智能化楼宇计算机网络设计与研究

本科毕业论文（设计）

摘 要

随着信息与通信技术的发展，建筑物内信息的采集、交换、传输、处理和共享也向网络化、智能化、集成化方向发展。智能楼宇它以最优化的设计为人们提供了一个高效、舒适、安全、便利快捷的环境空间。各种成熟的楼宇自控、安保、信息通信产品和设备，利用网络技术将它们连接起来，通过计算机软硬件组态和设计，构成一个完整的智能建筑解决方案。智能楼宇作为信息高速公路的主要节点，其智能化程度越来越高。其本质在于将原来建筑物内相互独立的设备、资源、服务、管理、功能借助于计算机网络和综合布线技术集成为一个相互关联、协调统一的楼宇自动化大系统，实现信息、资源、任务共享。而计算机网络是智能楼宇信息传输的“神经中枢”，在智能化系统中占有重要地位。

本文主要对计算机网络的发展现状、智能楼宇和综合布线系统设计标准等进行了探讨，并在此基础上设计了智能楼宇的计算机网络方案和综合布线方案，以网络拓扑结构图和布线系统图的方式给出。

关键词: 智能楼宇 计算机网络 综合布线

Abstract

With the development of information and communication technology,the

collection, exchange, transmission, disposal and share of information in the building are developing in the tendence of network, intelligence and integration. The

intelligent building it with optimizing design provide people with a high efficiency, comfortable, safe, convenient and fast environment space. All kinds of mature building automation, security, information communication product and equipment, use network technology connect them up, through the computer software and hardware configuration and design, constitute a complete intelligent building

solutions. Being the main node of the informational freeway, intelligent degree of the intelligent buildings is higher and higher. The intelligent building it with optimizing design provide people with a high efficiency, comfortable, safe and convenient fast the essence lies in the original buildings independent of each other equipment, resources, service, management, function by computer network and the

comprehensive wiring technology integration as a mutually relates, harmonious and unified building automation systems, to realize information, resources, tasks, sharing. The environment of the space. Computer network is “nerve center \

information transmission of the intelligent building and occupies more important status in the intelligent systems.

This thesis mainly study the condition of development of computer network, intelligent building and standard of design of comprehensive cabling system. Basing on these, I design the computer network scheme and comprehensive cabling scheme of the intelligent building C, provided by the means of the topological structure of network and drawing of cabling systems.

Keywords: Intelligent Building Computer Network Cabling Systems

目录

第一章 绪论 ........................................................ 1

1.1引言 ........................................................ 1 1.2智能建筑概述 ................................................ 1 1.3智能楼宇计算机网络 .......................................... 2 第二章 智能楼宇系统 ................................................ 3

2.1 楼宇自控系统的概述 ......................................... 3 2.2 楼宇自控系统的基本构成和基本功能 ........................... 3

2.2.1 楼宇自控系统的构成 .................................... 4 2.2.2 楼宇自控系统的基本功能 ................................ 4 2.2.3 楼宇自控系统设计的关键 ................................ 5 2.3 智能楼宇中的综合布线系统 ................................... 5

2.3.1 设计要求 .............................................. 7 2.3.2 设计步骤 .............................................. 7 2.3.3 设计等级 .............................................. 7

第三章 智能楼宇的局域网设计 ........................................ 9

3.1 智能楼宇局域网技术的概述 ................................... 9 3.2 智能楼宇局域网技术的运用 ................................... 9 3.3 千兆以太网 ................................................ 10 第四章 智能楼宇的无线局域网设计 ................................... 13

4.1 无线局域网标准简介 ........................................ 13 4.2 无线局域网技术的优势 ...................................... 14 4.3 无线局域网的理论基础 ...................................... 15 第五章 智能楼宇无线网络设计方案 ................................... 17

5.1 智能楼宇系统无线网络技术的引入 ............................ 17 5.2 现场执行层无线组网模式分析 ................................ 18

5.3 现场执行层无线通信标准 .................................... 20 5.4 无线网与BACnet的结合 ..................................... 21 第六章 总结和未来展望 ............................................. 23 第七章 致谢 ....................................................... 24 第八章 参考文献 ................................................... 25

智能化楼宇计算机网络设计与研究

第一章 绪论

1.1引言

信息通讯技术的不断发展推动社会各行各业的迅速发展,而信息通讯技术与建筑技术的结合——智能建筑的出现第一次将人类带到了一个现代化的生存环境。智能建筑，即具备智能系统的楼宇或楼宇群。它集成了当今计算机网络技术、通信技术、自动控制技术、建筑技术、环境工程等技术的精华，不仅仅带给人们安全、高效、舒适的生活和工作环境，更重要的是将人们真正带到了信息的海洋中，智能楼宇中的用户可以利用先进的通信手段获得世界各地的信息，与世界各地的人交流，从而使得人与人之间的时空距离不断缩短，这时人们会体会到信息化给他们在工作、生活、学习上带来了极大的便利。

