（计算机应用技术专业论文）智能建筑环境控制系统研究.pdf

摘要 智能建筑是信息时代的产物，当今科学技术正处于高速发展阶段，其中 相当多的成果将应用于智能建筑，使其具体内容与形式相应提高并不断发展。 而随着环境保护观念的深入人心，建筑的环境控制和节能降耗也成为重点关 注的对象。这样，同时作为环境控制节点和信息高速公路的节点的智能建筑 就具有了多重的意义。 本文基于环境控制系统和w e bs e r v i c e 研究方面所取得的成果，从智能 建筑工业控制网络入手，在环境保护和可持续发展的大背景下，研究如何利 用新的信息技术( w 曲s e r v i c e ) 来更有效的控制和整合智能建筑的工业控制 网络( l o n w o r k s 和b a c n e t ) ，更好的控制智能建筑的环境特性，降低其能耗， 并提高传统建筑控制系统的可重用性和可延展性。 本文的主要内容如下： 1 简述智能建筑环境控制系统与w e bs e r v i c e 结合应用研究的背景、意 义、研究内容及国内外研究现状及其发展趋势，指出建立有通用性和可扩展 性的智能建筑环境控制系统的必要性和可行性。 2 深入分析了智能建筑的环境特性及其控制系统的技术构成。对智能建 筑的环境进行了归纳和分类，并根据本文研究的方向，重点论述了建筑的内 部环境。分析现行的工业控制网络( l o n w o r k s 和b a c n e t ) 的运行体系和特 点，及其在环境控制中的应用，包括对环境特性的监测与控制技术，并简述 其数据采集系统。 3 探讨w e bs e r v i c e 技术规范。分析w e bs e r v i c e 技术规范的特点和运行 模式。深入探讨其体系结构，包括u d d i ( 统一描述、发现和集成协议) 、w s d l ( w e b 服务描述语言) 、s o a p ( 简单对象访问协议) 和x m l 。简述其服务调 用的机制和方法。 4 w e bs e r v i c e 在建筑环境控制领域的实现与应用。论述了工业控制网络 与口网络的无缝整合，包括工业控制网络中传输数据的口数据包化，传感器 采集数据的x m l 序列化方案，采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a ls t u d i o n e t 实现 整合方案的编码工作，数据库部署及硬件支持。 关键词：智能建筑，环境特性，工业控制网络，w e bs e r v i c e a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa r et h ep r o d u c t so fi n f o r m a t i o na g e i nm o d e mt i m e s ， t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yh a sb e e nv e r yf a s t , a n dm a n yt e c h n o l o g i e so ft h e m h a v ea p p l i c a t i o ni ni n t d l i g c n tb u i l d i n g , t h a tm a k et h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n ga l s o d e v e l o pi nag r e a ts p e e d n o wm o r ea n dm o r ep e o p l e a r ec a r i n ga b o u t e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , s oc o n t r o l st h eb u i l d i n ge n v i r o n m e n tw i l lb es i g n i f y t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eb u i l d i n ge n v i r o n m e n tc o n t r o ls y s t e ma n dw 曲 s e r v i c e u n d e rt h e b a c k g r o u n do fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t , b e g i n w i t ht h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g si n d u s t r y c o n t r o l - n e t ( l o n w o r k s & b a c n e t ) r e s e a r c hh o wt oc o n t r o la n di n t e g r a t ee n v i r o n m e n t c o n t r o ls y s t e mw i t ht h en e wi tt e c h n o l o g y w 曲s e