（通信与信息系统专业论文）小区智能化系统设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一：= ：= 摘要 、f 住宅小区智能化作为新兴的产业，既是人们居住环境改善的需要，也是科技发展 的必然。它在传统的建筑结构上采用了现代通信技术、现代计算机技术、现代控制技 术、现代显示技术等先进技术，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段。 不断提高住宅小区的物业管理水平，增强安全防范能力，完善小区信息服务，是住宅 小区智能化的根本目标。y 本文首先介绍了智能住宅小区在我国的发展情况，以及智能小区系统中所采用的 关键技术。通过智能小区系统的功能分析，提出了一种适合我国国情的智能小区系统 方案，该系统主要由中心管理监控机、门栋管理机及家庭安防分机三部分构成。论文 论述了智能小区系统硬件、软件模块的设计与实现；对各硬件模块的功能、工作原理、 工作流程等内容进行了深入的讨论：根据所设计的智能小区系统的特点，提出了智能 小区通信网络的设计方案，系统中采用了一线制总线通信技术，并制定了相应的通信 协议：同时阐述了智能小区系统的软件设计，程序设计中采用了多任务编程思想，实 现了软件系统的所有功能。 一 论文最后给出了智能小区系统的测试方法和测试结果，测试结果显示本系统己达 到设计目标，能满足人们的需求，具有广泛的应用前景。 关键词：智能小区p i c 单片机线制总线c s m a c d 协议多任务 华中科技大罕坝- z - 字位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = ；一一： a b s t r a c t a sa ni n f a n ti n d u s t r y , i n t e l l i g e n tc o m m u n i t yi sd e v e l o p i n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y i ta d o p t st h ea d v a n c e d t e c h n i q u e si nc o m p u t e r , c o n t r o l ，c r ta n dc o m m u n i c a t i o ne ta lo nt r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo f b u i l d i n g ss 0a st op r o v i d eh i g h t e c hi n t e l l i g e n tm e a n st ot h es e r v i c ea n dm a n a g e m e n to f r e s i d e n t c o m m u n i t y i t i st h ee s s e n t i a l o b j e c t o fi n t e l l i g e n t c o m m u n i t yt o r a i s et h e m a n a g e m e n t l e v e lo fr e s i d e n tc o m m u n i t y sf a c i l i t y , t oe n h a n c et h es e c u r i t ya b i l i t yo f g u a r d a n dt oi m p r o v et h ei n f o r m a t i o ns e r v i c e o f c o m m u n i t y t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y i nc h i n aa n d t h ek e yt e c h n i q u e su s e di nt h ei n t e l l i g e n ts y s t e mo fr e s i d e n tc o m m u n i t y b a s e do nt h e f u n c t i o n a n a l y s i s o fr e s i d e n t c o m m u n i t yi n t e l l i g e n ts y s t e m ，p r o p o s e d as c h e m eo f i n t e l l i g e n ts y s t e md e s i g na p p r o p r i a t et ot h es i t u a t i o no f o u rc o u n t r y , t h ei n t e l l i g e n ts y s t e m c o n s i s t so fc e n t e rc o n t r o ld e v i c e ，d o o rc o n t r o ld e v i c e ，h o m ec o n t r o ld e v i c e t h i st h e s i s f o c u s e so i