1.2智能建筑概述

智能建筑以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化、通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高服务、管理及他们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。主要包括建筑设备自动化系统（Building Automation System）、通信网络系统（Communication Network System）、办公自动化系统（Office Automation System）、综合布线系统（Generic Cabling System）等。在智能楼宇建筑内，以综合布线为基本传输媒质，以计算机网络（主要是局域网技术，包括硬件和软件）为主要通信和控制桥梁；以此对通信自动化系统、办公自动化系统、建筑设备自动化系统进行协调控制。可以这么说由综合布线为基本传输媒介，以计算机网络构成的信息网络系统是智能楼宇建筑的“中枢神经”系统；是智能楼宇建筑中必备的重要基础设施；是反映智能楼宇建筑的技术含量高低和智能化程度的标志之一。

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建筑的用途不同，功能也不同，各类智能建筑，智能化系统集成的重点是不同。所以智能建筑根据建筑的功能，可分为如下几类：

1) 专用办公楼类。包括政府机关办公楼；跨国大公司、企业；金融楼（银行、证券、期货、保险等）；商业楼；科教办公楼（研究院所、学校、医院等）。 2) 出租办公楼类。由房地产商投资兴建，然后出租、出售。楼内的公用设施一次建成，出租、出售的房间由使用者根据各自的需要进行二次装修。 3) 综合型建筑类。这是集办公、金融、商业、娱乐、生活于一体的多功能的建筑群。

4) 住宅。以生活起居为目的的多层、高层建筑。

1.3智能楼宇计算机网络

计算机网络是智能建筑中主要信息传输系统，它将建筑中所有计算机连成一起信息处理系统，犹如组成了智能建筑中的大脑。智能建筑计算机网络与其他计算机网络类似，所使用的技术和设备大同小异，只是要求较高，其特点是智能建筑计算机网络是信息高速公路的网络节点，信息种类繁多，信息密度大，传输速率和质量要求高；智能建筑计算机网络作为建筑智能化系统的通信平台，对建筑智能化系统的影响很大，要求网络系统具有更高的可靠性、安全性和有效性；智能建筑计算机网络使用综合布线系统，网络配置、管理和维护更加方便、简单，其结构通常由主干网、各楼层局域网（LAN）和外部网络互联设备组成。

先进的计算机网络可给大楼用户提供众多的业务，目前由于计算机技术日新月异，特别是多媒体计算机终端的出现，使网络成为较大规模局域网（LAN）中各种新型业务实现的瓶颈。现在计算机网络技术正向着高速化方向发展。

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第二章 智能楼宇系统

2.1 楼宇自控系统的概述

楼宇自控系统(Building Automation System-BAS)是智能建筑中不可缺少的重要组成部分，在智能建筑中占有举足轻重的地位。它对建筑物内部的能源使用、环境及安全设施进行监控，它的目的是提供一个既安全可靠、节约能源、又舒适的工作或居住环境，同时大大的提高大厦管理的科学性和智能化水平。

楼宇自动化系统设计为集散控制系统，它是将计算机网络及接口技术应用于楼宇自控系统。它通过系统的中央监控管理中心的集中管理和各现场控制器的分散控制实现对建筑物内水、暖、电、消防、保安等各类设备综合监控与管理。管理者可以通过中央监控管理中心上的可视化的图形界面对所有设备进行操作、管理、警报等，同时通过网络实时地获取各种设备运行状态的报告和运行参数，可以有效的提高管理水平和工作效率。利用计算机网络和接口技术将分散在各个子系统中不同楼层的直接数字控制器连接起来，通过联网实现各个子系统与中央监控管理级计算机之间及子系统相互之间的信息通信，达到分散控制、集中管理的功能模式，即集散控制系统。

BAS是多种高科技技术的融合，是建筑技术、信息技术、计算机技术和自动控制技术有机结合的产物，使得整座建筑各独立系统能够高度集成，做到保安、防火、设备监控三位一体，以提高物业管理的效率和综合服务功能。BAS功能和作用在职能建筑中占有极为重要的地位，为人们的工作和生活带来了前所未有的高效、舒适和便捷的环境。

2.2 楼宇自控系统的基本构成和基本功能

楼宇自控系统通常包括供电系统、照明系统、电梯系统、停车场系统、给排水系统、暖道空调系统、公共广播与背景音乐系统、门禁与防盗报警系统电视监控系统等子系统（如图2-2）。

