智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统及其控制方法

摘要

一种智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统，包括中心控制器和区域控制子系统，每个区域控制子系统内有末端控制设备，所述中心控制器与无线协调器连接，各末端控制设备与无线路由控制器信号连接，无线路由控制器与无线协调器信号连接，末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器都基于ZigBee通讯协议，符合IEEE802.15.4标准。解决现有无线控制系统无法组成较大测控网络的技术问题；还解决现有楼宇智能控制系统功耗大、速率低、成本高的技术问题；保证设备通讯或控制故障时，仍能够由人工控制，防止整个系统处于瘫痪状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能建筑的控制系统及其控制方法，特别是一种可以进行远程控制的无线联网智能控制系统及其控制方法。

背景技术

目前市场上有许多种通过无线遥控器控制的系统。虽然此种系统方便了人们的使用，但也存在一些不尽人意的地方，其主要有以下几点：

由于使用环境和系统本身的诸多因素(如温、湿度，雷电，过流，器件老化等)有可能使系统暂时或永久失效；此时开关处在失控状态，用户无法通过遥控器或面板开关控制灯的开闭；

通讯频率较低(基本上在315兆赫兹-433兆赫兹)，通讯速率不高，抗干扰能力较弱；

通讯协议较简陋，双向通讯机制不健全，只能适用于若干个点的控制，无法搭建较大的系统，或者造价过于昂贵。

采用嵌入式系统控制无线通讯和开关启闭，面板上虽设有手动开关，但此开关为嵌入式系统的一个数字输入点抓既只有系统能正常工作此开关才起作用。由于使用环境和系统本身的诸多因素(如温、湿度，雷电，过流，器件老化等)有可能使系统暂时或永久失效；此时开关处在失控状态，用户无法通过遥控器或控制面板开关控制灯的开闭。

采用双向可控硅等功率半导体器件作为主开关器件，而半导体功率器件在安装和使用过程，由于会出现安装短路、浪涌电流、瞬时高压等情况，因此功率器件较易损坏。此时开关处在失控状态，用户无法通过遥控器或控制面板开关控制灯的开闭。

通讯频率较低，基本上在315兆赫兹-433兆赫兹，通讯速率不高，抗干扰能力较弱；

通讯协议较简陋，双向通讯机制不健全，只能适用于若干个点的控制，无法搭建较大的系统。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统及其控制方法，要解决现有楼宇智能控制系统有时会处在失控状态，用户无法通过遥控器或控制面板开关控制灯开闭的技术问题；并解决现有楼宇智能控制系统功耗大、速率低、成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

这种智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统，包括中心控制器和至少一个区域控制子系统，每个区域控制子系统内有至少一个置于末端设备上的末端控制设备，所述中心控制器是中心控制计算机，它与无线协调器连接，区域控制子系统的各末端控制设备与无线路由控制器信号连接，无线路由控制器与无线协调器信号连接，所述末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器都基于ZigBee通讯协议，符合IEEE802.15.4标准.

所述中心控制计算机通过互联网或以太网连接远程控制计算机。

所述末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器的信号连接是星形连接、树形连接或者网状连接。

所述末端控制设备有无线电子控制开关和机械控制开关。

所述ZigBee通讯协议的信号传输有效覆盖范围为10～75米之间，使用频段为2.4GHz、868MHz，和915MHz，时延在15毫秒至30毫秒之间，每个ZigBee网络支持65000个设备。

所述末端设备是灯具、电源、空调、窗帘或传感器，或上述二至五种的任意组合。

所述传感器是光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、位置传感器，或上述二至五种的任意组合。

所述末端控制设备的智能开关面板包括带有按键的面板外壳、控制底板、集成电路，控制底板含火线接线柱、零线接线柱，其特征在于：所述集成电路板上包括电源单元、输入单元、中央控制单元、通讯单元和输出单元；所述按键包括至少一组手动机械开关按键和无线电控开关按键，所述按键包括至少一组手动机械开关按键和无线电控开关按键，手动机械开关按键和无线电控开关按键分别与面板外壳内的一对常开、常闭触点连接；

所述电源单元与火线和零线连接，包括整流电路、滤波电路、稳压和调压电路，用于从电网取电、向其它单元提供直流低压电源；

所述中央控制单元与电源单元的输出端连接，包括嵌入式微处理器、复位电路、震荡电路，用于接收并处理通讯单元、输入单元的发来的电信号，并对其进行逻辑运算和分析，最终向输出单元输出开关指令信号，完成对灯光的实时控制；