r v i c e i no r d c ft or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o no fb u i l d i n g s 啦a r t i c l em a i nc o n t e n ta sf o l l o w s ： 1 s u m m a r i z et h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g si n d u s t r yc o n t r o l - n e ta n dw e bs e r v i c e b a c k g r o u n d , r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c hs i t u a t i o n ；p o i n to u tt h en e c e s s i t ya n d f e a s i b i l i t yt od e v e l o pt h ei n t e g r a t e de n v i r o n m e n tc o n t r o ls y s t e m 2 d i s c u s st h eb u i l d i n ge n v i r o n m e n ta n dt e c h n o l o g yc o m p o s i t i o no ft h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g si n d u s t r yc o n t r 0 1 n e t ( l o n w o r k s & b a c n e t ) a n a l y s i st h e m n n i n gs y s t e ma n df e a t u r e so fi n d u s t r yc o n t r o l - n e t , r e s e a r c hh o wt oc o n t r o la n d m o n i t o rt h eb u i l d i n ge n v i r o n m e n t ，d i s c u s st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 3 d i s c u s st h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fw e bs e r v i c e a n a l y s i st h et e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o na n dr u n n i n gs c h e m eo fw e bs e r v i c e r e s e a r c h i t s s y s t e m a r c h i t e c t u r e ，i n c l u d e su d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n , d i s c o v e r y , a n di n t e g r a t i o n ) ， w s d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o n la n g u a g e ) , s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c ：c c s s p r o t o c 0 1 ) a n dx m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) ，a n a l y s i st h e yh o w t up r o v i d e s e r v i c e st oo t h e r s 4 i m p l e m e n ta n da p p l yw 曲s e r v i c ei nt h ef i e l do fb u i l d i n ge n v i r o n m e n t c o n t r o ls y s t e m a n a l y s i st h ep r e f e c ti n t e g r a t i o no fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g si n d u s t r y c o n t r o l - n e ta n dt h ei n t e r n e 邮n e t t h ec o n t e n t si n c l u d e sh o wt oe n c a p s u l a t e d a t au s ei pd a t ap a c k e t sa n dp r o t o c 0 1 h o wt 0u s ex m ls e r i a l i z et h ed a t aw h i c h e x q u i s