)中應用的傳感器節(jié)點應該具備比工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場更好的抗高溫抗高濕及抗損壞性能,然而畜牧業(yè)生產(chǎn)特點決定了其使用的傳感器節(jié)點不能代價高昂。高性能、高穩(wěn)定性、低成本間的矛盾是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在畜牧業(yè)中應用需要重點解決的問題。
RFID技術(shù)
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起,RFID技術(shù)在畜牧業(yè)中得到廣泛應用[45-47]。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)[48],具有數(shù)據(jù)儲存量大、可讀寫、環(huán)境適應性好等特點,可以實現(xiàn)多目標識別[49]。RFID產(chǎn)品成本低,在畜牧養(yǎng)殖中應用在經(jīng)濟上具備可行性[50]。目前在動物行為監(jiān)測研究領(lǐng)域一般將被動RFID標簽以耳標形式固定在動物體上,當動物出現(xiàn)在讀寫器磁場范圍內(nèi)時,其耳標接受讀寫器射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量向讀寫器發(fā)送芯片中存儲的標識信息,讀寫器根據(jù)獲取的耳標號識別出位于其讀寫范圍內(nèi)的動物個體。一個完整的RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器和天線三部分構(gòu)成,電子標簽一般以耳標形式固定在動物耳朵上,讀寫器的位置需要根據(jù)不同的監(jiān)測目標靈活設(shè)置。如Reiners等[51]為監(jiān)測仔豬采食行為,將RFID讀寫器及天線安裝在仔豬喂料器上;鐘芳葵[52]為監(jiān)測群養(yǎng)母豬的采食行為將RFID讀寫器安裝在母豬食槽上;Ostersen等[53]為了監(jiān)測母豬與公豬的親近行為,將RFID讀寫器安裝在公豬欄上的接觸窗口上,記錄通過接觸窗口親近公豬的母豬耳標值、親近行為開始時間、結(jié)束時間,然后利用動態(tài)線形模型分析親近行為頻率和時長,實現(xiàn)母豬的自動鑒定。將電子耳標出現(xiàn)在讀寫器讀寫范圍內(nèi)認定為一次行為發(fā)生的做法對于僅關(guān)注行為頻率的監(jiān)測目標而言是可行的[51-52],但對于動物個體采食量、飲水量的監(jiān)測目標,則需要擴展秤重、流量監(jiān)測等功能,才能實現(xiàn)動物行為信息的準確監(jiān)測。Tu等[54]設(shè)計了一套由RFID模塊、電子地磅模塊及通信模塊構(gòu)成的實時、遠程監(jiān)測火雞采食行為的自動化系統(tǒng),自動記錄采食火雞標簽號,采食前后體重變化情況,為選擇食物轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)良品種提供參考,同時也為群養(yǎng)火雞個體行為分析提供了有力工具。RFID技術(shù)配合水流量計可以實現(xiàn)群養(yǎng)母豬個體飲水行為遠程監(jiān)測的目標,改造母豬飲水點,確保一次只有一頭母豬接近飲水器。將RFID讀寫器安裝在飲水器上方,記錄飲水母豬個體耳標號,利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)處理水流量計輸出信號得到群養(yǎng)母豬個體的飲水頻率及飲水量信息,飲水行為的實時監(jiān)測有利于及時發(fā)現(xiàn)飲水模式的突變,為母豬健康評判提供參考依據(jù)。#p#分頁標題#e#
關(guān)鍵詞:家庭控制器自動監(jiān)控安全防范
l引言
隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)水平的提高,特別是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高,促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化,居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面,改變了人們生活習慣,提高了人們生活質(zhì)量,家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。
2智能家居控制系統(tǒng)概述
智能家庭控制系統(tǒng)是以HFC、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、公共電話網(wǎng)、無線網(wǎng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)為物理平臺,計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為技術(shù)平臺,現(xiàn)場總線為應用操作平臺,構(gòu)成一個完整的集家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范等功能的控制系統(tǒng)。
智能家居控制系統(tǒng)的總體目標是通過采用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和集成技術(shù)建立一個由家庭到小區(qū)乃至整個城市的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng),以此來提高住宅高新技術(shù)的含量和居民居住環(huán)境水平。
系統(tǒng)通常由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器(各種模塊)、各種路由器、電纜調(diào)制解調(diào)器頭端設(shè)備CMTS、交換機、通訊器、控制器、無線收發(fā)器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等主要部分組成。
3智能家居控制系統(tǒng)功能
智能家庭控制系統(tǒng)的主要功能包括家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范三個方面。
3.1家庭通信
家庭通信可采用電話線路、計算機互聯(lián)網(wǎng)、CATV線路、無線局域網(wǎng)等方式。
(1)電話線路
通過電話線路實現(xiàn)雙向傳輸語音信號和數(shù)據(jù)信號。
(2)計算機互聯(lián)網(wǎng)
通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息交互、綜合信息查詢、網(wǎng)上教育、醫(yī)療保健、電子郵件、電子購物等。
(3)CATV線路
通過CATV線路實現(xiàn)VOD點播和多媒體通信。
(4)無線局域網(wǎng)
通過無線收發(fā)器、天線、各種無線終端,實現(xiàn)雙向傳輸數(shù)據(jù)信號。
3.2家庭設(shè)備自動監(jiān)控
家庭設(shè)備自動監(jiān)控包括電器設(shè)備的集中、遙控、遠距離異地(通過電話或Internet)的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集。
(1)家用電器的監(jiān)視和控制
按照預先所設(shè)定程序的要求對熱水器、微波爐、視像音響等家用電器進行監(jiān)視和控制。
(2)熱能表、燃氣表、水表、電度表的數(shù)據(jù)采集、計量和傳送根據(jù)小區(qū)物業(yè)管理的要求所設(shè)置數(shù)據(jù)采集程序,通過傳感器對熱能表、燃氣表、水表、電度表的用量進行自動數(shù)據(jù)采集、計量,并將采集結(jié)果遠程傳送給小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)。
(3)空調(diào)機的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制
按照預先所設(shè)定的程序,根據(jù)時間、溫度、濕度等參數(shù)對空調(diào)機進行監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制。
(4)照明設(shè)備的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制按照預先設(shè)定的時間程序,分別對各個房間照明設(shè)備的開、關(guān)進行控制,并可自動調(diào)節(jié)各個房間的照度。
(5)窗簾的控制
按照預先設(shè)定的時間程序,對窗簾的開啟/關(guān)閉進行控制。
3.3家庭安全防范