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图2-2 BAS楼宇自动化系统结构图

2.2.1 楼宇自控系统的构成

（1）主控制器:主控制器是整个系统中各离散化的现场控制器(DDC)的协调者，

其作用是实现全面的信息共享,完成现场控制器与中央监控管理中心之间的信息传递、数据存储、现场或远端报警等功能。主控制器含有CPU、存储器、I/O接口、通过网络接口联接在一级网络上。

（2）现场控制器(即直接数字控制器DDC):现场控制器用于控制现场设备，与安

装在设备上的传感器件和执行机构相联，每个现场控制器都包含有CPU、存储器、I/O接口。分设在现场，尽量靠近被监控点，通过网络接口连接在二级网络上。

（3）传感器件:装设在各监控点的传感器，包括各种敏感元件、端点和限位开关，

接收并传送信号。

（4）执行机构:接收控制信号并调节被监控设备。

（5）各种软件:包括基本软件和应用软件，支持系统完成本身运行和外部控制所

需要的各种功能。

2.2.2 楼宇自控系统的基本功能

（1）数据采集;

（2）各种设备启/停控制与监视; （3）设备运行状况图象显示;

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（4）各种参数的实时控制和监视； （5）参数与设备非正常状态报警； （6）动力设备节能控制及最优控制； （7）能量和能源管理及报表打印；

（8）事故报警报告及设备维修事故报告打印输出。

2.2.3 楼宇自控系统设计的关键

一个成功BAS工程必须具有的要素：

（1）系统的可靠性：BAS在应用中稳定可靠，发生故障概率降到最低可能限度。 （2）系统的可扩展性：随着系统应用及技术的发展，BAS要为未来的发展留出

可扩展的空间。 （3）系统的互操作性。

（4）系统能提供精确的、量化的控制模式，为大楼能源控制提供可靠保证。任

一业主为大楼安装BAS直接动因就是能实现大楼能源消耗大幅度降低以达到节省大楼营运成本的目的。这就要求BAS整个控制过程尽可能精确。 （5）系统的可监控性：BAS的执行机构分散在各个楼层的不同位置，为使系统

及操作人员能够监控到自动控制指令是否正常，应考虑一套独立的反馈传感器。

（6）系统的联动性。

2.3 智能楼宇中的综合布线系统

综合布线系统是一种模块化的、灵活性极高的集成化通用传输方式，能连接语音、数据、图像以及各种用于楼字控制管理的设备与装置，是利用双绞线和光缆在建筑物内或建筑群之间综合传输信息的网络系统。在建筑中它是连接“3A'’系统(通信自动化系统CAS，安全自动化系统SAS，管理自动化系统MAS)各类信息的基础设施。综合布线系统的配备，可以满足不断变化的用户需求，为高层建筑智能化提供了快速信息通道。综合布线系统根据功能和实施区域的不同，可以划分成6个子系统（如图2-3）：

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图2-3 综合布线子系统分布图

（1）工作区子系统：它主要由终端设备连接到信息插座的连线和设备组成，包

括信息插座、连接器、装配连接线、适配器等。其信息插座上连接的常用设备是电话机、计算机、工作站、数据终端、电视机、摄像头及监视器等。 （2）水平配线子系统：即同一楼层内的水平子系统，将配线子系统延伸到终端

设备使用区(生活区、办公区等)，从而实现由信息插座到楼层配线架之间的布线连接。

（3）垂直主干线子系统：由交接间的配线架及眺线等组成，提供高层建筑的干

线电缆路由，从而实现程控设备间控制中心与各管理子系统间的连接，常用介质是光缆或双绞线电缆。

（4）设备间子系统：由设备间子系统(由电缆、连接器及支撑硬件等组成)与管

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理区子系统之间的布线组成，它是建筑物的基础主干线系统。

（5）管理子系统：其主要设备是配线架，可以利用配线架的跳线功能，从而使

综合布线系统实现灵活多功能的能力。由建筑物的进线设备、主机配线设备及相关配线保护设备组成。

（6）建筑群子系统：是实现建筑群中建筑物之间的相互连接，即将一个建筑物

中配线架引出的电缆延伸到其他建筑物中配线架连接的装备上。建筑群主干布线宜采用光缆。

2.3.1 设计要求

对于高层建筑来说，其内部布线的设计应该是一个支持多种不同应用环境的、完善合理的综合布线系统。设计的目标是为了实现在既定的时期内(例如15年)，允许在建筑物系统集成过程中，当提出更多新的用户需求时，可以对布线系统进行扩充和改进，而且不用再进行水平布线，仅在管理子系统中的配线架上就可解决，从而不影响高层建筑物的装饰美观。一个设计合理的综合布线系统，是能够把高层建筑物内、外的所有设备互连起来的。在进行高层建筑综合布线系统设计时，应建立计算机信息管理系统。可以将综合布线系统的设计、施工、测试及验收资料采用数据库管理起来，形成高层建筑集成化管理数据库，还可以创建一个配线管理子系统，以实现更加充分合理的利用线缆及相关连接件。

