摘要：针对楼宇中电器应用较复杂并且需要优化设置的问题，设计基于遗传算法的智能楼宇网络系统信息通信系统以解决这一问题，本文从智能楼宇网络系统的四大性能特性分析入手，设计信息通信系统的三层物理架构，研究信息通信系统的通信协议中的10个主要部分，对某楼宇的电器功耗模型进行遗传算法处理。应用MATLAB进行仿真试验分析，基于遗产算法的信息通信系统可以将该楼宇中电器功耗性能优化至原始功耗的63%，取得较好的效果。
关键词：智能楼宇；网络系统；信息通信；物理架构；通信协议；遗传算法
随着人类社会文明的不断进步，在城市建设集群化的背景下，追求高度精神文明和物质文明的智能住宅系统正在不断取代局限于居住面积大小和装修条件好坏的传统住宅系统。全球第一座智能楼宇住宅系统于1984年产生于美国的康涅狄格州，尽管当时是在一幢旧式楼宇的基础之上进行了进一步的改造，通过应用现代微机技术将楼宇住宅系统中的各种电器的运行情况和性能参数进行监控，然后对相关的电器数据进行分析，提供网络、通信、情报等信息数据服务[1-2]。当前我国一些较大的公司已开始进行智能楼宇方面的产品科研设计，推广扩展等方面的工作，但由于我国起步较晚，智能楼宇仍仅是停留在较低层的阶段，尚未形成较为成熟的相关产品，所以智能楼宇系统方面的相关研究有待进一步的拓展[3]。智能楼宇网络系统是智能楼宇系统中较为重要的组成部分，其是应用先进的现代微机控制技术、网络通信技术和综合布线技术，将家居生活中息息相关的各种类型的子系统进行有机的组合，将其进行统筹规划处理，从而使家居生活较之前变得更加舒适、安全、有效。信息通信系统是智能楼宇网络系统中的起到中枢作用的关键，其负责将智能楼宇网络中的各个组成部分（尤其是电器部分）的参数信号、结构控制等方面的信息进行数据汇总和信息通信，并将智能楼宇网络中的控制系统的控制信息通过其传输到智能楼宇网络中的各个子模块，再对各个子模块进行相应的控制处理[4]，本文主要对智能楼宇网络系统中的信息通信系统的功能特性、系统架构和相关设计进行进一步的研究。
1智能楼宇网络系统的性能特性
相比较于传统的楼宇住宅网络系统，智能楼宇网络系统具有其独特的功能特性。如图1所示，智能楼宇网络系统的性能主要包括能源控制与四表远程控制性能、安防控制与照明系统控制性能、网络信息控制与通信性能以及其他性能等4种类型。1）能源控制与四表远程控制功能。将智能楼宇系统的电表、水表、煤气表以及暖气表等表具数据通过现代布线技术进行系统总线控制，并将相应的数据进行汇总，然后将相应的数据通过系统数据总线传输到物业信息管理中心，在中心的处理服务器上进行自动四表数据的记录，并根据记录的四表数据，对电费、水费、煤气费以及暖气费进行计算，然后通过无线网络传送给用户的手持终端上，方便用户进行实时查询。同时，用户还可根据自身的需要对家中的各种电器进行远程控制，从而降低用电负荷等能源的消耗[5]。2）安防控制与照明控制功能。智能楼宇网络系统中的门禁系统、煤气燃气险情报警以及火灾自动报警等安防控制系统和各种照明灯具的开启关闭控制系统是必不可少的组成部分。用户可自动的对智能楼宇的安防等级进行相应的设定，应用手持控制终端通过无线网络连接智能楼宇网络系统，控制智能楼宇中各种安防系统和照明控制系统的开启与关闭，以及相应的安全与应用等级。3）网络信息控制与通信功能。作为智能楼宇网络系统较为显著的功能，远程控制电视机、洗衣机、微波炉、空调、热水器等家用电器的功能具有明显的实用价值。以上所述的各种智能家用电器具有各自与外界相连接的数据与电气接口，通过智能楼宇网络系统的数据总线连接无线网络，经无线网络的数据传输，将各种家用电器的实时数据、工作状态、应用性能等参数传送到用户的手持数据终端之上，用户可通过控制手持数据终端远程控制智能楼宇网络系统中各种智能家用电器的工作情况。若家用电器出现故障，还可对其进行远程的故障监控和故障诊断。4）其他功能。智能楼宇网络系统除了以上所述的3种较为重要的功能外，还有对智能楼宇中的采光、温湿度等方面的控制功能，对楼宇内部老人健康情况的远程诊断、实时监测、危险控制等其他功能。智能楼宇网络系统除了具备以上四种主要的功能以外，还要具有一些主要的特性，比如标准性、开放性、模块性、实用性等。在具备了以上几种特性后，便可对智能楼宇系统的发展起到进一步的促进作用，有助于智能楼宇系统的快速发展。