家庭安全防范主要包括多火災報警、可燃氣體泄漏報警、防盜報警、緊急求救、多防區(qū)的設(shè)置、訪客對講等。家庭控制器內(nèi)按等級預先設(shè)置若干個報警電話號碼(如家人單位電話號碼、手機電話號碼、尋呼機電話號碼和小區(qū)物業(yè)管理安全保衛(wèi)部門電話號碼等),在有報警發(fā)生時,按等級的次序依次不停地撥通上述電話進行報警(可報出家中是哪個系統(tǒng)報警了)。同時,各種報警信號通過控制網(wǎng)絡(luò)傳送至小區(qū)物業(yè)管理中心,并可與其它功能模塊實現(xiàn)可編程的聯(lián)動(如可燃氣體泄漏報警后,聯(lián)動關(guān)閉燃氣管道上的電磁閥)。
(1)防火災發(fā)生
通過設(shè)置在廚房的感溫探測器和設(shè)置在客廳、臥室等的感煙探測器,監(jiān)視各個房間內(nèi)有無火災的發(fā)生。如有火災發(fā)生家庭控制器發(fā)出聲光報警信號,通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。家庭控制器還可以根據(jù)有人在家或無人在家的情況,自動調(diào)節(jié)感溫探測器和感煙探測器的靈敏度。
(2)防可燃氣體泄漏
通過設(shè)置在廚房的可燃氣體探測器,監(jiān)視燃氣管道、灶具有無燃氣泄漏。如有燃氣泄漏家庭控制器發(fā)出聲光報警信號,并聯(lián)動關(guān)閉燃氣管道上的電磁閥,同時通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。
(3)防盜報警
防盜報警的防護區(qū)域分成兩部分,即住宅周界防護和住宅內(nèi)區(qū)域防護。住宅周界防護是指在住宅的門、窗上安裝門磁開關(guān),在對外的玻璃窗、門附近安裝玻璃破碎探測器;住宅內(nèi)區(qū)域防護是指在主要通道、重要的房間內(nèi)安裝被動紅外探測器或被動紅外/微波雙技術(shù)探測器。當家中有人時,住宅周界防護的防盜報警設(shè)備(門磁開關(guān)、玻璃破碎探測器)設(shè)防,住宅內(nèi)區(qū)域防護的防盜報警設(shè)備(紅外探測器或被動紅外/微波雙技術(shù)探測器)撤防。當家人出門后,住宅周界防護的防盜報警設(shè)備(門磁開關(guān)、玻璃破碎探測器)和住宅內(nèi)區(qū)域防護的防盜報警設(shè)備(被動紅外探測器或被動紅外/微波雙技術(shù)探測器)均設(shè)防。當有非法侵入時,家庭控制器發(fā)出聲光報警信號,并通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。另外,通過程序可設(shè)定報警裝置的等級和報警器的靈敏度。
(4)訪客對講
住宅的主人通過訪客對講設(shè)備與來訪者進行雙向通話或可視通話,確認是否允許來訪者進人。住宅的主人利用訪客對講設(shè)備,可以對大樓入口門或單元門的門鎖進行開啟和關(guān)閉控制。
(5)緊急求救
當遇到意外情況(如疾病或有人非法侵入)發(fā)生時,按動報警按鈕向小區(qū)物業(yè)管理部門進行緊急求救報警。緊急求救信號在網(wǎng)絡(luò)傳輸中具有最高的優(yōu)先級別,由于是人在緊急情況下的求救信號,其誤報的可能性很小。
智能家居控制系統(tǒng)類型
4.1系統(tǒng)類型
智能家庭控制系統(tǒng)可分成采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)、HFC的智能家庭控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)、LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)、KS485的智能家庭控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)等類型。
4.2基本特點、功能、適用范圍
(1)采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集》03X602第14頁。
·基本特點:家庭智能控制器內(nèi)配置了與電話線連接的收發(fā)器,利用電話網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且大大地簡化了布線,可以節(jié)省布線的投資。
·系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器(內(nèi)置了與電話線連接的收發(fā)器)、路由器、收發(fā)器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,且特別適用于改造的智能化住宅(小區(qū))工程,利用原有的電話線就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的共網(wǎng)傳輸。
(2)采用HFC的智能家庭控制系統(tǒng)
采用HFC的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集》03X602第15頁。
·基本特點:家庭智能控制器內(nèi)配置了CableModem,利用有線電視的HFC網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且大大地簡化了布線,可以節(jié)省布線的投資。
HFC網(wǎng)絡(luò)采用共享方式,其共享帶寬為36Mbps。當上網(wǎng)人數(shù)較多時,上網(wǎng)的速度會變慢。由于CableModem設(shè)備費用較高,用戶網(wǎng)絡(luò)的開通費用高。
·系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器(內(nèi)置了CableModem)、路由器、電纜調(diào)制解調(diào)器頭端設(shè)備CMTS、有線電視傳輸網(wǎng)絡(luò)、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成o
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,且特別適用于改造的智能化住宅(小區(qū))工程,僅將原有的有線電視HFC網(wǎng)絡(luò)進行雙向改造,就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像信號的共網(wǎng)傳輸。
(3)采用以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)
采用以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集》03X602第16、17頁。
·基本特點:家庭智能控制器內(nèi)配置了以太網(wǎng)網(wǎng)卡,利用以太網(wǎng)作為信息傳輸網(wǎng)。以太網(wǎng)同時支持住戶計算機和智能家庭控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且大大地簡化了布線,可以節(jié)省布線的投資。
以太網(wǎng)傳輸速率較高,傳輸速率有10Mbps、100Mbps等。根據(jù)傳輸距離的要求,由小區(qū)物業(yè)管理中心至各樓交換機采用5類以上4對對絞線、多模光纜或單模光纜,由交換機至家庭控制器采用超5類4對對絞電纜。
·系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器、路由器、交換機、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建和改造的智能化住宅(小區(qū))工程,用以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像信號的雙向傳輸。
(4)采用LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)采用LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計《智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集如3X602第21、22、23頁。
·基本特點:采用一個覆蓋全部ISO/OSI標準七層通信協(xié)議、開放性的LonWork總線技術(shù),一臺系統(tǒng)服務(wù)器最多可連接127臺LONWorks路由器,一臺LonWorks路由器最多可連接63臺家庭控制器。每臺家庭控制器為LonWork一個通道上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括有神經(jīng)元(NEURON)芯片、振蕩器、電源、一個通過媒介通信的收發(fā)器和與監(jiān)控設(shè)備接口的I/O設(shè)備(電路)、存儲器等。
