弱电课程复习讲义-2011完整版-罗剑高

弱电系统设计与应用课程讲义广东农工商职业技术学院罗剑高2011年12月前言为了帮助学员在教材的基础上能更好地复习、更有效地掌握重点，笔者撰写了该讲义。讲义内容的撰写依据是课程所选教材（建筑弱电应用技术 喻建华等编著）和课程教学目标。文中标注红色的部分为需重点掌握的内容，也是考核的重点内容。主要符号对照表CCTV Close Circuit Television 闭路监控电视PDS Premises Distribution System 综合布线系统BAS Building Automation System 建筑设备自动化系统CAS Communication Automation System 通信自动化系统OAS Office Automatic System办公自动化系统第一讲 弱电系统及系统设计概述弱电系统：是针对强电系统而言的。一般来说，强电系统的主要功能是实现能量转换，如将电能转化为光能的电气照明系统、将电能转换为机械能的电梯系统。而弱电系统的主要功能是实现信息的处理及信号的传输。弱电系统是一个宽泛的概念，在国内常把弱电系统看作是建筑智能系统或安防系统。系统是由相互联系、相互作用的若干部分，以一定结构组成的具有特定功能的整体。弱电系统是由工作电压较低（小于36V）的设备、器件构成的实现信息处理和信号传输的系统。系统设计是根据系统的建设要求，对该系统的建设工程所需的技术、经济、资源、环境等条件进行综合分析、论证，编制建设工程设计文件的活动。设计编制单位需根据批准的可行性研究报告、现场工程勘察报告等设计依据进行工程项目的设计，工程设计一般分阶段进行。根据具体项目可采用两阶段或三阶段设计，两阶段包括：初步设计和施工图设计，三阶段包括初步设计、技术设计和施工图设计。本课程要求学员掌握初步设计的基本内容。在初步设计的文件中要明确地阐述：项目的建设目标（即需要做什么）、与项目相关的现有技术分析（即有什么）、根据现有技术、产品如何实现项目目标（即如何做）。第二讲 电视监控系统现代智能建筑中人们总是设法将关键部位或重要场所实时、形象和内容不失真地显示出来，从而形成了电视监控系统。目前电视监控系统已成为现代生产、管理和生活中实施监视和控制的极为有效的工具，同时也是安全防范的有效工具之一。电视监控系统是在闭路电视系统基础上发展起来的，所以又称闭路监控电视CCTV。2.1 电视监控系统的组成电视监控系统一般由四部分组成，即摄像部分、传输部分、显示和记录部分、控制部分，其结构如图2.1所示。 （P162习题6.1）图2.1 电视监控系统结构示意图2.1.1 摄像部分：摄像部分是电视监控系统的前端部分，是系统的“眼睛”，是整个电视监控系统的原始信号源。它布置在被监视场所的某一位置（或几个位置）上，其视场角能覆盖整个被监视场所的各个部位。它的功能是通过对监视区域的摄像，获取实时图像信息并将光信号（含图像信息）转换为电信号输出。 （P162习题6.1）摄像部分的主要组成有: 摄像机；摄像机的支承设备；摄像机防护罩。a. 摄像机的作用是把光信号（含图像信息）转变为电信号，它的关键部件是摄像器件。彩色摄像机与黑白摄像机性能差别较大，在无颜色识别要求情况下首选黑白摄像机，这是因为黑白摄像机除了图像观察感观上因只有黑白两色，导致所摄图像的真实感较彩色摄像机差之外，其它方面，如价格、设备尺寸、设备的灵敏度等都相对更优。（P162习题6.2）b. 固定和安装摄像机的设备称为摄像机的支承设备。常见的摄像机支承设备有三脚架、摄像机托架和云台。（P162习题6.3）云台是目前最常用的摄像机支承设备。它可带动摄像机进行水平方位旋转和垂直方位旋转，从而扩大了摄像机的监视范围。根据使用环境和监控要求不同，云台可分为室内型和室外型、通用型和特殊型、手动控制旋转型和电动控制旋转型。（P162习题6.4）c. 