i t ef r o mt h es e n s o r s a n du s em i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e tc o m p l e t ea w h o l ep r o g r a mo ft h ei n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，b u i l d i n ge n v i r o n m e n t ，i n d u s t r yc o n t r o l n e t ， w 曲s e r v i c e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：趣型翊：茎! 1 9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：老l 虱塑坠导师签期塑翌型 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 的特点是充分应用和融合建筑、控制、 信息、人工智能等领域的先进技术，构建一个覆盖整个建筑的一体化的、具 有自学习能力的智能平台，向人们提供一个具有可持续完善功能的高效、舒 适、便利、安全及环保的建筑环境，实现建筑价值的最大化【l 】。智能建筑的产 生是传统建筑工程与新兴信息技术相结合的产物，是现代科学技术迅速发展 的结果，是高科技成果与现代建筑的巧妙集成，它已成为现代国家发达程度 的具体表征，并在新世纪里展现出龙头产业的面貌。近年来，“智能建筑”这 一名词己不陌生，但无论在国际还是在国内，“智能建筑”至今均无统一的定 义。其重要原因之一是智能建筑是科技时代的产物，而当今科学技术正处于 高速发展阶段，其中相当多的成果将应用于智能建筑，使其具体内容与形式 相应提高并不断发展。因此，我们非常有必要探索其新的发展和应用。 从智能建筑的特点中可以发现，提供良好舒适的环境和有效的节能降耗 是智能建筑的重要设计理念。当今时代，环境问题和可持续发展受到全球的 瞩目，中国也大力倡导建设和谐社会的目标，这都对环境的控制和有效的节 能降耗提出了更严格的要求。而建筑作为人类活动的重要场所，在环境问题 上是不可忽视的，一方面，目前我国有5 亿m 2 左右的大型公共建筑，耗电量 为7 0 3 0 0 k w h n f 年，为住宅的1 0 2 0 倍，是建筑能源消耗的高密度领域。 这类建筑能源浪费现象仍较严重，有很大的节能潜力。另一方面，现代建筑 为满足舒适性越来越高的要求，普遍引入了空调系统，但是随着各种合成建 材的使用、现代办公设备的普及、建筑密闭性的提高，室内产生的有害气体 和生物污染物得不到合理稀释和置换。c q 含量升高，空气品质劣化，引发了 各种呼吸道疾病症状，表现如困倦、乏力、胸闷、精神恍惚、过敏、工作效 率下降等，世界卫生组织正式将此类因建筑环境污染导致的疾病定名为“病 态建筑综合症( s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) ”，这已经严重威胁到人类的健康1 2 】 因此，建筑作为人类生产、生活的一个重要节点，也将成为我们未来控制环 武汉理工大学硕士学位论文 境和节能降耗的基本控制点。 除了作为环境控制和节能降耗的节点外，智能建筑还有个重要的属性， 它是“信息高速公路”的节点例。智能建筑又被称为3 a 建筑：b a s ( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ) 为建筑设备自动化系统；0 a s ( 0 f f i c e a u t o m a t i o ns y s t e m ) 为办公自动化系统；c a s ( c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 为通信自动化系 统。这3 a 通过综合布线系统p d ( p r e m i s e sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 紧密的联系在 一起共同发挥着作用【4 】凡不难看出，信息技术是智能建筑得以存在和高效运 作的基础，也决定着智能建筑发展的技术方向。目前，信息领域正经历着一 次大规模的技术规范的变革，而变革的核心就是w 曲服务( w 曲s e r v i c e ) 嘲。w e bs e r v i c e 是为实现“基于w e b 无缝集成”的目标而提出的全新概念， 它建立在目前人们熟知的i n t e r a c t 之上，拥有一套完整的技术规范和框架，是 在x m l 基础上发展起来一种革命性的分布是计算技术。它使用基于x m l 的 消息处理作为基本的数据通讯方式，消除使用不同组件模型、操作系统和编 程语言的系统之间存在的差异，使异类系统能够作为计算网络的一部分协同 运行，希望通过它实现对整个i n t e m e t 资源的整合，w e bs e r v i c e 的出现，极 大的改变了人们使用i n t e m e = t 的方式及信息与服务提供的模式 7 1 。那么，w e b s e r v i c e 的出现也肯定会对智能建筑的发展趋势造成巨大的影响。 