LonWorks直接通信距離可達2700m(雙絞線、78Kbps),其通信傳輸速度最大可達1.25Mbps(此時有效傳輸距離為130m)。LonWorks路由器至小區(qū)物業(yè)管理中心線路長度超過2700m時,需在總線上加裝中繼器。傳輸線通常采用雙絞線,根據(jù)需要也可采用同軸電纜或電力線。
·系統(tǒng)組成:由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器、路由器、LonWorks路由器、交換機、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)特別適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程。
(5)采用KS485的智能家庭控制系統(tǒng)
采用KS485的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集>03X602第18、19、20頁。
·基本特點:KS485串行接口總線為主從式網(wǎng)絡(luò),它的通信為半雙工、采用雙向單信道連接方式。RS485串行接口總線的傳輸介質(zhì)采用雙絞線,它可以高速地進行遠距離傳輸,傳輸速度與傳輸距離的技術(shù)指標如下:傳輸速率為10Mbit/s時,最大傳輸距離是12m;傳輸速率為1Mbit/s時,最大傳輸距離是120m;傳輸速率為100kbit/s時,最大傳輸距離是1200m。
·系統(tǒng)組成:由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器、路由器、通訊器、控制器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)特別適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程。
(6)采用無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)
采用無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集>03X602第24、25頁。
·基本特點:利用無線作為信息傳輸網(wǎng),該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且從系統(tǒng)服務(wù)器至家庭控制器、家庭控制器至各種現(xiàn)場末端裝置均采用無線傳輸方式,小區(qū)、樓內(nèi)、戶內(nèi)無需布線,施工簡單,可以節(jié)省施工的投資。
無線網(wǎng)的工作頻率符合IEEE802.11b標準要求。
·系統(tǒng)組成:由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器、無線收發(fā)器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,且特別適用于改造的智能化住宅(小區(qū))工程,不用敷設(shè)線路就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸。
5系統(tǒng)設(shè)計及產(chǎn)品選用要點
5.1智能家庭控制系統(tǒng)類型的選用
新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,宜采用LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)或采用RS485的智能家庭控制系統(tǒng)。改造的智能化住宅(小區(qū))工程,宜采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)、HFC的智能家庭控制系統(tǒng)或無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)。
5.2家庭控制器的選用
家庭控制器的選用主要包括功能、總線技術(shù)及模塊化設(shè)計、擴展功能、可按用戶的基本要求進行配置等方面的選用要求。
(1)家庭控制器功能的選用
家庭控制器通常具有以下功能:
·家庭防盜報警;
·家庭火災報警;
·家庭燃氣泄露報警;
·家庭緊急求助;
·遠程設(shè)防與撤防;
·遠程報警;
·訪客對講;
·家用電器監(jiān)控;
·家用表具數(shù)據(jù)采集及處理;
·空調(diào)機監(jiān)控;
·接入網(wǎng)接口;
·小區(qū)電子公告;
·信息查詢;
·家用設(shè)備報修等。
(2)家庭控制器功能的選擇
在工程設(shè)計中,家庭控制器功能的選擇可參見下表所示。
5.3總線技術(shù)及模塊化設(shè)計
·家庭控制器要求采用總線技術(shù),如LonWorks、R5485、BACnet、C^NBlls、CEBus、X一10;
·家庭控制器要求采用模塊化設(shè)計,以便用戶可以根據(jù)需求選擇不同的模塊完成不同的功能。
5.4擴展功能
家庭控制器要有一定的擴展功能,考慮能適應今后發(fā)展的需要。
5.5可按用戶的基本要求進行配置應能根據(jù)用戶提出有哪些被控設(shè)備及監(jiān)視控制要求(功能要求)等因素,來對家庭控制器組成進行配置,包含模塊種類的選擇和各種模塊數(shù)量的選擇。設(shè)備的安裝
6.1交換機、路由器、控制器、放大箱、分配箱、電話分線箱
2.在住戶內(nèi)安裝入侵報警探測器。
具有語音對講及控制開啟樓道人口處防盜門功能。
1~2點
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄收及遠傳、超限判斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
提高級(2A)
在室內(nèi)安裝可燃氣體泄
漏自動報警裝置。且能就地
發(fā)出聲光報警信號。
1.在住戶內(nèi)兩處安裝緊急按鈕開關(guān)。
2.在住戶內(nèi)安裝入侵報警探測器,在戶門、及用臺、外窗安裝
人侵報警裝置。
具有語音對講及控鑭開啟樓道人口處防盜門功能??蓪?/p>
現(xiàn)住戶與安防監(jiān)控中心的直接聯(lián)系。
2點以上
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄
收及遠傳、超限爿斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
先進級(3A)
1.在室內(nèi)安裝可燃氣體泄漏自動報警裝置,當燃氣體泄漏報警后能自動切斷氣源、打開捧氣裝置,且能就地發(fā)出聲光報警信號。
2.在住戶內(nèi)設(shè)置火災自動報警裝置。
1.在住戶內(nèi)不少于兩處安裝緊急按鈕開關(guān)。
2.在住戶內(nèi)安裝入侵報警探測器,在戶門及陽臺門、外窗安裝入侵報警裝置。
具有語音、可視對講及控翻開啟樓道入口處防盜門功能,可實現(xiàn)住戶與安防監(jiān)控中心的直接聯(lián)系。
2點以上
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄收及遠傳、超限判斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
這些設(shè)備均應安裝在電氣豎井內(nèi)或公共走道的墻上(內(nèi))。
6.2家庭控制器
暗裝(或明裝)在墻內(nèi)(上),其底邊距地面1.4m左右。家庭控制器應設(shè)置在住戶大門附近(宜距戶門0.5m以內(nèi)),且容易操作(包括設(shè)防與撤防)的地方。
6.3可燃氣體探測器
安裝在廚房內(nèi)的燃氣管道、灶具附近,當住戶使用的是天然氣,燃氣探測器吸頂棚安裝在距頂棚300ram以內(nèi)的地方;當住戶使用的是液化石油氣,燃氣探測器安裝在距地面300mm以內(nèi)地方。
6.4感溫探測器設(shè)置在廚房內(nèi),它吸頂棚安裝。
6.5感煙探測器設(shè)置在起居室、臥室等房間內(nèi),它吸頂棚安裝。
6.6緊急按鈕開關(guān)
設(shè)置在起居室沙發(fā)和主臥室床頭附近的墻上,及衛(wèi)生間的墻上。緊急按鈕開關(guān)暗裝在墻內(nèi),其底邊距地面0.5m~1.2m。
6,門(窗)磁開關(guān)
安裝在門扇和門框內(nèi)或窗扇和窗框內(nèi)。
6.8玻璃破碎探測器
安裝在窗戶和玻璃門(陽臺)附近的墻上或吸頂棚安裝。
6.9被動紅外侵入探測器和被動紅外/微波雙技術(shù)探測器
安裝在住戶的主要通道、重要的房間內(nèi),它吸頂棚安裝或安裝在頂棚的墻角處。
6.10紅外遙控器
安裝在被控電器設(shè)備正面附近的墻上,距離不能超過紅外線工作范圍,且與電器設(shè)備之間沒有遮擋。
7工程設(shè)計實例