由于电视监控系统设置的环境不同，有时需要对摄像机加装防护外罩，确保摄像机正常工作，延长其使用寿命。2.1.2 传输部分：传输部分用于将监控系统的前端设备与终端设备（通常放置在控制中心）联系起来。前端设备所产生的图像信息、声音信号、各种报警信号通过传输系统传送到控制中心，并将控制中心的控制指令输送到前端设备。传输部分是系统图像信号和控制信号的通路，在传输线路上传输的是视频信号和控制信号。 （P162习题6.1）视频信号传输一般选用同轴电缆、光纤或双绞线等。（P162习题6.5） 双绞线用来传输信号时，信号的衰减比较大，并且易产生畸变，适用于较短距离的传输。使用双绞线来传输信号的优点是便宜且施工方便。在一些传输容量相对不大、质量要求相对不高，工程造价要求较低的工程场合，可首选双绞线作为传输介质。 （P162习题6.5） 同轴电缆比双绞线有着更好的传输性能，它对干扰和串音不敏感，有效传输距离也更远，但存在电缆更粗，布线不太方便，抗干扰能力、传输容量等性能虽较高但不及光纤等不足。适用于传输容量较大、中短距离的信号传输。（P162习题6.5） 光纤具有传输容量大、损耗低、线径细、重量轻、不受电磁干扰等优点，但相对而言接头工艺要求较高，光端机技术复杂、造价相对昂贵，因而适于几公里到几十公里以上的远距离、大容量的信号传输。光纤有多模光纤和单模光纤之分，多模光纤在单根光纤中可传多种模式的光，而单模光纤只能传一种模式的光。在单根光纤中，因多模光纤可同时利用多种模式的光，所以传输容量较单模光纤要大，但传输距离相对要近。（P162习题6.5） 电视监控系统一般是中短距离的中小型系统，且视频信号量通常较大，故电视监控系统大都采用同轴电缆传输视频图像信号。 2.1.3 显示和记录部分：显示和记录部分一般安装在控制室，主要有监视器、录像机和一些视频处理设备。监视器用于显示摄像机输出的视频信号。要实现用少量监视器显示多个摄像机输出的视频信号、在同一屏幕上显示多个监控视频信号或多个监视器显示同一视频信号等功能，控制室还需增加相应的设备，这些设备有视频切换器、多画面分割器、视频分配器等。录像机在监控系统中作为记录和重放装置。 （P162习题6.1）2.1.4 控制部分：控制部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是指挥整个系统正常运行的中心。（P162习题6.1）控制部分主要由总控制台（有些系统还设有副控制台）组成。总控制台的主要功能包括图像信号的校正与补偿、视频信号的放大与分配、图像信号的切换与记录（包括声音信号）、摄像机及其辅助部件（如镜头、云台、防护罩等）的控制（遥控）等。 （P162习题6.6）2.2 摄像机的布置在电视监控系统中，摄像机的布置直接关系到系统运行的质量和监视的效果。一般摄像点的布置要求如下： 1） 必须安装摄像机以进行监视的部位有主要出入口、总服务台、电梯（轿厢或电梯厅）、停车场、车库、避难所等。 2）一般情况下应安装摄像机以进行监视的部位有底层休息大厅、贵重商品柜台、主要通道、自动扶梯等。3）结合建筑功能管理的需要有选择地安装摄像机，客房通道、酒吧、咖啡茶座、餐厅、多功能厅等需预埋管线，为安装摄像机做准备。 （P162习题6.7）2.3 CCTV系统的控制方式CCTV系统根据应用的环境、控制方式和造价的不同可分为直接控制形式、间接控制形式和总线控制形式。 （P162习题6.8）直接控制是把控制信号不经变换，直接由传输线输入到被控设备，对被控设备进行控制。这种控制方式没有中间环节，设备简单，投资低，但要求控制信号的电压较大，对传输线的要求较高，控制距离一般不超过500，仅适用于距离较短的小型电视监控系统。（P162习题6.8）间接控制是在被控设备处增设信号转换装置，如在摄像端增设控制箱，提供摄像端设备所需电压，管理中心通过控制器发出小电压信号来推动控制箱中的继电器将控制信号转换成摄像端设备所需的控制电压。