lt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h i s s y s t e m d e s c r i b e di nd e t a i lt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ef u n c t i o na n dt h ew o r k i n gf l o wc h a r to ft h e h a r d w a r em o d u l eb l o c k so ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo f i n t e l l i g e n t6 0 m m u n i t y s y s t e m ，p m p o s e dt h ed e s i g ns c h e m eo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t y sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n w h i c hi n v e n t e do n e - w i r e - c o n t r o lb u sc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e t oi n t e r c o n n e c tt h e t e r m i n a l sa n dt h e n 矗盈蛳t h ec o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i nt h et h e s i sa l s o e x p l a i n e d t h es o f t w a r em o d u l e d e s i g no f t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mi nw h i c ha d o p t e d m u l t i - t a s k p r o g r a m m i n g m e t h o da n dr e a l i z e da l lt h ef u n c t i o n so f t h es o f i 骶s y s t e m i nt h ee n do f t h e t h e s i s ，g i v e no u tt h et e s t i n gm e t h o d a n d t e s t i n gr e s u l t sw h i c hp r o v e s t h a tt h es y s t e mh a dr e a c h e dt h ed e s i g no b j e c t , c o u l dm e e tp e o p l e sn e e d sa n dh a sb r i g h t p r o s p e c t k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y c s w c dp r o t o c o l p i cs i n g l ec h i po n e w i r e - c o n t r o lb u s m u l t i t a s k i i 华中科技大学硕士学位论文 掌= = 暑= = 兰= = 穹盎= = = 昌毫= = = 昌昌= = = 高窖= = = 昌昌= 高；= 墨皇= = 1 1 智能小区的产生和概述 1 绪言 随着2 1 世纪的到来，电子信息技术迅猛发展，逐步渗透到人们生活的各个领域， 提高了人们的生活水平。随着信息技术的发展和生活水平的提高，人们对住宅的安全 性、舒适性、便利性提出了更高的要求，智能小区应运而生【l 】。 智能小区是在住宅小区内综合采用目前国际上最先进的智能建筑4 c 技术，即现 代通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 、现代计算机技术( c o m p u t e r ) 、现代控制技术f c o n t r 0 1 ) 、 现代显示技术( c r t ) ，通过有效的传输网络，建立一个由小区综合信息服务与物业管 理中心，通讯接入网和家庭智能化系统组合的三位一体“小区服务与管理集成系统”， 为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷、高效的超值服务 与管理。 1 2 智能小区的发展历史 智能住宅( s m a r th o m e ) t 2 1 的概念起源于美国，其发展是最为迅猛的。继美国 之后，欧洲、日本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展。 其实现的目标就是：“将家庭中与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装 置通过家庭总线技术( 髓s ) 连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、 控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。” 