以二室戶型為例介紹戶內(nèi)的智能家庭控制系統(tǒng)設(shè)計,設(shè)計標準采用康居住宅先進級(3A)。采用以太網(wǎng)的家居控制系統(tǒng),家庭控制器與戶內(nèi)各模塊之間采用R.$485總線,家庭控制器可通過電話線或計算機網(wǎng)絡(luò)接收控制指令、發(fā)出信息,所選用的家庭控制器具有可視訪客對講功能。家居控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集>03X602第17頁,二室戶型家居控制平面圖參見圖1、2所示,家庭控制器與室內(nèi)設(shè)備的連接參見圖3所示。
在起居廳、臥室設(shè)置了感煙探測器,廚房設(shè)置了感溫探測器、可燃氣體探測器,各房間的窗戶、陽臺推拉門上及附近設(shè)置了門(窗)磁開關(guān)和玻璃破碎探測器,起居廳設(shè)置了被動紅外侵入探測器,起居廳、臥室、衛(wèi)生間設(shè)置了緊急按鈕開關(guān)。對電、水、燃氣進行計量;可對餐廳、起居廳、臥室的燈進行控制;當可燃氣體探測器探測到有燃氣泄漏后,聯(lián)動控制關(guān)閉燃氣管道上電磁閥、開啟排煙風機;當有各種探測器報警后,聯(lián)動警報發(fā)聲器發(fā)出報警聲音。
家庭控制器共提供13路輸入:電度表(電度表安裝在照明配電箱內(nèi))、燃氣表、熱能表、可燃氣體探測器、感溫探測器、感煙探測器、緊急按鈕開關(guān)、被動紅外侵入探測器、玻璃破碎探測器各1路,水表、門(窗)磁開關(guān)各2路。
家庭控制器共提供7路輸出:警報發(fā)聲器控制1路、燃氣管道上電磁閥控制1路、排煙風機控制1路、照明控制4路。
三室戶型、復式結(jié)構(gòu)、別墅的智能家庭控制平面圖及家庭控制器與室內(nèi)設(shè)備的連接參見國家建筑標準設(shè)計<智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計施工圖集》03X602。
變配電系統(tǒng),顧名思義,就是保證建筑物供電與用電安全的系統(tǒng),實現(xiàn)建筑物正常用電運行是變配電系統(tǒng)的主要監(jiān)控目標。首先,變配電系統(tǒng)通過對建筑物各類型的電力開關(guān)設(shè)備進行監(jiān)測,對配電柜高壓與低壓的運行狀態(tài)進行控制來實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部電力供應與使用的監(jiān)督與管理。其次,變配電系統(tǒng)還會對建筑物電路回路的電流與電壓、功率因數(shù)這些電力關(guān)鍵參考值進行監(jiān)測。變壓器與電纜的溫度、發(fā)電機的運行狀態(tài)的好壞都是變配電系統(tǒng)的重要監(jiān)督。電力系統(tǒng)本身具有一定的特殊性,其可以在瞬間發(fā)生很多的變化,所以在利用計算機系統(tǒng)對電力系統(tǒng)進行控制之時,其監(jiān)測的頻率是很高的,在監(jiān)測的同時,要對這些監(jiān)測中設(shè)備開關(guān)的狀態(tài)與參數(shù)的變化進行準確且連續(xù)的記錄,只有這樣,變配電系統(tǒng)才能夠準確地預測事故發(fā)生的機率,在自動狀態(tài)下對變電系統(tǒng)事故地點進行分析。樓宇自動化系統(tǒng)中的變配電系統(tǒng)可以利用計算機對供電設(shè)備的開關(guān)進行遠程控制,在停電發(fā)生后,可以對開關(guān)進行自動的順序控制。另外,變配電系統(tǒng)還可以對應急的發(fā)電設(shè)備進行運行狀態(tài)的監(jiān)測,使其在有應急需要之時可以正常運行,自動切斷不主要的電路回路,保證應急發(fā)電機的負荷在合理的范圍之內(nèi)。變配電系統(tǒng)除了對建筑物進行供電之外,還會對用電量進行計算,對每家每戶的電費進行分析與計算,還可以對我國的供電政策進行有效的落實與執(zhí)行,在供電高峰期超負荷的情況下對不主要的回路進行切斷。
2給排水系統(tǒng)
使建筑物內(nèi)部的中水系統(tǒng)得到正常的運行是智能建筑中給排水系統(tǒng)的運行目標與任務(wù),給排水系統(tǒng)的主要功能是將建筑物內(nèi)水泵與排水泵、污水泵等運行狀態(tài)進行監(jiān)測與管理,使建筑內(nèi)各水箱的水位保持在安全可靠的限制值當中。另外,給排水系統(tǒng)還會對給水系統(tǒng)的壓力進行測量,使水位與壓力保持在安全范圍內(nèi),根據(jù)水位與壓力的變化及時進行水泵的關(guān)閉與開啟。
3照明系統(tǒng)
智能建筑中的照明系統(tǒng)是建筑物內(nèi)主要的節(jié)能系統(tǒng),節(jié)能減排主要體現(xiàn)在照明系統(tǒng)的運行之中。照明系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度與運行力度是建筑物自動化與智能化的重要體現(xiàn)。在智能建筑中,電能是不可缺少的,照明系統(tǒng)是除了空調(diào)系統(tǒng)之外最大的電能消耗系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的建筑管理方法相比,智能建筑中的自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)40%左右電能的節(jié)省。照明系統(tǒng)的節(jié)能,主要利用于自動化系統(tǒng)對于停車場、走廊與對門廳等照明進行開啟與關(guān)閉控制,對建筑物內(nèi)的照明回路進行分組控制,使用電量過大、電路負荷過多時進行自動切斷,對辦公室與廳堂這些地方的照明系統(tǒng)進行無人熄燈的自動控制。這些控制的實現(xiàn)可以利用計算機中設(shè)定的開關(guān)開啟與關(guān)閉時間進行遠程控制,門鎖與紅外線也是比較好的照明系統(tǒng)控制手段。
4電梯系統(tǒng)
電梯系統(tǒng)屬于智能建筑中的交通系統(tǒng),對電梯系統(tǒng)的自動化管理也是樓宇交通管理的重要內(nèi)容。對于電梯而言,其本身具有全套的自動控制裝置,但是,要使其成為智能建筑中樓宇自動化系統(tǒng)的一部分,要將電梯本身的控制裝置與樓宇的自動化系統(tǒng)相聯(lián)系,使其實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,使建筑物的管理者可以對電梯的運行狀況進行及時的掌握與分析,在有意外事故發(fā)生的時候,可以利用自動化系統(tǒng)對電梯進行有效的控制。
5保安監(jiān)控系統(tǒng)
保安監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成。第一,閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)。閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)主要是利用攝像機完成的,管理人員將攝像機安放在需要進行監(jiān)控的各個區(qū)域之間,利用電纜這一中介將圖像傳達到建筑控制中心,使建筑物的管理人員可以對大樓內(nèi)部的實時情況進行觀察與管理。還可以利用現(xiàn)代化的計算機技術(shù)對這些上傳的圖像進行分析,使影視中的物體與煙霧等不安全因素得到確認,為事故的處理提供證據(jù)。第二,出入口控制系統(tǒng)。對建筑物的出入口進行控制,就是利用電子鎖或者是門磁開關(guān)這些設(shè)備對建筑物的人群進行控制。將讀卡機等設(shè)備安裝在建筑物當中,使建筑物的進入具有一定的權(quán)限性,對進入到建筑物的對象與建筑物的開放時間進行控制,隨時掌握人員的出入情況。第三,防盜報警系統(tǒng)。防盜功能的實現(xiàn),是利用各種敏感軟件的安裝實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部空間的控制,比如說紅外線與震動傳感器等等,將其安裝在重要的防盜部位,如果監(jiān)測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常,報警系統(tǒng)可以做出相應的反應,通過建筑物管理人員對異常情況進行及時的處理。
6結(jié)束語
關(guān)鍵詞:交流接觸器智能控制設(shè)計應用
0引言
隨著單片機性能價格比的大幅度提高,把計算機和微處理器技術(shù)應用于工業(yè)控制特別是增加低壓電器智能化功能,具有較大的市場經(jīng)濟潛力。我們在交流接觸器智能控制方案和具體實施中做了大量的研究和可行性分析,開發(fā)了一種具有智能化功能的裝置。把該裝置和交流接觸器相組合,就可以增加交流接觸器的智能化功能。它具有設(shè)置簡單、使用可靠、節(jié)能控制、在線更改設(shè)置和顯示等功能。單片機在接到閉合或分斷指令時,可以根據(jù)最佳分斷、閉合相角輪流控制三個觸點進行過零分斷與閉合,減小了火花能量。利用它與中央控制計算機的雙向通訊,可以形成局域控制網(wǎng)絡(luò)和簡單DCS系統(tǒng)。它在工業(yè)、油田、煤礦、農(nóng)村(灌溉系統(tǒng))和城市等領(lǐng)域和地區(qū)有廣泛的應用前景。