这种控制形式降低了对控制线的要求，增加了传输距离，但对大型控制系统仍不适用，因为被控设备越多，需要的控制线也越多，它和直接控制形式就控制线而言均属多线制系统。 （P162习题6.8）总线控制形式采用串行码传输控制信号，利用传输单线组网，系统控制线只需两根。监控室微处理机控制系统将控制指令编码后变成串行数字信号送入传输总线，被控设备的解码电路，如摄像端的解码电路，通过解码识别，驱动电路执行相应指令。这种控制形式适用于大中型电视监控系统。 （P162习题6.8）2.4 电视监控设备的选择和安装 一般电视监视系统宜采用黑白摄像机，黑白摄像机比彩色摄像机更容易达到电视监控系统要求的照度和清晰度，对色彩有一定要求的场合可选用彩色摄像机。（P162习题6.2） 摄取固定目标时摄像机选用定焦距镜头；有视角变化要求时，可选用变焦距镜头。 需要环视整个场景时，摄像机应配置电动遥控云台。 在下列环境下安装的摄像机需使用摄像机防护罩：（1） 遭受风吹雨打的室外环境，一般选用室外型防护罩。（2） 周围温度超过摄像机工作的温度范围，选用通风冷却型防护罩。（3） 尘土多或空气污染大的环境，选用防尘防水型防护罩。（4） 湿度大的环境，选用防尘防水型防护罩。（5） 安装在水中和防爆地区等特殊环境下时，选用特殊类型的防护罩。 系统的图像信号传输距离较近时，可采用同轴电缆传输视频基带信号的视频传输方式。长距离传输或需避免强电磁场干扰的传输宜采用光缆。第三讲 安全防范系统安全防范系统的全称是公共安全防范系统，运用安全防范产品或相关产品构成的系统均可称为安全防范系统。安全防范系统涉及面很广，按其报警功能不同可分为专业性安全防范报警系统和非专业性安全防范报警系统两大类。本课程只讨论非专业性安全防范报警系统-入侵报警系统、门禁控制系统、电子巡更系统和停车场管理系统等。安全防范系统的作用是保护社会公共安全和人身财产安全，降低损失，预防犯罪。 （P183习题7.2）3.1 入侵报警系统入侵报警系统是利用传感器技术和电子信息技术探测并指示非法或试图非法进入设防区的行为，处理报警信息、发出警报信号的电子系统或网络系统。它是根据被防护对象的使用功能和安全防范管理的要求，对设防区域的非法入侵、盗窃、破坏和抢劫等行为进行实时有效地探测和报警的系统。按实际需要和报警功能不同，入侵报警系统可分为企事业单位用防盗防入侵报警系统、家居安全防范报警系统、周界报警系统、家居及周界综合联网报警系统等四种防盗防入侵报警系统。3.1.1 报警探测器：报警探测器是用来探测入侵者的移动或其他动作，由电子及机械部件所组成的装置构成，结构上分为传感部分和信号处理部分。常用的报警探测器有红外报警探测器、微波报警探测器、复合式报警探测器、超声波报警探测器、振动式报警探测器、磁开关报警探测器等。（P183习题7.1）红外报警探测器又称红外入侵探测器，按其结构和工作原理不同分为两类，一类为主动红外报警探测器，另一类为被动红外报警探测器。主动红外报警探测器一般设置在围墙上或围墙内侧构成电子篱笆警戒，目前常用的有单光束、双光束和四光束主动红外报警探测器等。被动红外报警探测器与其他类型保安设备比较有如下特点：（1） 警戒的范围是一个空间，可实现较远距离的控制；（2） 被动式工作方式不产生任何辐射，保密性强，能有效地执行保安任务；（3） 不受环境照度限制，昼夜均可用，特别适宜在夜间或黑暗条件下工作；（4） 由于无能量发射，没有容易磨损的活动部件，故功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。微波报警探测器依据结构不同分为雷达式和墙式两种。微波雷达式报警探测器是基于多普勒效应工作的。微波墙式报警探测器由微波发射机、发射天线、微波接收机、接收天线、报警控制器等组成。墙式微波探测器在发射机与接收机之间存在的微波电磁场中形成了一道看不见的警戒线，警戒线长可达几百米，宽24 m，高34 m，似一道围墙，故称为微波墙式探测器或微波栅栏。