所述通讯单元包括用于接收和发送无线信息的天线、以及与其配套的调理电路，通讯协议符合ZigBee协议对物理层的要求；

所述输入单元用于采集各灯具负载的开关状态、配置按键状态等输入信号，并根据中央控制单元的输入要求，对信号进行调理和整形，最终传送给中央控制单元；

所述输出单元是一个能实现电控制的无线电控开关，无线电控开关与手动机械开关的开关方向相反，无线电控开关包括继电器和驱动电路，继电器与面板外壳内的触点配合连接。

所述驱动电路包括一个三极管放大电路，三极管的集电极与继电器驱动连接。

所述智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统的控制方法包括以下步骤：

a、区域控制子系统中的末端控制设备将末端设备的状态以及采集的数据信息按照ZigBee无线通讯协议进行无线网络传输给无线路由控制器，同时末端控制设备可以接收由无线路由控制器发来的控制指令并根据要求完成相应的动作。

b、区域控制子系统中的无线路由控制器收集各末端设备的状态和采集的数据信息，通过通讯接口发送给无线协调器，所述末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器都基于ZigBee通讯协议，符合IEEE802.15.4标准；

c、无线协调器将信息转送给中心控制计算机；

d、中心控制计算机对信息进行分析和逻辑运算，最终通过无线协调器和无线路由器向末端控制设备输出开关指令信号，完成对电灯、插座及其它设备的实时控制，所述中心控制计算机通过互联网或以太网连接远程控制计算机.

e、在电控部分完全失效的情况下，用户通过末端控制设备上的机械开关人工控制末端设备的启闭。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明是一种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信控制无线网络平台，它集嵌入式系统技术、无线通讯技术、网络技术于一体，通过对继电器和机械开关的控制，实现无线电子控制和手动机械控制的双控制。利用手动机械开关彻底解决了因控制失效或器件损坏造成的开关面板无法控制灯具启闭的现象，即在面板的电控部分完全失效的情况下，虽然用户无法再利用遥控装置开关电灯，但依然可以像使用普通开关一样，通过机械开关人工控制电灯的亮、灭，从而保证用户的灯具能够正常使用。

2、采用符合国际标准的Zigbee协议作为无线通讯协议，利用了IEEE802.15.4标准，形成控制无线网络平台，这样可以提高面板的可靠性、实用性和抗干扰性，提升系统的开放性和扩展性。

3、数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。

4、功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。ZigBee技术的低功耗特性，使这些电池供电的网络可以延长运行时间。

5、成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。比蓝牙、高速率个人区域网或802.11x无线局域网更简单实用。

6、网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持6500个设备，可与254个节点联网。

7、时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

8、安全可靠：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。采用跳频技术，基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。

9、有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

10、工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。本发明克服了传统电控系统不稳定的缺点，解决了传统协议的各种技术问题。

11、ZigBee技术提供了静态和动态星形、集群树和网状网络结构，可以实现大局域网络覆盖和可扩展网络，避免单点故障。

本发明采用国际标准的通讯控制平台ZigBee技术，结合嵌入式控制系统技术，实现对建筑物内电源、照明、空调的智能化控制和管理，从而实现建筑物节能的目标。本发明可广泛应用于楼宇监控、办公自动化、保健诊断、工业安全、电力监控、节能控制和环保监控等方面，主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意框图。

图2是本发明的第一种星形网络连接结构示意图。

图3是本发明的第二种树形网络连接结构示意图。

图4是本发明的第三种网络状连接结构示意图。

图5是本发明的面板开关框图。

图6是本发明的面板开关输出单元原理图。

1-无线电控开关，2-手动机械开关，3-灯具负载，4-削减功能设备，5-中心节点，6-全功能设备。

具体实施方式

参见图1，这种智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统，包括中心控制器和n个区域控制子系统，每个区域控制子系统内有至少一个置于末端设备上的末端控制设备，所述中心控制器是中心控制计算机，它的信号端口与无线协调器连接，区域控制子系统的各末端控制设备与无线路由控制器信号连接，无线路由控制器与无线协调器信号连接，所述末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器都基于ZigBee通讯协议，符合IEEE802.15.4标准。

所述中心控制计算机通过与互联网或以太网连接远程控制计算机。

所述末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器的信号连接是星形连接、树形连接或者网状连接。

所述末端控制设备有电控制开关和机械控制开关。

所述ZigBee通讯协议的信号传输有效覆盖范围为10～75米之间，使用频段为2.4GHz、868MHz，和915MHz，时延在15毫秒至30毫秒之间，每个ZigBee网络支持6500个设备。