在我国，智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度却很快。中国建筑智能化 的发展历程大体可以分为三个阶段。可以把它们分别称为：起始阶段、普及阶段和发 展阶段i 3 1 。 ( 1 ) 起始阶段 在上世纪八十年代末、九十年代初，智能建筑主要是针对一些高档公共建筑和特 殊需要的工业建筑。人们对建筑智能化的理解主要包括：在建筑内设置程控交换机系 统和有线电视系统等通信系统，将电话、有线电视等接到建筑中来，为建筑内用户提 供通信手段；在建筑内设置广播、计算机网络等系统，为建筑内用户提供必要的现代 化办公设备；同时利用计算机对建筑中机电设备进行控制和管理，设置火灾报警系统 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = ；= t = ；= = = = ；= = 。= 一： 和安防系统为建筑和其中人员提供保护手段等。这时建筑中各个系统是独立的，相互 没有联系。 ( 2 ) 普及阶段 在九十年代中期。智能建筑迅速在中国推广起来。从技术方面上除了在建筑中设 霞上述各种系统以外，主要是强调对建筑中各个系统进行系统集成和广泛采用综合布 线系统。由于综合布线系统对语音通信和数据通信的模块化结构，在建筑内部为语音 和数据的传输提供了一个开放的平台，加强了信息技术与建筑功能的结合，对智能建 筑的发展和普及产生了一定的推动作用。 ( 3 ) 发展阶段 中国对智能建筑的最大贡献是住宅小区智能化建设。在上世纪末在中国开展的住 宅小区建设是中国独有的现象，在住宅小区应用信息技术主要是为住户提供先进的管 理手段，安全的居住环境和便捷的通信娱乐工具。建设一个到达各家各户的宽带网络， 为生活和工作在这些建筑内的人们提供各种智能化信息服务业务，用户通过这个网络 接受和传送各种语音、数据和视频信号，满足人们信息交流、安全保障、环境监测和 物业管理的需要。以此网络开展各种服务如：安防报警、紧急呼救、远程抄表、电子 商务、网上娱乐、视频点播、远程教育、远程医疗以及其他各种数据传输和通信业务 等。这标志着智能化已经突破般意义上的建筑范畴，而逐渐延伸至整个城市、整个 社会中应用。 1 3 智能小区的发展现状 体现智能小区智能化系统集成的基本技术，实际上依赖于智能小区的三大平台1 4 ： 物理平台结构化综合布线，技术平台计算机网络技术，应用( i t 作) 平台一 一现场总线。对三大平台的理解如图1 1 。 图1 1智能小区三大平台 2 华中科技大学硕士学位论文 智能小区对结构化综合布线的要求是：将小区内所有语音信号、视频信号、数字 信号、监测控制信号等，经过统一的规划设计，通过一套标准的综合布线系统，将小 区的各个子系统连接起来，包括检测、控制和管理。尽管现在国内外已经有相当多的 信息技术产品和检测控制设备，也出现了一些极具影响力的标准和协议，如： l o n w o r k s 、e i b 、c e b u s 、b a c n e t 等等，但还没有统一的建筑智能化开放标准。因 此，现阶段的智能小区采用低成本、有限度的混合结构化综合布线更为现实和明型5 1 。 小区计算机网络系统是小区智能化的基础和核心，是实现小区智能化系统集成的 技术平台。小区智能化是通过计算机网络把所有设备的子网络连接在一起。一般这些 设备对于通信的要求，如带宽、实时性、可靠性都是不同的，对应的硬件接口、通信 协议、拓扑结构、局域网的访问控制和传输媒质也是各异的。所以通过计算机网络技 术，可以将一个由若干不同类型和结构的异构异质局域网互相连成一体，实现小区智 能化系统集成【6 l 。 实现智能小区系统集成的各项功能，尤其是大量需要实时检测、处理、控制、操 作的各类信号，还是以开关量信号以及简单的数字信号为主。采用通常的计算机网络 技术可以处理这些信号，但不可避免的是高成本。因此无论是从实践，还是从理论上， 智能小区系统将更多的选择建立小区现场总线，它甚至影响到智能小区的智能化系统 集成功能的可扩展性。l o n w o r k s 、e i b 、c e b u s 、b a c n e t 等等总线技术已经在智能 建筑的系统集成方面有不同的成功应用，但还没有哪一种协议在未来的智能建筑和家 居自动化方面占主导地位。如l o n w o r k s 可能更适合楼宇自动化的实现，而c e b u s 则更适合家居自动化的实现。 1 4 智能小区的发展趋势 智能小区实际上是一个多位一体的小区功能自动化系统集成，而家庭自动化是以 小区智能化设施为平台，实现家庭的安全舒适合多元信息交互与通讯的能力。家庭自 动化是智能小区的服务目标，智能小区是家居自动化的基础。面向2 1 世纪的智能小 区应该从家居环境的本性出发，用高科技智能化手段实现小区的安全、舒适、方便三 大目标将是智能小区的基本需求【7 1 。当前智能小区发展大致有以下几个趋势： ( 1 ) 提供高度的安全性，如防火、防爆等安全防范设施等。设置火灾自动报警、 煤气泄漏报警、保安对讲、防盗报警等系统。 ( 2 ) 提供舒适宜人的高品位的生活空间和环境，如舒适的室内温度和湿度，良 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = # = = = = = = = = 一一 好的照明环境，适当的冷热水供应，对空调、照明等实行自动控制。 ( 3 ) 具有足够的通信设施，满足家庭办公要求，如图文传真、机顶盒( s t b ) 、计 算机等。 ( 4 ) 提供丰富多彩的文化及教育生活。具有良好的视听设备，如电缆电视、卫 星电视、图文电视、双向电视、音响或家庭影院。 ( 5 ) 要求电气设备与家用电器实现自动化、遥控化。能集中管理水、电、煤气 等能量消耗，以便达到节能的目的。 总而言之，高科技进入现代家庭是历史发展的必然趋势，智能小区为住户提供了 一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化的生活空间。同时，智能 小区依托先进的科学技术，实现小区物业运行的高效化、节能化和环保化。它不仅已 经成为一个国家经济实力和科学技术水平的综合标志之一，而且也是人类社会住宅发 展的必然趋势。目前在我国几大重要城市中智能小区系统已经悄然兴起，需求量也在 逐步上升。专家们预言今后的5 年将有2 0 、3 0 的小区可以称之为智能小区，而再 后的1 0 年以后住宅建设将无一例外的是智能住宅。 1 5 智能小区中的关键技术 在智能小区内，以综合布线为基本传输媒质，以计算机网络( 主要是局域网，包 括硬件和软件) 为主要通信和控制手段：以此对通信网络系统、办公自动化系统、建 筑设备系统等所有功能系统，通过系统集成进行综合配置和综合管理，形成一个设备 和网络、硬件和软件、控制管理和提供服务有机结合于一体的综合建筑环境。 智能小区既包含了设备物理建筑环境，叉包含了管理和服务等方面的软环境，它 是一个综合建筑环境【8 1 。智能小区的关键技术主要包括： ( 1 ) 传感器技术 传感器技术是测量技术、半导体技术、信息处理技术，微电子学、光学等众多学 科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。随着科学技术的不断发展，微型 化、集成化、多功能化、智能化、网络化、系统化、低功耗、无线、便携式已成为新 型传感器的特点。传感器技术的发展为智能小区的智能化水平的提高发挥着巨大作 用。 ( 2 ) 通信技术 4 华中科技大学硕士学位论文 通信技术和通信网络系统是实现智能建筑通信功能和建筑设备自动化、办公自动 化的基础，通过多种通信网络子系统和相应的各种通信技术对来自智能建筑内外的语 音、数据、图像等各种信息进行接收、存贮、处理、交换、传输，为人们提供满意的 通信和控制管理的需求。通信技术在智能建筑中的发展方向是：数字化、宽带化、高 速化、网络化、综合化、多媒体通信。 ( 3 ) 自动控制技术 自动控制技术属于信息科学和信息技术范畴，它是信息处理技术的项技术。现 代自动控制技术主要是数字控制技术，即计算机控制技术和网络技术。现代自动控制 技术是智能建筑起主导作用的一门智能建筑弱电技术。利用网络集成控制技术可以形 成整个智能建筑管理系统i b m s 。目前应用最广泛的是建筑设备管理自动化系统 b m s 。 ( 4 ) 综合布线技术 综合布线技术是信息传输技术的一种特殊传输技术，即它是在建筑和建筑群环境 下的一种信息有线传输技术。它将所有电话、数据、图文、图像及多媒体设备的布线 综合( 或组合) 在一套标准的布线系统上，即这种布线综合所有电话、数据、图文、 图像及多媒体设备于一个综合布线系统中，实现了多种信息系统的兼容、共用和互换 互调等性能。 ( 5 ) 计算机技术 计算机技术是建筑设备自动化的核心技术。以计算机网络为基础连接计算机和建 筑物内空调、电梯等各种设备完成设备自动监控管理和系统集成；完成对消防和安全 防范系统的自动控制和管理。在办公自动化方面计算机技术更是起到不可缺少的主导 作用，使人们利用计算机足不出户就可完成各种层次的办公事务。 ( 6 ) 智能卡技术 智能卡技术己比较成熟地应用于智能建筑安全防范出入口系统和办公自动化人 员考勤管理系统中，而智能小区也在逐步建立小区“一卡通”系统，住户持有一张经 过授权的非接触式智能卡就可以方便享受小区内的各项服务；利用同样的设备，物业 公司在不增加硬件成本的条件下可将内部人员纳入正规化管理，从而为住户提供更高 质量的服务。 ( 7 ) 数据库技术 当今的数据库技术已经相当成熟，在各种数据库结构中，关系型数据库已经成为 华中科技大学硕士学位论文 该领域中发展最快、技术最成熟、使用最普遍的一种数据库。现在大型的关系型数据 库，如o r a c l e 、s y b a s e 等，已经成为主流。这些数据库的操作大同小异，并且在数据库 领域已经具有一种标准的数据库操作语言s q l 语言，可以在这些数据库中通用。 1 6 论文的主要工作和章节安排 本课题的研究对象是智能小区系统的设计，它所涉及的内容很广泛，一个功能完 整的智能小区系统需要更多的时间进行深入研究。因此本文探讨了智能小区在当前的 发展情况，提出了一个智能小区系统的基本实现方案，并对方案中智能小区系统所必 需基本功能的实现进行了详细的分析和探讨。本文后续章节内容安排如下： 第二章整体介绍智能小区系统，包括系统的总体功能结构、系统的设计原则和设 计目标；而且讨论了系统的硬件、软件实现方法，分析了系统的可行性和可靠性。 