1接觸器智能化內(nèi)容和工作原理
我國目前使用的接觸器、斷路器和保護器(例如熱繼電器)均為機械非智能型的。一般為交流吸合、交流吸持和隨機分斷,且線包電壓有220V和380V之分。實驗告訴我們,不論是220V還是380V的線包,只要加上不低于160V的直流電壓,接觸器均能可靠吸合,并且不會產(chǎn)生一、二次彈跳。此時,只要維持吸持電壓不低于直流15V,就可以穩(wěn)定地保持吸合狀態(tài)。分斷過程一旦發(fā)生,必然伴隨有電弧產(chǎn)生。確定分斷過程何時發(fā)生的唯一原則就是在時間允許的前提下使電弧總能量最小。對于單相電磁電路,觸點合斷的最佳時刻應該是主電路電流過零之時,而對于三相電磁電路來說,如果分斷過程發(fā)生在某一相電流過零時刻,此時三相電弧的總能量應該為最小。輪流控制三個觸點的過零分斷,可以使它們有相同的使用壽命。
視控制對象和要求,本方案采用繼電器或可控硅作為控制接觸器線包通斷的元件。在單片機的控制下,系統(tǒng)按設(shè)置要求運行并顯示。整個電路構(gòu)成簡單,運行平穩(wěn)。當啟動過程結(jié)束,高壓自行撤除,續(xù)流電路維持吸合狀態(tài)??傮w控制原理如圖1所示。
根據(jù)框圖可以看出,接通電源以后,整流回路、穩(wěn)壓電源回路及單片機系統(tǒng)得電。相電流設(shè)置完成后,單片機就開始采樣并與設(shè)定值進行比較,啟動回路和續(xù)流回路系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。單片機在對電源電壓和相位的不斷采樣、比較、記錄的同時,等待啟動信號。如果得到信號,就會在不大于20ms的時間內(nèi)適時通過啟動回路給線包加上一個相應的高電壓,動觸點在強激磁產(chǎn)生的吸力作用下,克服彈簧推力和慣性,迅速向靜觸點運動。單片機可以通過傳感器判斷觸點的吸合情況并控制續(xù)流回路,及時提供合適的吸持電壓。一旦發(fā)現(xiàn)電源電壓小于釋放電壓,單片機立刻選擇合適的相位,停止向線包供電,觸點在彈簧的作用下復位。顯然在啟動過程中,相電流會激增甚至超過設(shè)定值,電流激增的程度和激增持續(xù)的時間與電動機所帶負荷有關(guān)。這可以根據(jù)部頒標準和行業(yè)要求,增加相關(guān)程序,就可以很好地區(qū)分不同的負荷情況甚至短路而自動選擇相應的啟動保護時間,使電動機可以帶載啟動。
2單片機的選用和基本硬件的設(shè)計
為了安裝與使用的方便,輸入電壓可以設(shè)計成自適應型的。傳感器是在磁環(huán)或矽鋼片上繞一個繞組并通過整流裝置送入單片機。單片機通過傳感器取樣比較后,最終輸出的是一個電平信號或某一頻率的脈寬信號,用于驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。而強電強磁的干擾往往使之產(chǎn)生誤動作。為此,需要采取多項措施抗干擾,除了屏蔽、光電隔離等傳統(tǒng)措施以外,還可以通過帶通濾波和采樣算法來抑制干擾。單片機分別選用美國Motorola公司的M68HC系列和Microchip公司的PIC系列單片機。Motorola公司的單片機在汽車上的應用非常普遍,有很強的抗干擾性能,而Microchip公司的PIC系列單片機由于內(nèi)部有A/D,其電路就相對簡單了。由于這些單片機的內(nèi)部資源比較豐富,采用分時動態(tài)掃描模式進行顯示,其外部元件非常少,不但降低了成本,而且使可靠性大大提高。
3單片機主程序框圖
交流接觸器智能化程度的高低,主要取決于控制方案的選取和軟件的編制。程序的總體框圖如圖2所示。
程序在執(zhí)行時,首先要對電網(wǎng)電壓取樣,若電網(wǎng)電壓的不平衡度大于30%,程序拒絕繼續(xù)執(zhí)行,并用發(fā)光二極管對此項進行顯示。此項檢測通過以后,單片機根據(jù)相位同步信號和上次吸合、分斷過零觸點的記錄,選擇下一個觸點作為目標觸點,同時根據(jù)采樣電壓的數(shù)值,選擇合適的吸合相角,進入控制待機狀態(tài)。吸合命令一到,單片機立刻執(zhí)行吸合子程序。吸合結(jié)束,單片機便使主控器件截止,系統(tǒng)自動進入吸持階段,線包以低電壓、小電流維持勵磁吸合狀態(tài)。
4實驗研究
可行性實驗是在開發(fā)裝置上進行的??紤]到系統(tǒng)的抗干擾能力和操作方便,選擇擦寫方便的89C52單片機,和蘇州機床電器廠生產(chǎn)的JZ7型號中間繼電器(380V,5A)組合,進行了大量的實驗,基本情況如下。
(1)吸合及分斷過程
接觸器繞組的工作電壓為380V,在交流220V的條件下無法完成吸合。和智能裝置進行組合,同樣在220V的情況下,吸合一次完成。用示波器觀察,吸合指令和執(zhí)行機構(gòu)的時間誤差最大不超過40ms,76%以上在20ms以內(nèi)。在不產(chǎn)生一、二次彈跳的前提下,吸合電流為0.12A,而吸持電流僅為6mA,效果相當理想。當外電壓降到160V,觸點自動斷開,單片機處于采樣、待機狀態(tài)。
大量的實驗告訴我們,對于同一類型的接觸器和斷路器,它們彈簧彈力和動點質(zhì)量基本相同,因而具有相同的慣性。電網(wǎng)電壓的波動使磁力克服慣性移動相同距離的時間是不同的,因而導通相角和導通時間也應該不同。把不同型號的接觸器和斷路器在不同電壓下的最佳吸合相角和吸合時間制成表格,單片機以查表的方式進行控制,可以使接觸器工作在最佳狀態(tài)下。
分斷過程有相似的結(jié)論。這里單片機要做兩項工作:更換取樣觸點和確定分斷時刻。后一項工作也是在大量實驗的基礎(chǔ)上查表完成的。目前正在利用新的傳感技術(shù)和過程取樣技術(shù),完善過零分斷的閉環(huán)控制,通過自學習功能自動更新表格中的相關(guān)數(shù)據(jù),提高模塊的智能化程度。
(2)吸持過程
啟動過程結(jié)束以后,線包就在低電壓、小電流狀態(tài)下工作。單片機在維持這種狀態(tài)的同時,對吸合電壓及電網(wǎng)不平衡度進行監(jiān)視,一旦有短路、斷相、電網(wǎng)電壓不平衡度超過30%或者電網(wǎng)電壓低于160V及啟動運行電流超過設(shè)定值,控制回路立刻按過零要求進入分斷子程序進行失電分斷,從而保護設(shè)備的安全。
(3)通信聯(lián)網(wǎng)
通過單片機的串行口與微機RS232相聯(lián),從微機鍵盤或鼠標修改單片機的控制參數(shù),同時將單片機的各路電流采集值讀回微機顯示。這樣聯(lián)網(wǎng)后可對各被控對象的運行狀態(tài)實時監(jiān)控,易于操作。
5結(jié)論
選擇不同的單片機,可以組成具有較強抗干擾能力和運行可靠性的產(chǎn)品,其抗干擾能力雖然不如PLC,但其較高的性能價格比,運行效果仍然令人滿意。和新的傳感技術(shù)相結(jié)合,可以增加包括監(jiān)測觸點溫度在內(nèi)的具有學習功能的智能化產(chǎn)品,和我國大量的接觸器、斷路器相組合,將是我國低壓電器擺脫落后局面、走出低谷的有利契機,必將為提高我國低壓電器的檔次作出貢獻。
參考文獻:
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關(guān)鍵詞:接觸式智能卡單片機電能計量智能電控計量
1概述
在農(nóng)田水利灌溉中,往往采用固定機井或固定水泵對不同用戶分時供水的方式,在供水過程中不可避免的會出現(xiàn)用電計量和收費問題。通常所采用的方法是計錄電能表的讀數(shù),過后再根據(jù)水泵使用的時間分攤電費,這種方法計量誤差大,不能真實的反應實際的用電量情況,給用水管理帶來很多不必要的麻煩和糾紛。這里介紹一種在傳統(tǒng)電控計量箱的基礎(chǔ)上,增加用電量的數(shù)據(jù)采集裝置,采用IC卡技術(shù),實現(xiàn)一戶一卡、預付電費、持卡消費的用電管理方法。每個用戶都有一個IC卡,用水前先到用電管理部門或用電委托管理部門在卡上預付電費,然后,在電控計量箱上插卡用電,電能表計量用電情況,并將消耗的電量從IC卡上扣除,當卡上的預付電費扣除完,控制單元控制接觸器動作切斷電源停止供電。當用戶用電完畢時,可將IC卡從電控計量箱卡槽內(nèi)取出,控制單元也控制接觸器動作切斷電源停止供電。采用這種方法解決了用電過程中的各種不合理現(xiàn)象,避免了糾紛的發(fā)生,同時也提高了用電的信息化管理水平。下面介紹裝置的具體結(jié)構(gòu)和工作原理。
2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路
傳統(tǒng)的電控計量箱由電能表、刀閘開關(guān)、保險絲和接線端子等組成,根據(jù)計量箱內(nèi)的機械式電能表的讀數(shù)來收取電費。針對上面提到的傳統(tǒng)電控計量箱的所存在的問題,增加了以下單元組成IC卡智能電控計量箱:
電能表轉(zhuǎn)盤的脈沖采樣和脈沖遠傳裝置;
單片機組成中央控制單元,負責用電量的采樣、IC卡的管理和輸出控制;
IC卡的讀寫裝置;
控制用電量的執(zhí)行機構(gòu)。
IC卡智能電控計量箱采用具有脈沖遠傳功能的機械式三相電能表作為用電計量的控制依據(jù),采用AT89C2052單片機組成的電控計量箱的中央控制單元,IC卡采用CPU智能卡作為信息載體,通過中央處理單元采樣電能表的走字情況,并從IC卡上扣除消耗的電量,根據(jù)讀取IC卡上存儲的預付費電量情況,控制中間繼電器和交流接觸器等實現(xiàn)用電量的IC卡預付費控制。圖1是系統(tǒng)的總體框圖。
380V交流電的A、B、C三相分別接入電能表輸入端,三相電能表輸出端通過接觸器C的三對常開觸點輸出三相交流電能。交流接觸器C的吸合線圈受中央控制單元中的5V直流繼電器和中間繼電器控制,當不插卡時,交流接觸器釋放斷開輸出回路。當插卡時,中央控制單元首先讀入IC卡上預付電費情況,控制交流接觸器吸合接通三相交流回路。電能表計量電能消耗,并將計量的用電量以脈沖的形式輸入中央控制單元,中央控制單元將脈沖信號轉(zhuǎn)換成電能讀數(shù),以0.01kWh為一個計量單位,對IC卡的預購電量進行扣除,直到預購電量用完,接觸器C釋放切斷輸出電源。在使用過程中取出IC卡,接觸器C也會釋放觸點切斷輸出。
3中央控制單元的原理框圖及硬件結(jié)構(gòu)
中央控制單元由AT89C2051單片機、脈沖采樣單元、IC卡讀寫單元、LED數(shù)碼顯示單元、EEPROM存儲器單元、交流接觸器控制單元等部分組成,圖2是中央控制單元的系統(tǒng)框圖。
3.1用電量的數(shù)據(jù)采樣及脈沖遠傳方式
電能計量使用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤式三相電能表,電能的計量來自于轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),在電能表轉(zhuǎn)盤的相應位置開一小孔,采用光電耦合式傳感器檢測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程中透光和遮光次數(shù),轉(zhuǎn)盤每旋轉(zhuǎn)一圈,完成一次遮光和透光,光電接收端就會輸出一個脈沖,并輸入到中央控制器進行處理。記錄脈沖的個數(shù)就會間接檢測出鋁盤轉(zhuǎn)過的圈數(shù),從而根據(jù)圈數(shù)與用電量的關(guān)系計算出用電量。圖3是脈沖檢測的電路原理圖。
3.2中央控制單元的硬件設(shè)計
中央控制單元由89C2052單片機、CPU卡讀寫裝置、電能表脈沖計量單元、接觸器控制部分、AT24C02EEPROM、數(shù)碼顯示單元及電源等部分組成。具體電路圖見圖4。
智能卡電控計量箱采用插卡供電,取卡停電的工作方式,插卡后系統(tǒng)顯示CPU卡上預購的電量,在用電過程中,不斷從CPU卡上扣除消耗的電量,顯示卡上剩余電量。在電控計量箱工作過程中,單片機與CPU卡通過串行接口隨時交換信息。
AT24C02EEPROM用于存放用戶的密碼信息、用戶的用電信息以及脈沖當量與用電量的換算關(guān)系等。四位LED數(shù)碼顯示用于時實顯示CPU卡上剩余電量數(shù)、錯卡信息、故障信息等,使用戶能夠掌握電控計量箱的工作狀況和卡上的剩余電量情況。
供電控制采用三級繼電器控制,即單片機P1.7通過三極管T3控制直流繼電器J的吸合與釋放,直流繼電器J的常開觸點控制中間繼電器Z的吸合線圈,中間繼電器Z的常開觸點控制交流接觸器C的吸合線圈,接觸器C的常開觸點控制計量箱三相交流電源的輸出。
4系統(tǒng)的軟件設(shè)計
圖5為系統(tǒng)軟件總體框圖,而系統(tǒng)應用軟件包括:
初始化程序:RAM單元的清零和參數(shù)預置、單片機的異步串行通信工作方式設(shè)置、中斷設(shè)置、定時器設(shè)置、CPU卡的上電復位和下電復位、系統(tǒng)的自檢等;
顯示及監(jiān)控程序:初始化完成后,單片機檢測卡座是否有卡,等待插卡操作,同時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài);
CPU卡讀寫操作程序;
用電量采集程序:檢測電能表輸出的反映實際用電量的脈沖,并將脈沖換算成電量,當電量達到0.01kWh時,從卡中扣除所使用的電量;
輸出控制程序:卡座內(nèi)無卡或卡上無剩余電量時,控制接觸器切斷供電輸出。
1.1保安監(jiān)控系統(tǒng)的作用
隨著我國改革開放的推進,一批批適合信息社會需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的智能大廈拔地而起。
為了防止各種偷盜和暴力事件的發(fā)生和危害,確保大廈的安全,生命和財產(chǎn)不受損害,智能保安系統(tǒng)的設(shè)置是必要的。
隨著科技的發(fā)展,新的犯罪手段對保安系統(tǒng)也提出了新的要求,在信息時代的今天,對錢、財物、人身安全的保護是一方面,而對儲存在計算機里的大量的重要文件、數(shù)據(jù),更需要保護。
在一個智能化大廈內(nèi),不僅對外部人員要防范,對內(nèi)部人員也需要加強管理;對某些重要的地點、物品,以及重要的人物也需要特殊的保護。因此,對現(xiàn)代化的大廈,需要設(shè)置多層次、立體化的保安系統(tǒng)。
1.2保安監(jiān)控系統(tǒng)的等級
1.2.1確定防護等級
(1)相關(guān)規(guī)范
《安全防范工程程序和要求》GA/T75一94
《安全防范系統(tǒng)通用圖形符號》GA/74一94
《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50198-94
根據(jù)上述規(guī)范,結(jié)合安全防范的風險狀況和工程實際情況,從而綜合確定安全系統(tǒng)達到的防護等級。(2)安全技防系統(tǒng)的種類
周界報警系統(tǒng);
玻璃破碎報警裝置組成的大廈外墻的警戒系統(tǒng);
電視監(jiān)控系統(tǒng)(圖像復核系統(tǒng));
入侵移動探測報警系統(tǒng);
音頻監(jiān)聽系統(tǒng)(聲音復核系統(tǒng));
強光照明系統(tǒng);
(3)安全防范等級及主要配置(按四級劃分)
A.四級防護安全防范系統(tǒng)
營業(yè)場所(指銀行)的門、窗應設(shè)開關(guān)式報警裝置(如門磁開關(guān));
設(shè)置手動或腳踏式緊急報警裝置和聯(lián)動警鈴;
報警信號應送保安值班室及附近公安機關(guān)。
B.三級防護安全防范系統(tǒng)
與四級防范系統(tǒng)裝置相同;
設(shè)置空間立體防范系統(tǒng):設(shè)空間(室內(nèi)與走廊)入侵探測器;
中心控制設(shè)備具有監(jiān)昕復核(錄音)功能,記錄報警發(fā)生的時間、士也點;
對營業(yè)室、主通道設(shè)電視監(jiān)控
報警系統(tǒng)與公安報警網(wǎng)。
C.二級防護安全防范系統(tǒng)
與三級防范系統(tǒng)裝置相同;
電視監(jiān)控設(shè)備具有自動、手動切換功能,多畫面顯示功能;
對于實行柜員制的營業(yè)場所,應設(shè)一對一的攝錄像裝置;
密碼控制由專人操作報警系統(tǒng)的啟停、布防、撤防、旁路、復位等;
控制中心設(shè)備具有有線、無線及其互轉(zhuǎn)換功能,保證報警信號準確且送往有關(guān)接警部門;
有條件的營業(yè)場所設(shè)人口控制系統(tǒng),實行信息卡出入(門禁系統(tǒng))。
D.一級防護安全防范系統(tǒng)
所選探測器應有兩種及以上不同探測技術(shù)組成的入侵探測系統(tǒng);
營業(yè)場所營業(yè)期長時錄像。遇突發(fā)事件時,應自動啟動照明、錄音、錄像;統(tǒng));
設(shè)出入口控制系統(tǒng),通過信息卡對主要分區(qū)的人員分級、分檔管理;
中央控制室應能在接受報警信號同時立即識別部位、,性質(zhì)(搶劫、盜竊、火災、故障等),且在屏幕上顯示、打印、記錄、存儲報警時間、地點、性質(zhì)及處置預案;
其余與二級防范系統(tǒng)相同。
1.2.2保安監(jiān)控系統(tǒng)的層次
(1)外部入侵保護:此部分是預防外部無關(guān)人員侵入,需相應設(shè)置周界、門窗、通道、出入口等的報警、復核等處置措施,防罪犯于區(qū)域之外。
(2)區(qū)域保護:此道防線是探測非法入侵此區(qū)域者,把信息送往監(jiān)控中心,中心作出處理。
(3)目標保護:這道防線是對特定目標的保護,如保險柜及重要房間。