由上可知，同时作为环境控制和信息高速公路的节点，智能建筑具有多 重的意义。在环境保护和可持续发展的大背景下，研究如何利用新的信息技 术( w 曲s e r v i c e ) 来更有效的控制和整合智能建筑就显得重要且迫在眉睫。 更好的控制智能建筑的环境特性，降低其能耗，并提高传统建筑控制系统的 可重用性和可延展性，也是本文的意义所在。 1 2 国内外研究概况 智能建筑的产生是传统建筑工程与新兴信息技术相结合的产物，是现代 科学技术迅速发展的结果，是多学科高新技术的巧妙集成，也是综合经济实 力的象征。大量高新技术竞相在此应用，多功能可视电话、多媒体技术、电 子邮件、卫星通信、计算机国际通信网络、智能保安与环境控制已不陌生， 未来的信息高速公路、能量无管线传输等最尖端的高科技也会首先在这片沃 土上扎根成长。 2 武汉理工大学硕士学位论文 一、国外智能建筑的发展 1 9 8 4 年，世界上第一座智能大厦诞生于美国哈特福德市。它是由一座旧金 融大厦引入信息技术改造而成的，并在大厦出租率、投资回收率、经济效益等 方面取得成功。随后，引起了各国的重视和效仿，智能建筑在世界范围内得 到迅速发展。短短的十几年中，成万幢智能建筑在许多国家和地区迅速崛起， 英国、法国、加拿大、德国、瑞典都相继建成了一批具有自己国家特色的智 能建筑。在智能建筑的发展过程中，美国一直处于世界领先水平。近年来， 在美国新建和改建的办公大楼中，有近8 0 为所谓智能型的。据估计，迄今已 超过一万幢，如m m 、a t & t 公司总部大厦。 日本在1 9 8 5 年开始建设智能大厦，新建的大厦中有近7 0 为智能型的。 特点是大企业对智能化大楼的建设十分热情。同时，日本政府也积极推动， 制定了四个层次的发展规划，即智能城市、智能建筑、智能家庭和智能设备。 但随着泡沫经济的出现，日本智能建筑的发展速度与档次受到严重影响旧。 除日本外，亚太地区智能大厦则主要集中在汉城、香港等中心城市。新 加坡政府投入巨资，规划将新加坡建成“智能城市花园”由于亚洲经济危机 的影响，东南亚智能建筑的发展受到影响。 二、国内智能建筑的发展 我国智能建筑虽然起步较晚，但发展非常迅速，北京、上海、深圳等大 城市建成的具有一定水平的智能化建筑已近千座，有的已达到或接近国际先 进水平，如首都国际机场新航站楼、中国国际高新技术交易会展览中心、上 海博物馆等。目前，信息产业部和建设部都把智能建筑作为今后产业发展的 重点，一些在建项目代表了我国智能建筑的新水平，全国用于建筑智能化功 能的投资比重己由最初的5 左右提高到现在的1 5 左右，国内智能建筑总投 资额每年已超过1 0 0 亿元。 中国建筑智能化是逐步发展起来的，人们对工作和生活环境越来越高的需 求，以及影响建筑智能化的信息技术的不断进步，构成了推动建筑智能化不 断发展的主要动力，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阍 1 、起始阶段 在上世纪九十年代初，随着改革开放的深入，国民经济持续发展，综合国 力不断增强，人们对工作和生活环境的要求也不断提高，创造一个安全、高 3 武汉理工大学硕士学位论文 效和舒适的工作和生活环境已成为人们的迫切需要；与此同时科学技术飞速 发展，特别是以微电子技术为基础的计算机技术、通信技术和控制技术的迅猛 发展，为满足人们这些需要提供了技术支撑。 这一时期智能建筑主要针对是一些涉外的酒店等高档公共建筑和特殊需 要的工业建筑，其所采用的技术和设备主要是从国外引进的。这个时候人们 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 在九十年代中期房地产开发热潮中，房地产开发商，在还没有完全弄清 智能建筑内涵的时候，发现了智能建筑这个标签的商业价值，于是“智能建 筑”、“5 a 建筑”、甚至“7 a 建筑”的名词出现在他们促销广告中。在这种情况 下，智能建筑迅速在中国推广起来，在九十年代后期沿海一带新建的高层建 筑几乎全都自称是智能建筑，并迅速向西部扩展。据不完全统计，到目前为 止，全国各地累计已经建成或正在建设的各类智能建筑已近两千多项。可以 说这个时期房地产开发商是建筑智能化的重要推动力量。 从技术层面上讲，这些房地产商所开发的智能建筑只是把综合布线这样 一种布线方式引入到建筑设计中，曾使人们对智能建筑的概念产生某些紊乱， 把综合布线当作智能建筑的主要内容。但它确实吸引了一大批通信网络和r r 行业的公司进入智能建筑领域，促进了信息技术行业对智能建筑发展的关注。 同时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。进入2 1 世纪中国开 始大规模兴建住宅小区，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。这和以公共建筑如酒店、 写字楼、医院、体育馆等为主的智能大厦有很大的不同，住宅小区智能化正 4 武汉理工大学硕士学位论文 是信息化社会，人们改变生活方式的一个重要体现1 9 1 。