第三章阐述了智能小区系统的具体设计，分析了单片机的特点，l e d 键盘模块、 通信接口模块、非接触式i c 卡模块、无线通信模块的工作原理和具体实现。 第四章讨论了智能小区系统的通信网及通信协议，针对智能小区中常用的通信网 络，分析了智能小区系统通信网的选择原则，并根据本系统的特点设计了自己的通信 网一线制总线通信网以及相应通信协议。 第五章分析了智能小区系统软件的开发平台和设计方案。讨论了软件设计中采用 的设计思想，以及各软件功能模块的具体设计。 第六章介绍了智能小区系统采用的测试方法，并给出了系统的测试结果。 最后是全文总结。 2 系统方案设计 小区智能化设计以建筑物为平台，将建筑物的结构、系统、服务和管理四项基 本要素进行优化组合，为管理者和住户提供安全、舒适、高效、便利的工作环境和 生活氛围。它涉及到社会、经济、管理、能源、环境、通信、地理等各个方面，是 一种典型的大系统问题嘲a 要解决智能小区的优化任务，就必须对智能小区的功能 进行规划。 2 1 智能小区主要系统 根据智能小区的功能特点，可以将小区划分为安全防范子系统、管理与监控子系 统和信息网络子系统3 个方面f 1 0 1 ，见图2 1 。 图2 1 智能小区系统结构 2 1 1 安全防藏子系统 小区管理最重要的内容是保障人身、财产的安全，因此安全防范子系统是智能 小区实现安全管理的重要系统，可为住户和小区物业管理中心提供住户室内设防、 撤防、报警、来人身份识别、保安巡更纪录等综合信息。该系统旨在建立一个立体 化、多层次、全方位的防范网络体系，形成人防、技防和物防有机结合的多道安全 1 华中科技大学硕士学位论文 防线，不仅能确保小区住户生命财产安全，而且能为住户提供便捷的生活环境n ”。 智能小区的防范体系如图2 2 ，主要包括家庭安防子系统和小区安防子系统。其 中小区安防子系统包括可视对讲系统、门禁控制系统、电子巡更系统、闭路电视监视 系统等。 图2 2 智能小区的防范体系 ( 1 ) 家居安防子系统 在小区用户家庭安装有各类无线探测器。如果有警情发生，安防系统发出强音报 警，并向管理监控中心发送报警信息。 家庭分机将各种探测器分为四个防区；永久防区( 瓦斯探测器、烟雾探测器) ； 紧急防区( 紧急呼救按钮) ；门禁防区( 门磁探测器) ；人员防区( 红外人体探测器) ； 这样用户可以根据不同的情况进行设防。 防系统有设防和撤防两种状态，用户设防后，可在延时时间内离开防区：用户回 家时，可在延时时间内解除设防状态，这样就避免了警情的误报。 各类无线探测器如表2 1 所示： 表2 1 无线探测器类型 外人体探测器 斯探测器 雾探测器 急求助按钮 8 。非 。疾 八剐警。发。 阊识报聱突警 法线度报、报非外浓度劫心 口红定浓抢中门体一气室控 从人到烟入监人测漏内如理 有探泄室管止过气测况向防通煤检情接 ， ，急直 口内。房内紧可门室者厨室生， 在在入在在发时 装装闻装装庭， 安安法安安家病 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= ： ( 2 ) 可视对讲系统 在门栋管理机设置可视对讲系统，不仅能够实现门栋单元门与用户的可视对讲， 而且可以实现管理监控中心与门栋单元门的可视对讲。用户可通过该系统与访客通 话，观察访客，开启门栋单元门。用户未携带i c 卡或忘记用户密码，也可通过该系 统与管理监控中心通话，要求管理监控中心开启门栋单元门。 ( 3 ) 门禁控制系统 门禁控制系统主要用于用户出入自己所住的单元门，用户可以使用非接触式i c 卡或输入自定的用户密码开启单元门。这样既节省了人力，提高了效率，同时也防止 了犯罪分子从正常的通道侵入。 ( 4 ) 电子巡更系统 电子巡更系统主要采用了门禁控制系统中的非接触式i c 卡设备。用于规范保安 员上岗情况，保证保安值班人员能够按照预先随机设定的路线，顺序地对小区内各巡 更点进行巡视。保安值班人员在各巡更点必须使用非接触式i c 卡刷卡，并等待管理 监控中心回应，这样保证了巡更工作的正常进行，同对也保护了巡更人员的安全。 ( 5 ) 闭路电视监视系统 闭路电视监控系统用于整个小区范围内的监视及管理。在小区主要出入口、小区 周界和重要大楼的主要出入口、停车场、大厅走廊、电梯中及其他主要区域均有摄像 机，在管理监控中心有多媒体监视器，实行2 4 小时监视，对小区的人流进行动态控 制。 2 1 2 管理与监控子系统 管理与控制子系统是智能化小区的核心内容，主要包括：自动抄表系统、物业管 理计算机系统、设备监控系统。 ( 1 ) 自动抄表系统 在每个住户家中安装一个家庭控制器( 家庭智能数据终端设备) ，水、电、煤气三 表采集的数据，通过小区内部的数据通信网自动上传至小区物业管理中心。这样节省 了人力物力，提高了工作效率，同时还可以避免住户长期拖欠水电费、管理者乱收费 及收费困难等系列疑难问题。该系统的软件功能强大、性能优越、计量精度高、数 据安全可靠，从而可以有效地防止意外事故和能源泄漏流失等问题 ( 2 ) 物业管理计算机系统 物业管理计算机系统是物业管理系统的核心，它集中了整个小区的网络平台，主 9 华中科技大学硕士学位论文 ；# ；= # = = 2 = = d = = i = _ = _ # = = = 2 ： 要对家庭秘小区鲍备静售息傲坦及黠的响应和处联，像证冬秽设鍪的援索运行及完成 物业管理部f 1 与住户蚓豹沟通。