3.1.2 防盗（入侵）报警系统的分类：防盗报警系统包括前端设备、传输设备、处理/控制/管理设备和显示/记录设备。前端设备包括一个或多个探测器；传输设备包括电缆、数据采集和处理器(地址编解码器发射接收装置)。常用的系统有分线制和总线制两大类。分线制系统的探测器、紧急报警装置通过多芯电缆与报警控制主机形成一一对应的专线联系。总线制系统是将探测器、紧急报警装置通过其相应的编址模块与报警控制器主机之间采用报警总线（专线）相连。与分线制防盗报警系统相同，它也是由前端设备、传输设备、处理/控制/管理设备和显示/记录设备四部分组成，所不同的是其传输设备通过编址模块使传输线路变成了总线制，大大减少了传输导线的数量。 （P183习题7.3）3.1.3 小区周界防范报警系统：小区周界防范报警要求的是线状的报警探测，其警戒范围是一条线、两条线或更多条线，当警戒线上的警戒状态被破坏时，发出报警信号，比较而言，对射型的入侵探测器适合这种需要。常见的对射型入侵探测器是主动式的红外入侵探测器。 （P183习题7.4）3.2 门禁控制系统亦称出入口控制系统，它是根据建筑物的使用功能和安全防范管理的要求，对需要控制的各类出入口按各种不同的通行对象及其准入级别有效地实时控制与管理的系统。门禁控制系统主要由识读、执行、传输和管理/控制四部分组成。身份识读是门禁系统的重要组成部分，起到对通行人员的身份进行识别和确认的作用。执行部分包括各种电子锁具、三辊匝、挡车器等控制设备传输是门禁控制系统设备间传感信号和控制信号的通路，它负责把身份识读、执行和管理/控制有机地串接起来管理/控制通常是指门禁控制系统的处理与控制部分，它是门禁控制系统的中枢，存储了大量相关人员的信息、密码等资料，这些资料的重要程度是显而易见的。另外，管理和控制部分还担负运行和处理的任务，并对各种各样的出入请求做出判断和响应。3.3 电子巡更系统电子巡更系统是利用全新技术确保保安巡更工作科学化、规范化管理的系统。根据建筑物的使用功能和安全防范管理的要求，电子巡更系统可以按预先编制的保安人员巡查程序，通过信息识读器或其他方式对保安人员巡逻的工作状态进行监督、记录，并能对意外情况及时报警电子巡更系统按系统结构形式分为在线式电子巡更系统和离线式电子巡更系统。在线式电子巡更系统中，巡更点设置有读卡器或开关按钮，保安在巡更时通过刷卡或按按钮进行确认，控制器规格和设置应根据读卡器和按钮位置及数量确定。离线式电子巡更系统中，巡更点设置有信息钮，保安在巡更时手持数据采集器读取信息钮中的数据，同样，系统中各设备的规格应根据读信息钮的位置及数量确定。 （P183习题7.7）3.4 停车场管理系统根据建筑物的使用功能和安全防范管理的要求，对停车场（库）的车辆通行道口实施出入控制、监视、行车信号指示、停车管理和车辆防盗报警等功能的系统。停车场管理系统流程分为两部分，一部分是车辆进停车场流程，另一部分是车辆出停车场流程，一个停车场管理系统至少需要管理/控制系统、读卡机与挡车机、感应线圈、信号指示器等设备。停车场管理系统的工作流程如下图所示。图3.1 停车场管理流程图（a） 进停车场流程;（b） 出停车场流程第四讲 综合布线系统综合布线系统是一套用于建筑物或建筑群内的传输网络，它将语音、图像、数据等设备彼此相连，也能使上述设备与外部通信网络连接。综合布线系统设计应具有开放性、灵活性和扩展性，并对其服务的设备有一定的独立性。（P50习题2.2）4.1 综合布线系统的组成在美国标准商业建筑电信布线标准和我国标准建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范中，把综合布线划分为六个相对独立的部分，即：工作区子系统、水平（配线）子系统、干线（垂直）子系统、设备间子系统、管理子系统、建筑群子系统。