推动智能化住宅小区 建设的主角是电信运行商，他们试图通过投资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人们需要的智能化信息服 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增 值服务如：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，并以这些增 值服务来回收投资。 目前虽然还有人对这种发展建筑智能化的思路持怀疑态度，但这并不影 响“宽带网”成为电信行业、建筑智能化行业，乃至房地产行业最热门的话题。 更重要的是他将会改变人们进行建筑智能化建设的技术路线和运作模式，也 许这标志着智能化已经突破一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 智能建筑环境控制系统的技术构成 1 3 1 环境特性的层次划分 进入2 1 世纪，随着智能建筑的发展和环境保护观念的深入人心，从智能 到生态的发展也就成了必然的趋势。人们通过反思，自觉认识到人与自然和 谐的重要，设计理念及文化观、价值观随之重新调整【l o l 。对智能建筑而言， 智能不是目的，而应是通过智能使建筑利于人类居住、利于生态环境保护。 对建筑的要求也不仅是智能，而是环保、节能、艺术和智能各个方面的统一 智能和生态是今日社会对建筑的两大需求，在实际中必须配合互补，不能顾 此失彼，而全新的生态智能建筑应该是智能建筑发展史上的一个新的阶段， 也是2 l 世纪世界建筑的发展趋势。 生态智能建筑应是一种既保护生态环境，又使居住舒适健康的建筑，它 的近期目标是：【1 l l ( 1 ) 零采暖能耗。通过对外围护结构( 含屋面、地板) 和绝热材料的合 理利用，以及对建筑自由热( 含阳光、家用电器、人体代谢、废热水等热回 收) 的有效储存利用，实现在采暖期平均室外温度不小于一9 和o 5 次时换 气次数时建筑的零采暖能耗。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 造就使人舒适、利于健康的室内环境。当前科技人员在这方面都做 了大量工作，已开发灭菌健康卫生材料、电磁波屏蔽材料、防辐射涂料、电 致自然光发生材料、防雷防火材料、能吸收分解甲醛、s 0 2 、n o x 的光催化学 材料等生态智能建筑。 ( 3 ) 应用废弃物或回收物代替部分或全部天然资源，或用新工艺制造， 达零排放。 ( 4 ) 建筑结构及形状的改进。生态建筑，尤其轻质、绝热材料的使用， 能够产生传统建材只能望洋兴叹、无法企及的建筑形式，从而提高建筑的节 能和智能水准。 生态环境是一个泛指名词，包括自然环境和社会环境，也是我们人类赖 以生存的条件【1 2 1 。环境保护工作包括两个方面的内容：一是合理开发利用自 然资源，防止环境污染和破坏；二是对已经产生的环境污染与破坏，进行综 合治理或恢复工作。 智能建筑的环境也包括两个大的方面：一是建筑外部环境，主要是指建 筑本身作为一个节点，与外部发生能量交换的大环境。包括气体排放、污水 排放、固体废弃物、噪音污染等。二是建筑内部环境，主要是指室内采光、 温度、湿度、空气质量、辐射等。 具体可划分为：能源环境、水环境、光环境、气环境、声环境、热环境、 固体废弃物环境等七大类。 1 3 2 智毹建筑的一般控制系统 控制系统( b a sb u i l d i n g a u t o m a t i cs y s t e m ) 是是整个智能建筑的骨架与 核心，b a s 的设计、集成和实现，很大程度上决定了整个智能建筑的优劣【廿】。 智能建筑的控制系统已经经历了三代发展： 第一代：c c m s 中央监控系统( 2 0 世纪7 0 年代) 。采用计算机、键盘和 c r t 组成中央站，分散在现场的信息采集站d g p 通过总线与中央站连接，为 单向传递信息模式。 第二代：d c s 集散控制系统( 2 0 世纪8 0 年代) 。在c c m s 的基础上，在 些信息采集站上配置了c p u ，使之发展成了直接数字控制器d d c ，从而中 央站的一些功能可以下放给d d c 直接执行，提供了系统的实时性和安全性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第三代：f c s 现场总线式控制系统( 2 0 世纪9 0 年代) 。控制网络采用了 三层结构，即管理层( 中央站) 、自动化层( d d c 分站) 和现场网络层( 现 场总线) 。其中现场总线控制系统目前的发展趋势是采用l o n w o r k s 技术和 b a c n e t 技术。 第一代的智能建筑一般由多个相对独立的自治子系统构成，互相之间没 有联系，操作也相对独立；第二代智能建筑的最大特点在于通过一些专门的 网络将楼宇的各个控制子系统连接起来，从而能完成一些诸如远程控制、操 作序列化、制定时间表等涉及多个子系统的操作任务。虽然第一、二代智能 建筑技术在很大程度上提高了楼宇控制操作的自动化水平，但其可延展性和 可重用性比较有限【1 4 1 ，因而还不是真正意义上的智能建筑。 目前在国际上比较成熟实用的是第三代建筑智能化系统，大致可分为两 大技术流派，即b a c n e t 系统和l o n w o r k s 系统。b a c n e t 系统产品以美国艾 顿( a l e r t o n ) 公司、a u t o m a t e d l o g i c 公司为代表；l o n w o r k s 系统产品 当然以其发明者e c h e l o n 公司为代表。