从愿可以鼹小区物业信息及公共售息逃簿采集、发毒、 管理及枣镁，菸可以邋过褒小区管理中心设置交互式粪诲系绞，既可方便住户查询， 又增搬镣理的透明度。 ，i 、区物业管理诗算极系统实现了多用户管理，包括建立惑宅小区爆户挡寨、设置 防区电予地图实现图像监控、来谤登记管理、安全售感管理、报警信惑管理、三袭垂 动计爨篱理、电子巡鼙售怒管理、收费管理、公题设蘩运行缨护管理镎。 ( 3 ) 设签监控系绞 设备监控系统主要是对，l 、区逡鸵公共设撼避褥管理、维护，确保建户在小隧悫 懿生瀵安全、舞逶。小区公共设旋懿管理主要包括供电聚绞监援、公共区域照明控 裁、绘 j ； 农系统鉴控、电攥运挥状态监援、侉车露管理弱鸳蓉音嗨与公共广攘等等。 2 1 3 信息网络予系统 僖息网终子系统必住户提供多媒体锈息服务【l ，主要包括数据邋信阏、视频通 信网、语簧通信鼹。 数据通馈网、视频通信鄹、避音遁信网各鱼棼独布线接入，即语案传输采用三类 彀缆，电视传输采用间轴瞧缆，数据传簸采用双绞线，三秘接入网汇聚予小区中央鸯 线配线室。由于三鼹菇皇独立，农线及系绕缝护成本较高，优点是用户端接口设器费 殿低。 2 2 智能小区系统设计 2 2 1 智能小区设计原则 智能小隧系统结构模式的确定，酋先要满足功能要求，冀次是具有先进性和扩展 性，最后还必须考虑小区周边现有环境条件及本身的技术支持能力、经济能力【l 3 1 。 ( 1 ) 以可扩展性为设计基础 随着小区的扩展和镏能化技术的发展，各个甥能系统都要面对系统设备数量上增 加和技术上提升的局断。在小区锣能化设计初期豹设计中，应尽爨选择具有发展潜力 的技术和扩膨性好的设备，以满足用户将来不断提高的生活质量器求。 ( 2 ) 以安防为设计核心 智能化小区将来面对的用户是普通住户，安全防范设计必须放在智能化系统的核 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；# = = = = = ；= = = ；一= ： 心地位，只有在保证安全的前提下才能谈到其他各个方面。 ( 3 ) 以易用性为主导思想 “科技以人为本”，本着这一精神思想该系统应最大限度的服务于智能化小区的 使用者和管理者，系统的稳定性和方便性必须贯穿于智能化系统设计的始终。 ( 4 ) 以先进性为设计标准 系统应充分遵循现有的国际通行设计规范。在设计和实施时，最大限度地利用当 今先进、成熟、具有发展前途的计算机技术、通信技术、自动化技术，执行所采用技 术的开放性，全部采用国际标准或事实上的国际标准，从而保证系统能够随科技的发 展而平滑升级。 ( 5 ) 以经济性为目标 考虑普通居民的承受能力，还要考虑系统投资的渐进性、合理性、重要性。充分 考虑住宅的实际情况，结合当地的消费能力及周边环境的配套条件，以经济、合理为 原则，为住宅设计一整套的智能化系统解决方案，让智能化系统在小区建设中更具可 行性。 ( 6 ) 以可靠性为设计要求 智能化系统的产品选用应把“可靠性”放在首位。因系统投入后将长期使用，必 须能经受在各种复杂的环境中的考验，保证系统长期正常运行。可靠性较高的产品可 有效的提高安全防护系数，并降低系统的维护费用，而且更易于管理。 2 2 2 系统技术要求 ( 1 ) 系统结构 智能小区以信息传输通道为物理平台；联结各个智能化子系统，通过物业管理中 心向住户提供多种功能的服务。本智能小区系统采用了总线型网络拓扑结构，并由若 干个予网组成一个网络系统。 ( 2 ) 系统功能 智能小区系统由安全防范子系统、管理与监控子系统和信息网络子系统组成，可 以提供智能小区所需的服务。 ( 3 ) 系统硬件 系统硬件包括网络产品、布线系统、计算机、计量仪表和电子器材等，应优先选 择先进、适用、成熟的产品和技术。避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高而 过早淘汰；同时应避免采用技术上不成熟的硬件产品。硬件产品应具有兼容性，便于 l l 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= ；= = = = = # = ；= = = = = = = = = = = = ：= 系统产品更新与维护；硬件产品应具有可扩充性，便于系统升级与扩展。 ( 4 ) 系统软件 系统软件的功能好坏直接关系到整个系统的性能水平。系统软件包括：计算机及 网络操作系统、应用软件及实时监控软件等。系统软件应具有很高的可靠性和安全性； 应操作方便，采用图形界面，采用多媒体技术，使系统具有处理声音及图像的能力： 应支持硬件产品的更新：应具有可扩充性。 ( 5 ) 系统集成 系统集成【l 卅就是将各个子系统集成在一个统一的操作平台上，实现各系统的信 息融合，协调各个系统的运行，以发挥系统的整体功能，实现各子系统的信息共享， 可以提升智能化系统的性能。根据对智能小区系统的需求，采用数据通信网、视频通 信网、语音通信网等的融合技术，减化居住小区内信息传输通道的布线系统，提高系 统性能价格比；将各子系统及子系统内功能模块的各种信息交接接口标准化，便于系 统集成的实施。 2 2 3 系统具体实现 智能小区系统是一个由硬件和软件相结合而组成的综合性系统，要实现智能小区 系统所提出的功能要求，其实现方法可以从硬件和软件两个方面来阐述。 ( 1 ) 硬件部分的实现方法 系统硬件部分本着简单、可靠、实用和低成本的原贝进行设计。由于本系统在设 计时充分考虑了目前智能小区的特点和结构，因此系统具有很广泛的适用性。下面是 硬件设计时所遵循的设计思想： 结构简单化：任何系统在实现其功能的基础上采用最简单的结构是设计者进行系 统设计时必须考虑的前提条件。因此，系统采用单片机作为主要设备，并在此基础上 增加了一些系统必需的外围芯片和电路。 通用化：由于系统采用以单片机为主的设备，这样对于系统总线的选择和接口的 设计都相当有利。当系统采用统一的总线和接口时，各模块之间数据传输的正确性和 实时性就有了保障，在完成系统功能的同时也提高了系统的可靠性。 低成本：在系统器件的选择上，除了考虑以上两个因素之外，还充分考虑了系统 的成本。在保证系统可靠性和功能完整性的前提下，采用性能价格比比较高的 p i c l 6 f 8 7 3 1 15 1 单片机以及其它外围元器件。 ( 2 ) 软件部分的实现方法 华中科技大学硕士学位论文 单片机软件设计：系统中的单片机实现了智能小区系统中的绝大部分功能，除了 系统中硬件电路的设计外，系统的功能主要取决于单片机软件的设计。单片机虽然具 有简单、方便等特点，但是另一方面，单片机的资源有限，例如程序存储器的限制使 程序不能过大；数据存储器有限使数据的处理受到限制；中断源有限使系统功能的实 现受到限制。此外单片机时钟频率的限制使得程序的执行效率相对低于p c 机。因此， 在开发单片机程序时采用汇编语言，充分使用单片机的中断资源，并且采用多任务的 程序设计思想，来提高程序的执行效率，最大限度的实现系统的实时性。 p c 机应用软件部分：在p c 机上使用高级语言进行编程的技术已经发展得相当 成熟了，并且一些新的技术也在不断出现。系统中的后台应用软件采用v i s u a lc 语言、 s q l 语言结合多线程技术和a c c e s s 数据库引擎等技术进行开发。这些技术的结合 使得应用程序跟软件用户的界面相当的友好，同时也为系统的扩展和升级提供了足够 的空间和技术上的支持。 2 3 系统可行性和可靠性研究 智能小区系统是在建筑技术的基础上结合最新的微电子技术、计算机技术、通信 技术、自动控制技术和软件技术进行设计的【1 6 1 ，目的是为小区的住户提供安全、智能 化的服务，因此讨论智能小区系统的可行性和可靠性是有必要的。 2 3 1 系统可行性分析 系统的可行性是进行系统设计的前提。系统是否能满足用户的根本需求，是它是 否具有存在意义的前提。智能小区中所使用的关键技术( 见绪言1 5 ) ，是实现智能小 区系统功能的保证。随着这些技术的发展和完善，以及各种技术的综合使用，为智能 小区系统在理论和技术方面奠定了坚实的基础。 从对智能小区系统中所使用的关键技术的分析来看，以上技术的发展和成熟从根 本上解决了智能小区系统的实现。因而，不论是从理论、技术还是应用等方面来说， 本系统是可行的。并且本系统所使用的关键技术均具有可发展性，今后系统的改进均 可在本系统的基础上完成，从而缩短了系统的开发周期，提高了总体效益。 2 3 。2 系统可靠性分析 系统的可靠性是系统能否正常运行的基础，一个可靠的系统才可能满足用户的需 求。本系统的可靠性可以从硬件和软件的可靠性两个方面来论述。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 硬件可靠性 硬件电路的设计缺陷是影响系统内部可靠性的重要原因。硬件的电路设计包括 单片机的选型、系统元器件的选择、电路原理图和印制板的设计、工艺结构的设计 加工、整机的组装等。硬件的可靠性可以从硬件设备的兼容性、系统抗干扰设计等 方面考虑。 设备兼容性：系统主要以单片机及其外围设备、p c 机及其外围设备为核心。从 技术角度上来讲，单片机的功能越强大，越有利于它和外围设备的兼容，外围电路的 简化可以提高系统的可靠性。本系统采用了m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 7 3 单片机，它 提供了a d 转换器、c c p 模块( 捕捉器，比较器p w m ) ，以及s p i 、s c i 、1 2 c 等通信 接口，所以外围设备与p i c l 6 f 8 7 3 单片机可以具有很好的兼容性。p c 机的接口采用 技术和应用都已经相当成熟的标准接口r s 一2 3 2 接口总线进行连接，因此p c 机及其 外围设备也具有很好的兼容性。 系统抗干扰设计：系统的干扰源来自系统的内部和外部。内部干扰主要指元器件 本身的干扰，通过电源、地线分布电容和电感等途径影响系统正常工作。外部干扰是 指外界电磁波直接耦合到系统中的干扰，其它设备的开启停止产生的干扰，电源地线 引入的干扰等。干扰可能造成系统运行失常，如数据采集误差过大、控制状态失灵、 数据受干扰发生变化、程序运行失常等。 下面针对常见的干扰采取相应的措施，提高系统抗干扰性。 信号通道干扰：开关量的输入输出，模拟信号( 语言信号、视频信号) 的输入输 出是智能小区系统必不可少的环节，这些模拟信号线、控制总线长达数百米乃至上千 米，因此不可避免会将干扰引入系统。滤除信号通道千扰的措施很多。对于模拟信号 通道，采用了继电器隔离方式；对于数字信号通道，采用了比较器整形隔离方式，使 得信号中的各种干扰噪声被拦截在输入端一边。