2保安系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在科技發(fā)達的今天,再不僅僅是加鎖、站崗、放哨等的傳統(tǒng)防范設(shè)施。鎖無論怎么堅固總可以被打開,精神抖擻的哨兵也有打盹兒的時候。在今天,利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)(即4C技術(shù))制造出智能防盜保安系統(tǒng),各子系統(tǒng)獨立發(fā)揮其功能,同時子系統(tǒng)間又集成為一個防范統(tǒng)二體,從而確保大廈的安全,營造一個極好的工作、生活環(huán)境。2.1出入口控制
2.1.1控制原理所謂的出入口控制就是對出人口的管理,該系統(tǒng)控制各類人員的出人以及他們在相關(guān)區(qū)域的行動,通常被稱作門禁系統(tǒng)。其控制的原理是:按照人的活動范圍,預先制作出各種層次的卡,或預定密碼。在相關(guān)的大門出入口、金庫門、檔案室門、電梯門等處安裝磁卡識別器或密碼鍵盤,用戶持有效卡或密碼方能通過或進入。由讀卡機閱讀卡片密碼,經(jīng)解碼后送控制器判斷,如符合,門鎖被開啟,否則報警。
2.1.2持卡方式的特點
(1)卡的密碼可隨時從系統(tǒng)中取消,不怕丟失,不怕帶走。
(2)卡的密碼帶有時間性,可預先設(shè)定有效時段。
(3)持卡人在所有出入口的活動都被計算機記錄在案,可隨時打印、分析。
(4)節(jié)省管理人員。使用計算機管理系統(tǒng),在控制室就可以控制全部出入口。這樣,不僅提高效益,節(jié)省人力,也避免了人為的失誤、提高了保安效果。
2.1.3門禁系統(tǒng)的種類
有光學卡、磁矩陣卡、磁碼卡、條碼卡、紅外線卡、鐵碼卡、感應式卡,以及生物辨別系統(tǒng),如指紋機、掌紋機、視網(wǎng)膜辨識機、聲音辨識機等等。從接觸卡到非接觸卡,從l00mm到幾千mm的感應卡均被廣泛采用。
上述各種卡對應著各種門禁機,門禁機主要有聯(lián)網(wǎng)型和非聯(lián)網(wǎng)型(獨立型)。有單門門禁機,也有雙門及四門、八門的門禁機。這使得門禁的應用非常靈活。配合門禁機還有門磁開關(guān)和按鈕等。若干門禁機與門禁系統(tǒng)的從門控制器與主門控制器相連。門禁機和門控制器內(nèi)部由計算機控制,門禁機所需電源常為DC12V,由門控制器提供,一般在控制器附近都設(shè)有電源AC220V50Hz/DC12V。
2.1.4門禁系統(tǒng)設(shè)置部位
對于綜合性智能大廈而言,設(shè)置部位大致有:各重要辦公室、金庫、銀行營業(yè)室、中央控制室、各通信、弱電機房等。
2.2防盜報警系統(tǒng)
2.2.1防盜報警器的作用防盜報警系統(tǒng)就是用探測器對建筑物內(nèi)外重點區(qū)域、重要地點布防,在探測到非法入侵者時,信號傳輸?shù)綀缶刂破?聲光報警,顯示地址,有關(guān)值班人員接到報警后,根據(jù)情況采取措施,以控制事態(tài)的發(fā)展。防盜報警系統(tǒng)除上述報警功能外,尚有聯(lián)動功能。諸如:開啟報警現(xiàn)場燈光(含紅外燈)、聯(lián)動音視頻矩陣控制器、開啟報警現(xiàn)場攝像機進行嚴視,電視矩陣控制器一系列聯(lián)控:使監(jiān)視器顯示圖像、錄像機錄像、多媒體控制器自動或人工操作等等這一切都可對報警現(xiàn)場進行聲音、圖像等進行復核,從而確定報警的性質(zhì)(非法入侵、火災、故障等),以采取有效措施。
2.2.2防盜報警系統(tǒng)的構(gòu)成
智能建筑的防盜報警系統(tǒng),負責建筑內(nèi)各個點
、線、面和區(qū)域的偵測任務(wù)。它一般由探測器、區(qū)域控制器和報警控制中心三部分組成。(1)探測器
探測器負責探測人員的非法入侵,有異常情況發(fā)出聲光報警,同時向區(qū)域報警器發(fā)送信息。
開關(guān):開關(guān)是基本、簡單、經(jīng)濟而有效的探測器。常用的有:微動開關(guān)、磁簧開關(guān)兩種。線路連接分常開、常閉二種。開關(guān)的閉合或開斷,使電路導通啟動警報。
光束遮斷式探測器:目前用得較多得是紅外對射式,它由紅外線發(fā)射器和接收器組成。當罪犯跨越門窗或其它防護區(qū)時,遮斷紅外光而弓|發(fā)報警。為確保此類探測器的準確需配置頻率和相位鑒別電路。
熱感式紅外探測器:也稱被動式立體紅外線探測器。它是利用人體溫度來進行探測的。眾所周知,任何物體,因表面溫度不同,會發(fā)出強弱不等的紅外線,即輻射出的紅外線波長不同。人體所輻射波長約10μm,這一特性被用來制造熱感式紅外探測器。其中焦電式具有最佳的靈敏度和響應速度。故目前用得較普遍。其上設(shè)有7~15問n波長的帶通濾波器。以屏蔽非人體紅外波,確保報警準確。
微波物體移動探測器:利用微波設(shè)備對移動物體(含人)發(fā)射和反射頻差的多譜勒效應,即可探測出人的入侵。
超聲波物體移動探測器:與微波移動探測器類似,但波長有差別,超聲波頻率常在20KHz以上。
偵光式移動探測器:必須在有光線的環(huán)境中才能使用,其原理是利用二個光電池組成差動探測裝置,能探測出周圍光線的微量變化。
玻璃破碎探測器:它是利用壓電式拾音器,裝在面對玻璃面的位置,它對玻璃高頻聲有效檢測、報警,已廣泛用于門窗防護上。
還有其它一些類型探測器,此處從略。
(2)區(qū)域報警器
通常一臺區(qū)域報警器能容納8個回路的輸入信號,經(jīng)處理,信號送往電視監(jiān)控系統(tǒng)的視頻矩陣切換控制器,以實現(xiàn)聯(lián)動控制。在一般的系統(tǒng)中,區(qū)域報警器≤8臺,即≤64個回路,當多于64個回路時,需改用微機控制的報警系統(tǒng)。
(3)報警控制中心
報警控制中心,通常和電視監(jiān)控中心合設(shè)。其功能是通過控制鍵盤查看系統(tǒng)工作情況,突發(fā)事件的報警可在監(jiān)視屏上自動彈出報警部位,并記錄時間和地址。目前,部份產(chǎn)品在中心設(shè)報警輸入卡,容量為128路/塊,根據(jù)需要可增高至2048個點。報警插入卡與CCTV控制器的連接是RS232口。
2.3閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)
在保安系統(tǒng)中越來越多的應用電視監(jiān)控系統(tǒng)。它使管理人員在控制室便能看到大廈內(nèi)外重要地點情況,給保安系統(tǒng)提供視覺效果,為消防、樓內(nèi)各機電設(shè)備的運行及人員活動提供了監(jiān)視手段。
2.3.1閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
依功能基本結(jié)構(gòu)可分為:攝像、傳輸、控制和顯示與記錄四部分。
(1)攝像機
攝像機是監(jiān)視系統(tǒng)的重要部件。而大量采用電荷稠合式CCD(charge一cowpleddevice)攝像機。攝像機色彩有黑白與彩色之分。根據(jù)用途和經(jīng)濟狀況選取其一。攝像機的靶面大小用1/3、1/2、2/3寸來表示。在選鏡頭時要注意配合二者的尺寸。
攝像機有PAL、NTSCK和SECAM三大制式,中國選用PAL制式。選取攝像機時,還需考慮照度要求,如需要可選取紅外燈飾。
(2)鏡頭
設(shè)計中鏡頭的選擇同攝像機的選擇是同等重要的。選擇鏡頭的依據(jù)是觀察的視野和亮度變化的范圍,同時兼顧CCD攝像機的尺寸,它們之間的關(guān)系是:視野決定用定焦距還是變焦距的鏡頭,定焦距取多大焦距,變焦距選擇什么范圍,亮度的變化決定是否使用自動光圈鏡頭。
清晰度:是鏡頭的重要指標。想成像清晰,則分辯率要高,即在單位長度上能分辨的黑白條紋數(shù)大,一般用公式求得:
N=180/h
N----鏡頭分辨率(對線/厘米)
h----畫幅格式的高度(厘米)
通常1/2"畫幅4.8x6.4(mm2)N=38對線/mmh=4.8mm
1/3"畫幅3.6x4.8(mm2)N=50對線/mmh=3.6mm
鏡頭的尺寸:目前有1、2/3、1/2、1/3和1/4寸等。一般鏡頭與攝像機同尺寸或鏡頭尺寸大于攝像機尺寸。
焦距:鏡頭的焦距和攝像機靶面大小決定了視角。靶面(攝像機靶面)一定,焦距短,則視野大,焦距大,則視野小。用w·h分別表示CCD靶面的寬度、高度,f為鏡頭的焦距,那么可求得視角值。
Qh=2tan-l(w/2f)(0)水平視角
Qv=2tan-l(h/2f)(0)垂直視角
光通量F:光通量指示光線入鏡頭的多少,是焦距與通光孔徑的比值F=f/φF光通量(無量綱);f一焦距(mm);φ----通光孔徑(mm),鏡頭規(guī)格中常標注最大F值,如6mm/F1.4,此鏡頭通光孔徑為4.29mm。光線變化較大場合(如室外)需自動光圈鏡頭。
總之影響攝像效果的有六大因素:被攝物尺寸、被攝物細尺寸、被攝物與攝像機鏡頭的距離、攝像鏡頭的焦距、光學接收器的尺寸(靶尺寸)、鏡頭及攝像系統(tǒng)的分辨率。設(shè)計中要綜合考慮。
(3)信號傳輸
視頻信號的傳輸:傳輸方式有一般同軸電纜、平衡對電纜、電纜電視同軸電纜、光纜、電話線等,國產(chǎn)SYV-75-2~75一33-2的波阻抗為750,電容不大于76PF/m,30MHz時的衰減不大于0.86dB/m。