针对智能建筑系统协议产品的前景， 美国著名的f r o s t & s u v i l l i o n 咨询公司在北美市场作了一个十年期间的 市场发展预测。从调查研究得出的数据中可以看出，无论从工程案例的数量 还是从市场销售总额来说，b a c n e t 和l o n w o r k s 都是成长率最快的，其工程 应用数量的年平均增长率为2 0 3 0 ，专有协议的垄断地位将逐渐被打破，而 融合个专有协议的开放协议产品最有可能成为将来的主流系统【坷。 由于开放协议代表着未来技术发展的主流方向，目前在中国市场占有绝 大部分市场份额的h o n e y w e l l 、j o h n s o n 等厂商也在生产b a c n e t 产品，但这 些产品并未在中国市场投放。原因是，中国是一个几乎空白的市场，仍处于 幼稚阶段，很少有人向他们提出更高的要求，他们的老产品依然可以利用其 专有垄断性大赚其钱，因此他们并不急于将最新的技术和产品推向中国。 我国的智能建筑大多处于第二代水平阶段，正在向第三代智能化系统发展和 过渡。 1 3 3w e bs e r v i c e 在控制系统中的应用 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) w e bs e r v i c e 是在i n t e r n e t 上进行分 布式计算的基本构造块，并将成为应用程序集成的平台。在这种模式下，应 7 武汉理工大学硕士学位论文 用程序是通过使用多个不同来源的x m l w e bs e r v i c e 而组成的，这些服务相 互协同工作，而不管它们位于何处或者如何实现1 1 6 1 【朔。w e bs e r v i c e 体系结 构的主要优点之一是：允许在不同平台上、以不同语言编写的各种程序以基 于标准的方式相互通信。最初的x m l w e bs e r v i c e 通常是可以方便地并入应 用程序的信息来源，如股票价格、天气预报、体育成绩等等。我们很容易想 到，可以构建一个应用程序以分析和汇总所关心的信息，并以各种方式提供 这些信息。例如，您可以使用m i c r o s o f te x c e l 电子表格来汇总所有的控制与 检测信息，如噪音、室内各种空气污染指数分布、温度分布、光环境数据等 等，如果能够通过x m lw e bs e r v i c e 整合管理这些信息，e x c e l 就可以不断 对其进行更新，也可以与w e b 上的各种管理单位的数据库接口并保持同步， 而且使用x m l w e bs e r v i c e 可以使编程访问更简单，也更可靠。 通过上述，可以看出w e bs e r v i c e 对未来网络通信和计算方式的重要影响， 而智能建筑作为信息节点，就必须要考虑其与w e bs e r v i c e 的联系。智能建筑 是靠l o n w o r k s 、b a c n e t 等控制系统在运作，因此w e bs e r v i c e 与l o n w o r k s ， b a c n e t 等控制系统的集成应用就有广阔的前景。 1 4 本文的思路及所做的主要工作 随着智能建筑的发展，支撑其运作的控制系统也越来越复杂、智能，形 成了l o n w o r k s 、b a c n e t 等众多控制系统，而这些系统的不兼容性，为用户 的使用造成了不小的困难。当今社会是一个越来越强调通用性和标准化的时 代，智能建筑作为信息高速公路的重要节点，也必然会向通用性和标准化方 向发展。未来的i n t e r n e t 应该以一个整体服务的形式展现在最终用户面前。用 户不再关注单个网站、单个设备，而是所有的计算机群、相关设备和服务商 协同工作的网络计算环境，这是未来i n t e m e t 的发展方向，而能够实现这一切 的技术既是目前被称为信息产业的一次革命的- - w e bs e r v i c e 。 介于上述发展趋势，本文提出将w e bs e r v i c e 技术集成应用于智能建筑的 环境控制系统的方案。让w e bs e r v i c e 与l o n w o r k s 、b a c n e t 等控制系统无缝 连接，以提高智能建筑环境控制系统的通用性、标准化及可扩展性。本文主 要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 简述智能建筑环境控制系统与w e bs e r v i c e 结合应用研究的背景、 8 武汉理工大学硕士学位论文 意义、研究内容及国内外研究现状及其发展趋势，指出建立有通用性和可扩 展性的智能建筑环境控制系统的必要性和可行性。 ( 2 ) 深入分析了智能建筑的环境特性及其控制系统的技术构成。智能建 筑的环境也包括两个大的方面：一是建筑外部环境，主要是指建筑本身作为 一个节点，与外部发生能量交换的大环境。包括气体排放、污水排放、固体 废弃物、噪音污染等。二是建筑内部环境，主要是指室内采光、温度、湿度， 空气质量、辐射等。分析现行的工业控制网络对环境特性的监测与控制技术， 并简述其数据采集系统。 ( 3 ) 探讨w e bs e r v i c e 技术规范。分析w e bs e r v i c e 技术规范的特点和运 行模式。深入探讨其体系结构，包括u d d i ( 统一描述、发现和集成协议) 、 w s d l ( w e b 服务描述语言) 、s o a p ( 简单对象访问协议) 和x m l 。简述其 服调用的机制和方法 ( 4 ) w e bs e r v i c e 在建筑环境控制领域的实现与应用。论述了工业控制网 络与m 网络的无缝整合。包括协议单元的i p 数据包化，传感器采集数据的 x m l 序列化方案，实现整合方案的数据库及硬件支持。 图1 - i 智能建筑的构成 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章智能建筑的环境特性及其控制系统 2 1 智能建筑与建筑智能化 智能建筑与建筑智能化是既相互联系又有明显区别的两个概念。从整体 和局部的关系来看，智能建筑是指建筑的系统整体，它强调不仅要注重建筑 设备的变化，而且要充分考虑人的需求与建筑环境的协调【1 8 1 1 9 1 。 建筑智能化系统是指建筑系统中具有智能性的建筑设备和环境，其主体 是指建筑物中建筑设备自动化系统( b a s ，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) 、办公 自动化系统( o a s ，o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 、通信网络系统( c n s 。 c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e m ) 以及对这些系统的集成，建筑智能化系统隶属 于智能建筑。 从目标和过程的关系来看，智能建筑是在社会发展到某个阶段建筑所追 求的目标，而建筑智能化则是强调建设个过程，是一个为建筑物赋予智能性 而增加相应的自动化设备和智能化系统的过程，智能建筑是建筑智能化进程 中某个时期的具体体现，其内涵随着新技术的发展而不断更新。 就现阶段而言，b a s 、o a s 、c n s 是智能建筑的基本要素，缺少其中任 何一个要素都不能再称为智能建筑。b a s 主要是指建筑物内或建筑群内的电 力、照明、空调、给排水、燃气、安防、车库管理等设备或系统，以及对它 们进行集中监视、控制和管理而构成的综合系统。o a s 是为提高办公质量和 办公效率。综合利用计算机、网络通信、多媒体、自动化、管理科学等多种 先进技术及先进的办公设备，而形成的跨学科、综合性的人机信息处理系统。 c n s 是为了实现建筑物内部人员的设备信息的互通，以及内部人员和设备与 外界的有效信息交流所使用的系统，如公用电话交换网、综合业务数字网、 卫星通信网等，信息包括数据、语音、图像等。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 智能建筑系统组成 在讨论智能建筑时，不能仅仅关注它包含了哪些子系统，还必须考虑其 他相关因素，如建筑环境、服务环境、人文环境等【捌因为无论智能化程度 有多高，建筑总是为人提供服务的，而对服务质量、服务内容、服务水平的 评价是综合性的，因此只有对上述各要素进行整体集成和有效管理，才能实 现信息共享、软硬件资源共享和各子系统的协同工作，从而确保其具有安全、 舒适、高效的办公环境、工作环境和生活居住环境。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 智能建筑集成所依据的标准 智能建筑设计标准( g b t5 0 3 1 4 - - 2 0 0 0 ) 建筑与建筑综合布线系统工程设计规范( g b t5 0 3 1 1 - - 2 0 0 0 ) 建筑与建筑综合布线系统工程验收规范( g b t5 0 3 1 2 - - 2 0 0 0 ) 2 3 智能建筑工业控制网络 2 3 1l o n w o r k s 控制网络 l o n w o r k s 是e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种控制网络，简称i o n 网( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 。控制网是以对等方式工作、监控传感器、控制 执行器、可靠地通信、管理网络操作和提供对网络数据全年接入的任何装置 的集合【2 1 j 。l o n w o r k s 控制网络使用l o n t a l k 协议来完成这些任务。l o n w o r k s 技术已经成为控制网络的通用标准之一，目前得到广泛的应用。 l o n w o r k s 技术通过基于l o n t a l k 协议采用自由拓扑结构方式把控制单 元连接成开放的测控网络，这个网络符合国际标准化组织( i s o ) 制定的开放 系统互联( o s i ) 模式。其具有开放性、互操作性、控制节点间可采用多种 媒体连接进行通信、可靠性高、应用编程采用高级语言，并且符合国际标准 等特点。l o n w o r k s 技术具有如下一些特点【捌： ( 1 ) 开放性。网络协议开放，对任何用户是平等的。 ( 2 ) 互操作性。