图4.1 综合布线系统的组成 （P50习题2.1）4.1.1工作区子系统：一个独立的需要设置终端设备的区域宜划分为一个工作区。工作区子系统的范围应从通信引出端(信息插座)开始到终端设备的接线处为止，它由终端设备连接到信息插座(TO)的连线(或软线)组成，如图4.2所示，包括装配软线、连接器和连接所需的扩展软线等，但不包括终端设备。图4.2 工作区示意图4.1.2水平子系统：由工作区的信息插座及到楼层配线间的线缆组成，如图4.3所示。通常线缆一端接在信息插座上，另一端接在配线架上。线缆一般为电缆或光缆，长度规定为90 m；信息插座可以是8针(脚)模块化插座，也可以是由电缆（如RJ45）和光纤插座（如ST、SC、LC）组成的多媒体插座。图4.3 水平子系统示意图4.1.3干线子系统：又称垂直干线子系统，它由设备间和楼层配线间的连接线缆组成，是建筑物综合布线系统的主干部分。4.1.4设备间子系统：设备间是在每一栋大楼内的适当位置放置综合布线线缆和相关连接硬件及其应用系统设备的场所，是设置电信设备、计算机网络设备和建筑物配线设备，进行网络管理的场所。4.1.5管理子系统：管理子系统处在配线间及设备间的配线区域，它由配线间的交叉连线和互接连线以及标识符等组成，应对工作区、电信间、设备间、进线间的配线设备、缆线、信息插座模块等设施按一定的模式进行标识和记录。4.1.6建筑群子系统：建筑群由两个或两个以上的建筑物组成，这些建筑物之间彼此要进行信息交流，就需要信息传输通道。建筑群子系统由连接各建筑物的线缆组成，它将一个建筑物中的线缆延伸到建筑群的另外一些建筑物中的通信设备和装置上。建筑群子系统提供楼群之间通信所需的硬件设施，其中包括电缆、光缆以及防止电缆上的脉冲电压进入建筑物的电气保护装置等。4.2 网络传输介质 （P50习题2.3）目前，综合布线使用的线缆主要有电缆和光缆两类。电缆有双绞线电缆和同轴电缆。双绞线电缆又分为非屏蔽双绞线（UTP）电缆和屏蔽双绞线（STP）电缆。光纤主要有62.5/125 m多模光纤、50/125 m多模光纤和8.3/125 m单模光纤三种。4.2.1双绞线电缆：双绞线电缆由多对双绞线外包缠护套构成，其护套称为电缆护套。电缆护套可以保护双绞线免遭机械损伤和其他有害物体的损坏。与其他绝缘体一样，电缆护套也能提高电缆的物理性能和电气性能。在某些情况下，还可以在电缆的护套外再加一层外护套形成保护铠装（皮）。双绞线（Twisted Pair，TP）是一种综合布线工程中最常用的传输介质。对绞线是两根铜芯导线，其直径一般为0.40.65 mm，常用的是0.5 mm。它们包在绝缘层内，按照规定的绞距互相扭绞成对绞线。双绞线的缠绕密度、扭绞方向及绝缘材料直接影响它的特性阻抗、衰减和近端串扰。扭绞的目的是使对外的电磁辐射和遭受外部的电磁干扰减少到最小。对绞线按其电气特性的不同进行分级（也称分类），如3类线、4类线、5类线等。4.2.2同轴电缆：同轴电缆是计算机网络布线中较早使用的一种传输介质，目前还有一些小型的网络仍在使用同轴电缆。同轴电缆的传输带宽大于双绞线，小于光纤。通常，同轴电缆用于视频领域较多，在数据电缆传输方面由于同轴电缆较粗，施工不便，因而应用较少。4.2.3光纤：光纤通信是以光波为载频、光导纤维为传输介质的一种通信方式。与电缆传输相比，光纤具有传输信息量大、传输距离长、体积小、质量轻、抗干扰强等优点，尤其适合于传输距离长、数据容量大及要求防电磁干扰、防窃听的场合。不过由于需要做光电转换，通信两端必须配置光端设备，这会导致造价上升和施工复杂，所以对于较短距离的通信，如通信带宽双绞线无法满足而同轴电缆可以满足时，则选用同轴电缆，如通信带宽双绞线可以满足时，则首选双绞线。4.2.4网络传输介质选取原则：从各种传输介质的固有特性及技术的演化角度考虑，综合布线所选用的传输介质为光纤和双绞线，这是因为同轴电缆较粗，不适于在室内布放，而双绞线技术的进步，基本可以满足短距离的传输需要，同时，随着光通信技术成熟和普及，施工逐渐变得容易，造价也下降到了可接受的范围，较长距离选用光纤作为传输介质成为最佳的方案。