所述末端设备是灯具、电源、空调、窗帘或传感器，或上述二至五种的任意组合。

所述传感器是光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、位置传感器，或上述二至五种的任意组合。

参见图5，所述末端控制设备的智能开关面板包括带有按键的面板外壳、控制底板、集成电路，控制底板含火线接线柱、零线接线柱，其特征在于：所述集成电路板上包括电源单元、输入单元、中央控制单元、通讯单元和输出单元；所述按键包括至少一组手动机械开关按键和无线电控开关按键，所述按键包括至少一组手动机械开关按键和无线电控开关按键，手动机械开关按键和无线电控开关按键分别与面板外壳内的一对常开、常闭触点连接。

所述电源单元与火线和零线连接，包括整流电路、滤波电路、稳压和调压电路，用于从电网取电、向其它单元提供直流低压电源。

所述中央控制单元与电源单元的输出端连接，包括嵌入式微处理器、复位电路、震荡电路，用于接收并处理通讯单元、输入单元的发来的电信号，并对其进行逻辑运算和分析，最终向输出单元输出开关指令信号，完成对灯光的实时控制。

所述通讯单元包括用于接收和发送无线信息的天线、以及与其配套的调理电路，通讯协议符合ZigBee协议对物理层的要求。

所述输入单元用于采集各灯具负载的开关状态、配置按键状态等输入信号，并根据中央控制单元的输入要求，对信号进行调理和整形，最终传送给中央控制单元。

参见图6，所述输出单元是一个能实现电控制的无线电控开关1，无线电控开关1与手动机械开关2的开关方向相反，无线电控开关1包括继电器和驱动电路，继电器与面板外壳内的触点配合连接。所述驱动电路包括一个三极管放大电路，三极管的发射极与继电器驱动连接，中央控制单元传输的信号被接收转化为电流后输入驱动电路，通过三极管进行电流放大，放大后的电流驱动继电器实现对开关的控制，继而实现对灯具负载3的控制。

一种应用上述智能建筑办公环境的无线联网节能控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

a、区域控制子系统中的末端控制设备将末端设备的状态以及采集的数据信息按照ZigBee无线通讯协议进行无线网络传输给无线路由控制器，同时末端控制设备可以接收由无线路由控制器发来的控制指令并根据要求完成相应的动作。

b、区域控制子系统中的无线路由控制器收集各末端设备的状态和采集的数据信息，通过通讯接口发送给无线协调器，所述末端控制设备、无线路由控制器和无线协调器都基于ZigBee通讯协议，符合IEEE802.15.4标准；

c、无线协调器将信息转送给中心控制计算机；

d、中心控制计算机对信息进行分析和逻辑运算，最终通过无线协调器和无线路由器向末端控制设备输出开关指令信号，完成对电灯、插座及其它设备的实时控制，所述中心控制计算机通过互联网或以太网连接远程控制计算机。

e、在电控部分完全失效的情况下，用户通过末端控制设备上的机械开关人工控制末端设备的启闭。

参见图2，本发明应用zigbee技术的星形网络结构示意图。星型结构网络有中央节点4，其他节点都与中心节点直接相连。特点是很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控，但中心节点的故障会引起整个网络瘫痪。所以当区域控制子系统内的设备比较少时可以使用星型结构网络，将无线路由控制器设置为中心节点，其他设备都为削减功能设备4。全功能设备6可以支持任何一种拓扑结构，并且可以和任何一种设备进行通信。削减功能设备只能作为叶节点支持星型结构，可以和全功能设备进行通信，实现简单。

参见图3，本发明应用zigbee技术的树形网络结构示意图。树形结构是一种层次结构，结点按层次连结，信息交换主要在上下结点之间进行，相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。与星型相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。所以当子网络的设备比较多时可以使用树形拓扑结构，使用比较频繁的设备为全功能设备，与中心节点直接连接；使用频率较低的设备采用削减功能设备，处于叶节点的位置。

参见图4，本发明应用zigbee技术的网状网络结构示意图。网状拓扑结构中，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接，这种连接不经济，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种方法。它的安装也复杂，但系统可靠性高，容错能力强。有时也称为分布式结构。各个区域控制子系统之间采用网状拓扑结构连接，增加整个网络的稳定性。