l o n w o r k s 控制网络所用的l o n t a l k 通信协议符合i s o o s i 模型，基于该协议的不同厂家的产品都可以实现互操作。 ( 3 ) 适应于多种网络结构。网络结构可以是主从式、对等式或c s ( b s ) 等计算模式。 ( 4 ) 网络通信采用面向对象的设计方法。对象在l o n w o r k s 网络技术中称 之为“网络变量”，它使网络通信的设计简化为参数设置，提高了 编程的效率。 ( 5 ) 提供了强有力的成套开发工具平台，即n o d c b u i l d e r 、l o n b u i l d e r 以及 相应的网络工具软件( 如l n s 、d d e 等) 。 ( 6 ) 较高的通信速率。通信速率可达1 2 5m b i t s ，此时的有效距离为1 3 0 m ； 对于7 8k b i t s 的双绞线，直线通信距离可长达2 7 0 0 m 。通信单元长 武汉理工大学硕士学位论文 度是可变的，通信的每单元有效字节数为。一- 2 8 8 字节。 ( 7 ) 通信媒介可任选。l o n 网可用任何一种媒介进行通信，包括双绞线、 电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外线等，而且同一个网络中 可使用多种通信介质。 ( 8 ) 采用了改善的介质访问控制算法c s m a ，即可预测的p 坚持c s m a ， 这样在网络负载很重的情况下，不会导致网络瘫痪。 ( 9 ) l o n w o r k s 控制网络在一个测控网络中的节点数可达3 2 0 0 0 个。 ( 1 0 ) l o n w o r k s 技术的核心元件( n e u r o n 芯片) 同时具备通信功能和控制 功能。n e u r o n 芯片内部含有3 个8 位微处理器、3 4 中i o 对象和定 时器计数器等。 l o n w o r k s 控制网络主要包括智能设备含n e u r o n 芯片( l o n w o r k s 节点) 、通 讯协议( l o n t a l k 协议) 、通信介质( 双绞线、电力线等) 、互连设备( 路由器、网 络接口等1 组成【捌。， 网络管理工具 i 黼具等节点 tt + l o n w o r k sl o n w o r k s 网络接口路由器和网关 00 l节点 ：0 节点节点节点 n e t w o n 芯片 i w 砌嚣收发器 i ，o 用户程序 图2 - 2l o n w o r 蛐j 网络硬件和软件标准单元 武汉理工大学硕士学位论文 通过上图，可以发现e c h e l o n 公司将具有通讯与控制功能的n e u r o n 芯 片与网络协议固件l o n t a l k 各种收发器以及开发工具一起有机地组成了用于 控制领域的局域操作网核心技术l o n w o r k s ，它方便地实现了网络环境下的通 信，控制，调度和 o 功能。l o n w o r k s 总线技术使得现场仪表之间，现场仪 表与控制室之间构成底层网络互连系统，实现全数字、双向、多变量数字通 信。 近年，随着人们生活水平的不断提高，人们对自身的生活质量的提高也 提出了一定的要求，如伴随着互联网络技术带来多元化的信息和便捷的通讯 方式，人们在家中也能享受高科技所带来的便捷，人们的这种需求，便为智 能化建筑技术的推广提供了发展空间。包括在制造业、交通工具等领域， l o n w o r k s 技术都有了成功应用的先例。而l o n w o r k s 在对智能节点的研制与开 发过程中，其投资少见效快已逐步为越来越多的用户所接受。纵观控制网络 系统的演化： j z a 式分布式系统 独立控制网络集成 封闭的单个销售商开放的多个销售商 可以清楚的看到，能向终端用户提供监测、控制、灵活、舒适终端服务 的控制系统必须是： ( 1 ) 有一定的工业标准为基础 ( 2 ) 互可操作性 ( 3 ) 由多个生产商供货 ( 4 ) 有成本效益，能适应未来变化 l o n w o r k s 控制网络技术，使得小型低成本控制设备运行在成熟的符合标 准开放互连模型7 层通信协议的c p u 上成为可能，并可将不同供应商设计制造 的产品互连成统一的自动化系统，最终能提供更大的灵活性，更方便的管理， 更高程度的规模可变性和更低的工作周期成本，因而成为目前较具竞 争力的现场总线之一 l o n w o r k s 的硬件主要节点为神经元芯片( n e u r o nc h i p ) ，使用 c m o c l s i 技术，神经元芯片高度集成，使用它需要的外部器件最少。其芯片 内有3 个8 位c i u 。 n e u r o n 芯片m c l 4 3 1 2 0 和m c l 4 3 1 5 0 ，主要应用于使用l o n w o r k s 技术的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 自动检测与控制系统中。e c h e l o n 公司已经为使用l o n w o r k s 技术和上述两种 芯片设计出了一套完整的开发工具和软件。许多o e m 公司，如v a c o m 公 司，为l o n w o r k s 技术的具体应用、方便用户更快地将此技术