另外，信号通道采用抗干扰能力比较 强的传输媒质，系统中的语音通道采用了三类电缆，视频通道采用了同轴电缆，数字 通道了采用双绞线。 电源干扰：单片机系统对电源的要求表现在可靠性方面主要有长期安全运行及抗 干扰两点要求。系统采用了带屏蔽的电源变压器，缩短交流电引进线，防止交流电对 系统的干扰。系统中的数字电源、模拟电源分别单独取电、独立滤波、去耦，防止相 互干扰。 电磁干扰：现代化的城市空间辐射日益严重，各种电磁波的干扰会使系统无法正 1 4 华中科技大学硕士学位论文 常工作。对于来自空间辐射的干扰，一般采用良好的屏蔽和正确的接地方法即可加以 抑制。整机系统采用金属外壳，增加了屏蔽能力。同时系统设计时很好的解决了数字 信号和模拟信号接地的问题。 ( 2 ) 软件可靠性 软件的可靠性包括程序结构、数据保护、软件看门狗设置等方面。 软件结构：在本系统中，为了软件运行的可靠性和软件调试的方便性，除了在程 序设计时采用了一些先进的软件技术，在程序结构方面主要采用了模块化的结构。模 块化就是在程序设计时，把各个子程序、函数或过程作为单独的模块来设计和调试。 在每个模块都调试通过后，将这些模块按一定的方式组合起来就组成了一个完整的应 用程序。模块化的结构在增加软件可靠性、可扩充性的同时，也提高了程序执行的效 率，降低了程序设计的难度。 数据保护：软件的主要任务就是对各种数据进行处理。当处理到错误的数据时， 会造成系统功能的失常，严重时可能会使整个系统崩溃。因此，对于数据的保护格 外关键。在设计程序时，对每一个特定的系统功能函数都设置了固定的数据缓冲区， 防止数据被其它功能函数破坏。对于一些公共变量，要确保其每一次只被一个进程 调用。 软件看门狗设置：为防止不可预知的原因破坏程序的正常运行，造成系统的崩溃， 在程序设计时，还设置了软件看门狗。系统在限定时间内不对软件看门狗进行操作， 将自动重启系统。 由以上分析可以看出，本系统在硬件和软件方面都具有良好的可靠性，这给系统 的正常运行提供了基础和前提，保证了系统达到预期的运行效果和功能需求。 3 系统硬件模块设计 我们设计的智能小区系统采用集散式构造方式，以分散的智能住宅为基本单元， 以各门栋单元为中继节点，以物业管理控制中心为中心节点，通过数据网的传输，将 分散的各个终端或设备集中到一个控制中心，由控制中心提供公共信息资源，对各个 终端进行集中监控。 3 1 系统主要硬件结构 智能小区的硬件系统结构如图3 1 所示，主要由三部分构成：中心管理监控机、 门栋管理机及家庭安防分机。 图3 1 智能小区系统总体硬件结构 3 1 1 中心管理监控机硬件结构 管理监控中心是智能小区的核心。它的硬件结构如图3 2 所示，数据通信接口模 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ；= ；= = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一= 块实现了与门栋管理机和家庭分机的数据交互功能，包括用户报警信息、三表抄收数 据、电子巡更信息以及通话、开启门栋锁、视频监控等控制信息。语言通信模块实现 中心与用户、中一1 1 , 与门栋之间的双向通话。c r t 显示模块可监控各门栋单元门、小区 主要出入口、小区周界以及重要地段。l e d 显示模块显示各类信息以及相关的家庭分 机或门栋管理机i d 。此外管理监控中心通过r s 2 3 2 接1 3 实现了与后台p c 机的数据通 信。 图3 2 中心管理监控机硬件结构 3 1 2 门栋管理机硬件结构 门栋管理机实现门栋单元门的管理功能，它的硬件结构如图3 3 所示。数据通信 接1 3 模块实现各类数据交互功能，包括门栋管理机与家庭分机、门栋管理机与中心管 理监控机的数据交互以及家庭分机与中心管理监控机之间的数据转发。语言通信模块 实现门栋与用户、门栋与中心之间的双向通话。摄像机模块实现门栋的视频监控功能。 非接触式i c 卡模块实现了刷卡开锁以及电子巡更功能。键盘模块允许用户输入自定 的用户密码开启门栋单元门，并且可以修改用户密码；同时小区管理人员通过门栋管 理机的编程模式可以设置门栋管理机和家庭安防分机的相关信息，包括设置门栋管理 机i d 、视频接口i d 、家庭安防分机i d ，修改编程模式密码，恢复用户初始密码等等。 华中科技大学硕士学位论文 图3 3 门栋管理机硬件结构 3 1 3 家庭安防分机硬件结构 家庭安防分机设置在每套住宅内，它的上端连接到门栋管理机，下端连接到住宅 内各个无线探测器上。它的硬件结构如图3 4 所示。数据通信接口模块实现了与门栋 管理机和中心管理监控机的数据交互功能。语音通信模块实现用户与中心、用户与门 栋之间的双向通话。c r t 显示模块允许用户监控门栋单元门，观察访客。家庭安防分 机通过r s 2 3 2 接口实现了与三表数据采集器的通信。通过无线通信模块接收各个无线 探测器的报警信息。 图3 4 家庭安防分机硬件结构 1 8 3 2 主要硬件模块设计 3 2 1 p i c l 6 f 8 7 3 单片机 考虑到智能小区所要求的智能化高、系统集成度高、可靠性高、性价比高、功耗 低、使用方便、功能强大、适用范围广等特点，在系统中采用了m i c m c h i p 公司的 p i c l 6 f 8 7 3 单片机作为主芯片，主要完成信号