控制信號的傳輸:控制中心要對現(xiàn)場的設(shè)備進行控制,一般都通過設(shè)備解調(diào)器進行。常用的控制方式有:通信編碼的控制方式和同軸視控。前者是把控制信號串行編碼:用單根線路傳送多路控制信號。其控制距離可達1km,如中間加放大處理,可達10km以上,如利用光纜,則距離會更遠。后種方式即同軸視頻控制方式,這種方式是視頻和控制信號復用一條同軸電纜。此種方式也有二種辦法,其一,是把控制信號調(diào)制在與視頻信號(50Hz~4MHz)不同的主頁率范圍,然后與視頻信號復合在一起傳輸,到現(xiàn)場再把它們分解開(解調(diào))。其二,是利用視頻信號場消隱期間傳送控制信號。目前使用第一種。
(4)顯示與記錄
此類設(shè)備包括監(jiān)視器、錄像機及視頻處理設(shè)備,這些設(shè)備都安裝于控制室內(nèi)。目前監(jiān)視系統(tǒng)專用錄像機用普通帶l80分鐘可錄如,最長可達960h。除了長時外,錄像機還需遙控功能,能用控制信號操作錄像機。
(5)視頻切換器
視頻切換器的使用,可用少量監(jiān)視器看多個監(jiān)視點,目前設(shè)備有幾路輸入,1路輸出,還有幾路輸入,m路輸出,這極大地提高了監(jiān)視器的效率。
還有多畫面分割器二在一臺監(jiān)視器上同時可觀看多路監(jiān)視信號,此技術(shù)在控制中心也被普遍采用。
2.4停車場管理系統(tǒng)的保安功能
一般的智能大廈地下室均設(shè)有停車場,對停車場進行自動化管理是必要的,停車場管
系統(tǒng)的功能大致有:出、人口控制、泊車位導向、攝錄車輛外形、特征、牌號、記時收費。其中車牌影像識別系統(tǒng)具有保安功能,它可防止偷車事件發(fā)生。當用戶人場取票或使用月票、儲值票時,電腦會通過人口處的攝像機,將車型、車牌號碼的彩像記錄,同時也記錄下該入場票或月票、儲值票的編號。當用戶離場付費或驗票時,電腦會自動將該車編號票證持有者擁有的車輛的車牌、車型等與在入場時留下的錄像的車牌、車型等同時顯示在顯示屏和閉路電視監(jiān)視器上,工作人員確認后,自動開啟閘門放行,同時這些圖像存入計算機硬盤備查。
2.5電梯控制系統(tǒng)的保安功能
對于高層或超高層,電梯控制系統(tǒng)的保安管理顯得重要。某種程度上涉及到全大廈的安全。
保安功能:電梯樓層控制系統(tǒng)。大廈的電梯根據(jù)需要設(shè)置時段管理,如下班后某些電梯停止運行,而另一些電梯按需要運行。在運行的電梯中并非各層都停,而是根據(jù)持有有效卡所前往的樓層停,這部分電梯設(shè)有智慧卡讀卡器,經(jīng)讀卡器識別有效卡,電梯送達相關(guān)樓層。無有效卡者,電梯不予開門,這便有效的控制了樓層人員的活動空間。從而確保大廈安全。
2.6巡更管理系統(tǒng)
智能大廈根據(jù)需要設(shè)置巡更管理系統(tǒng)。其作用是保安人員定點定時前往巡視,把“巡視到位"信號送回保安中心,以示巡更路途平安無事,若“巡視到位,,信號未按時按點返回,則巡視途中即有突發(fā)事件發(fā)生,保安中心將據(jù)此采取措施。
巡更系統(tǒng)就是將巡更開關(guān)安裝在指定的巡更點上。通常設(shè)置門禁機來滿足巡更的要求。
3智能大廈保安系統(tǒng)的具體實施
保安系統(tǒng)的實施,首先應根據(jù)相關(guān)規(guī)范及大廈功能要求確定安全防范等級,在此基礎(chǔ)上,布置安防系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)施,確定規(guī)模、選型、安裝調(diào)試、15f丁。
3.1門禁系統(tǒng)
3.1.1門禁機(讀卡器)的設(shè)置
根據(jù)需要在門外設(shè)置(含房間、樓梯間、通道等)距地1.2~1.3m選型一般為感應卡式,根據(jù)重要性可選指紋型或瞌孔型門禁機,可雙面門禁,也可單面門禁(室內(nèi)設(shè)出門按鈕)。
3.12從控制器
門禁機和門禁主機的連接設(shè)備,根據(jù)需要從控制器可連一、二、四、八個門禁機。從控制器電源設(shè)備選定:AC220V50Hz/DC12V,l-5A。
3.1.3主控制器
主控制器由計算機硬件和軟件組成,安裝于中央控制室。其中包含各種控制擴展板,遙控程序設(shè)置器,機上顯示板,數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)移模塊等。
3.1.4巡更系統(tǒng)讀卡器
讀卡器(讀頭)就是門禁機(巡更開關(guān))。此部分可納入門禁系統(tǒng)一并設(shè)置。
3.1.5電梯門禁系統(tǒng)
前已述及,在部分電梯設(shè)置讀卡器,持有效卡可前往相關(guān)樓層。
3.1.6特別說明
(1)智能大廈可實行-卡通門禁管理,還可進入-卡通消費系統(tǒng)。
(2)門禁系統(tǒng)應能在火災時自動開啟相應的門??衫没馂穆?lián)控裝置來完成此功能。
3.2防盜報警系統(tǒng)
2.1各種探測器的設(shè)置
根據(jù)需要把防盜雙鑒探測器、被動紅外束射探測器、玻璃破碎探測器、各種開關(guān)等布置于大廈出入口、樓梯間、電梯廳、需要防護的門窗、重要辦公室、重要機房等場所。按照不同的布設(shè)環(huán)境選擇不同報警器和安裝方式(如壁掛、吸頂)。
3.2.2聲音復核裝置的設(shè)置
在需要聲音復核的場所設(shè)置微型監(jiān)聽器(電子監(jiān)聽器),一般采取壁掛方式距地2m左右,監(jiān)聽器與音頻矩陣箱間線路多為二芯屏蔽對絞線,如RVVP2×0.5mm2。在控制中心設(shè)有音頻矩陣箱,該箱與視頻切換/控制主機間采用RS485接口,采用對絞線RVVP2×0.5mm2連接。
3.2.3報警控制中心設(shè)置
在小容量系統(tǒng)(路數(shù)≤64):通常按分區(qū)設(shè)置八路報警接口箱,八臺箱使回路可達64個。報警頭與報警接口箱間,通常為3芯屏蔽線,RVVP3×0.5mm2。報警接口箱與視頻切換/控制主機間采用RS-485串行接口,對絞線RVVP2×0.5mm2。
當系統(tǒng)≥64回路時,有兩種解決方案:
其一:選擇大容量系統(tǒng),該系統(tǒng)配置128路報警輸入卡,系統(tǒng)容納8~16臺報警輸入卡,則容量可達2048路報警。如還不夠,可多系統(tǒng)組合。
其二:采用門禁/報警管理系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù):持卡人數(shù)65000;門禁機16320;報警防區(qū)(路數(shù))130560;報警輸出130560;本地打印機225臺;報警狀態(tài)屏1020個;且支持計算機間加密傳輸技術(shù)……。各設(shè)備間連接方式為RS-232/RS一485接口,對絞屏蔽線RVVP2×0.5mm2。
3.3閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)置
3.3.1攝像機的設(shè)置
根據(jù)不同環(huán)境選定不同攝像機以及不同的安裝方式,如攝像機是黑白的還是彩色的,鏡頭配置的選擇,焦距多大范圍,自動調(diào)焦、光圈、聚焦是手動調(diào)節(jié),固定焦距,攝像和鏡頭尺寸的配合,是否設(shè)置云臺,安裝方式的確定,是否選擇球型、半球型攝像機(尺寸的確定),在大廳和電梯轎廂內(nèi)選擇廣角鏡頭,攝像機防護罩的選取、照明燈具的選取等都隨功能的不同而異。
攝像機(含鏡頭)的控制:由控制器解碼器完成。解碼器因功能不同而種類很多,但都是在接收矩陣主機傳來的信號后去遙控云臺,鏡頭和輔助設(shè)備的動作。解碼器與矩陣/控制主機間的連接有二種方式:“C'''',型(同軸控制)和“D型"(對絞線控制)。前面已述及,同軸控制“C?quot;因設(shè)備造價高昂而應用較少。對絞線控制“D型",即RS485方式可控距離達3km。且這種方式可用于光纖、微波以及其它傳送方式。
特別提示:保安監(jiān)控系統(tǒng)的線路因現(xiàn)場設(shè)備安裝位置一般是在走廊、大廳和房間的上部,有的緊貼吊頂,而且同軸電纜和對絞線也較便宜L運行管理獨立,所以一般不宜與大廈綜合布線電纜合用。當然其它數(shù)據(jù)、圖像的傳輸就另當別論了。
3.3.2中央控制室的設(shè)置
為了保安工作的方便,一般中央控制室隨保衛(wèi)部門設(shè)于大廈首層。其設(shè)備主要包括:視頻矩陣切換/控制主機,報警接口箱,音頻矩陣箱,字符發(fā)生器,錄像機,主控鍵盤,副控鍵盤,音視頻監(jiān)視設(shè)備,多媒體終端以及電源設(shè)備等。
視頻矩陣切換/控制主機,目前有各種輸入/輸出規(guī)格,如8×2,8×4,16×6,96×8,還有視頻96人/8出,音頻96入/8出一64路報警8控制鍵盤等。特大型系統(tǒng)有視頻4096入/4096出一報警2048路,32臺鍵盤的切換/控制主機。在設(shè)計和安裝實施中,根據(jù)需要留有余量,設(shè)置規(guī)模,選定設(shè)備。
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