4.3 单模光纤与多模光纤 （P50习题2.4）按信号传送方式，光纤可分为单模光纤和多模光纤两种。 (1) 单模光纤 单模光纤相对于多模光纤来说纤芯很小，光纤只允许通过一个模式的光，这种只传输单一模式（Single Mode）的光的光纤称为单模光纤。此类光纤模间色散很小，传输频带宽，传输容量大，适用于远程通信。 (2) 多模光纤多模（Multi Mode）光纤直径较大，可以通过多种模式的光。多模光纤的模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，且光纤越长色散越严重。因此，多模光纤相对于单模光纤，适合距离较短的光纤通信。在综合布线系统中，传输距离常为中短距离，由于多模光纤系统比单模光纤系统便宜，易于安装，且多模光纤能在单根光纤中提供多个通道，在光端机的配合下，单根多模光纤的传输带宽可大于单根单模光纤，所以在综合布线系统中，首选多模光纤用于做主干布线。4.4 综合布线系统工程设计流程智能建筑是由智能化建筑环境内的系统集成中心利用综合布线系统连接并控制“3A”（即BAS、CAS和OAS）系统组成的。综合布线系统设计是否合理直接影响到“3A”功能。设计一个合理的综合布线系统一般有如下七个步骤： （1） 用户信息需求分析; （2） 获取尽可能全面的建筑资料; （3） 系统结构设计;（4） 布线路由设计;（5） 可行性论证;（6） 绘制综合布线施工图;（7） 编制综合布线用料清单。综合布线系统的设计过程可用图4.4所示的流程图来描述。图4.4 综合布线系统设计流程图 第五讲 计算机网络与建筑智能化系统集成计算机及其网络技术以及现代控制技术使智能建筑以及与之配套的建筑智能化系统得到飞速发展。随着现代通信、计算机网络、自动控制等技术的发展，建筑智能化系统逐渐增多，监控对象也越来越多。为了实现各智能化系统之间信息共享以及相互协调、互控和联动的功能，需要将各个分离的系统有机地集成在一个相互关联、统一和协调的系统之中，这种解决方案就是系统集成。系统集成是以计算机网络为核心，综合配置建筑内各智能化系统，全面实现对通信网络系统CNS、信息网络系统INS、建筑管理系统BMS(安全防范系统SAS、建筑设备监控系统BAS、火灾自动报警系统FAS)等的综合管理。5.1 计算机网络的含义 （P22习题1.1）计算机网络是由两台以上的计算机按照约定的协议，通过媒体连接而成的集合。计算机网络的两个基本功能：(1)、通信，即在计算机之间传递数据。(2)、资源共享，包括硬件、软件和信息资源的共享。在上述基本功能的基础上可产生出许多其他的功能。5.2 计算机网络的分类 （P22习题1.1）（1） 按所用的通信手段可分为有线网络、无线网络、光纤网络和人造卫星网络等。（2） 按应用角度可分为专用网络、公用数据网络和综合业务数据网络（ISDN）等。（3） 按网络覆盖范围的大小可分为局域网(LAN)、城域网（MAN)和广域网（WAN)。5.3 计算机网络的基本组成 （P22习题1.1）计算机网络是一个复杂的系统，不同的网络组成不尽相同。但不论是简单的网络还是复杂的网络，基本上都是由计算机与外部设备、网络连接设备、传输介质、网络协议以及网络软件等组成。5.3.1计算机与外部设备：计算机网络中的计算机包括主机、服务器、工作站和客户机等。计算机在网络中的作用主要是处理数据。计算机外部设备包括终端、打印机、大容量存储系统等。5.3.2 网络连接设备：网络连接设备用来进行计算机之间的互联并完成计算机之间的数据通信。计算机网络中的网络连接设备有很多种，主要包括网络接口卡（NIC)、集线器(HUB)、交换机（Switch）、路由器(Router)、网关（Gateway）等。此外,为了实现通信，调制解调器、多路复用器等也经常在网络