2智能楼宇网络信息通信系统物理架构
在对智能楼宇网络信息通信系统进行物理架构设计时，一般采用三层通信系统物理架构的形式，分别为智能楼宇网络信息通信系统的串行通信层，传输控制层以及应用服务层3种层类型[6-10]，如图2所示.在智能楼宇网络信息通信系统的物理架构中，串行通信层一般是通过采用232串行通信接口或485串行通信接口，将空调、洗衣机、电冰箱、热水器等智能家用电器的实时数据传送到传输控制层中。智能楼宇网络信息通信系统的传输控制层遵从网络传输控制协议，负责将串行通信层获取的家用电器的实时数据传送到智能楼宇网络信息通信系统的应用服务层中去，起到了连接串行通信层和应用服务层这两种物理架构层的作用，是整个物理架构中较为重要的部分。智能楼宇网络信息通信系统的应用服务层是基于智能楼宇网络系统的操作应用服务平台之上，接收到传输控制层传输给串行通信层的数据，在操作应用服务平台上使用专门的应用服务软件，对各种家用电器的实时数据进行相应的分析、处理、控制与传送。应用服务层是智能楼宇网络系统物理架构中的顶层，起到了对家用电器进行最终控制的作用，串行通信层则是智能楼宇网络系统物理架构中的基层，负责采集家用电器的实时数据，而传输控制层则是衔接串行通信层和应用服务层的关键，其在整个物理架构中，起到承上启下的作用。
3智能楼宇网络信息通信系统通信协议
智能楼宇网络系统的信息通信协议情况，如图3所示。智能楼宇网络系统的信息通信传输数据帧的结构由起始位、长度位、地址位、类型位、优先级位、协议类别位、命令类型位、数据位、校验位和结束位总计10部分构成[11-13]。其中，数据帧的起始位也就是数据帧的帧头负责通信数据帧的开始，表明从此之后是智能楼宇网络系统信息通信传输数据帧部分。数据帧的长度位表示该数据帧的总共长度，即整个数据帧由多少个字节构成；数据帧的地址位表明，该帧数据是来自哪个家用电器；类型位表明，该帧数据传输的是该家用电器的何种参数、何种特性；优先级位表明，该家用电器在整个智能楼宇网络系统架构中的相应作用，是属于第几种优先级；协议类别位表明，该帧数据属于哪种通信协议；而命令类型位则表示的是该帧命令的相应类型；数据位代表的是，该帧数据所传输的命令的数据内容；校验位表示的是对该帧数据进行和校验的结果；结束位表明的是，该帧数据最后一个字节的数据，代表着该帧数据结束。
4智能楼宇网络信息通信系统应用实例
在构建智能楼宇网络信息通信系统的物理架构和通信协议的基础之上，针对智能楼宇中电器的功耗性能进行处理，应用智能楼宇网络信息通信系统，设计基于遗传算法的功耗控制方法，以实现控制智能楼宇中电器功耗的目的。选遗传算法是仿照生物进化过程设计出的解决复杂非线性问题的优化算法，在各种规划设计、组合优化中得到了广泛的应用[14]。遗传算法首先构建模型，并对问题对象进行染色体编码，然后初始化种群，计算个体适应值，通过执行遗传算法选择、交叉、变异等操作之后，判断是否满足终止条件，如果满足终止条件，则选择结束，如果不满足终止条件，则重新进行个体适应值的计算[15]，其流程图如图4所示。在网络系统信息通信系统的基础之上，使用MATLAB仿真软件，应用遗传算法，针对智能楼宇中的电器功耗进行优化处理，可以得到优化前后电器功耗变化的情况，如图5所示，经过优化处理之后，电器的功耗降低为优化之前的63%，较好的实现了楼宇中电器功耗的控制。
5结束语
智能楼宇系统是随着人类文明的不断发展，逐步取代传统楼宇住宅系统的发展趋势，其兼具有高度的精神文明和物质文明的特征，是以后人类居住环境的发展方向，我国在这方面的研究工作相对起步较晚。智能楼宇网络系统是智能楼宇系统中较为重要的组成部分，而信息通信系统是智能楼宇网络系统中的关键，其对智能楼宇网络中的各个组成部分（尤其是电器部分）的参数信号、结构控制等方面的信息进行数据汇总和信息通信，并将智能楼宇网络中控制系统的控制信息通过其传输到智能楼宇网络中的各个子模块，再对各个子模块进行相应的控制处理，本文研究了智能楼宇网络系统中的信息通信系统的功能特性、系统物理架构和相应的通信协议。
作者：施涛 单位：四川师范大学信息网络服务中心