2.3.2 设计步骤

（1）用户需求分析，即了解和评估高层建筑物内房间和用户设备的网络需求。 （2）获取高层建筑各个楼层面的平面布置图，充分了解其建筑环境，包括弱电

系统布线的水平与垂直通道、各设备机房位置等。

（3）根据前期的了解和评估，来制定最适合的综合布线系统结构设计方案。 （4）根据设计方案，完成高层建筑内布线系统的路由设计图。 （5）按要求进行整个系统的可行性论证分析。

（6）绘制综合布线系统的施工图，包括高层建筑中各子系统施工图和系统图等。 （7）根据布线系统的设计方案，编制综合布线系统的设备材料清单。

2.3.3 设计等级

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高层建筑的综合布线系统，一般可分为三种不同的设计等级，分别是基本型、增强型和综合型。其中基本型设计方案为：每个工作区有一个信息插座；每个工作区的配线电缆为1条4对的双绞电缆，并采用夹接式相关连接件；每个工作区的干线电缆至少有2对双绞线。增强型设计方案适用于中等配置标准的场合(建筑物)，使用双绞电缆。综合布线配置方案为：每个工作区有2个或2个以上信息插座；每个工作区的配线电缆为2条4对的双绞电缆，采用夹接式或接插式相关连接件；每个工作区的干线电缆至少有3对双绞线。综合型设计方案，适用于配置标准较高的场合(建筑物)，使用光缆和双绞电缆或混合电缆，也就是在基本型和增强型综合布线的基础上增设了光缆及相关连接件配置。三种不同的设计等级都能支持语音、数据服务等，并且能随着布线工程的需要转向更高功能的布线。三者之间的主要区别在于两方面：一是在移动和重新布线时实施线缆管理的灵活性有差别；二是各自支持语音和数据所采用的方式不同。

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第三章 智能楼宇的局域网设计

3.1 智能楼宇局域网技术的概述

局域网-LAN（Local Area Network） 是将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络，覆盖范围一般局限在房间、大楼或园区内。局域网一般指分布于几公里范围内的网络，局域网的特点是：距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。标准（standard）是广泛使用的、或者由官方规定的一套规则和程序。标准描述了协议的规定，设定了保障网络通信的最简性能集。IEEE 802.X标准是当今居于主导地位的LAN标准。 目前我国常见的局域网类型包括：以太网（Ethernet）、异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）等，它们在拓扑结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。其中应用最广泛的当属以太网—— 一种总线结构的LAN，是目前发展最迅速、也最经济的局域网。

由于局域网具有全开放、成本低、带宽高、稳定性和可靠性高、应用广泛、共享资源丰富等优点，将其应用到工业网络己经成为国内外工业控制领域研究的热点。工业局域网可以利用互联网技术，给工业自动化领域中的每台设备赋予一个IP地址，将现场设备通过各种途径连接在互联网上。这些设备可以通过网络互相传递信息和数据，因而具有了远程维护功能并能从Internet获取信息。近年，企业、科研机构都在研究开发各种带局域网络接口的现场设备，并且这些网络接口已应用于生产现场。很自然，局域网络技术也同样进入了楼宇自动化系统的研究领域。目前，局域网多用于基于现场总线的楼宇自控网络集成到智能建筑信息管理网络这一环节。

3.2 智能楼宇局域网技术的运用

局域网是将较小地理区域内的各种通信设备连接在一起信网络，具有网络覆盖地理范围有限、传输速率高、延迟小、误码率低、网络的管理权属单一组织所有的特点。它常被用于连接企业、工厂和学校内的一个楼群、一栋楼或一个办公室里的数据通信设备，以便共享资源和交换信息。局域网是应用最为广泛的一类网络。

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智能建筑系统是将大楼内的若干个既相对独立又相互关联的系统组成具有一定规模的大系统。这其中计算机通信网络是智能建筑系统的神经系统，它把现有的分离设备、功能、信息组合到一个相互关联的、统一的、协调的系统之中，实现语音、数据、图像的综合传输、交换、处理和应用。

自从1980年由DEC、intel和Xerox（DIX）共同制定了10Mbps以太局域网的物理层和链路层标准规范开始，局域网开始了它的标准化的进程。局域网的标准化极大地促进了局域网的应用与发展。特别是以太网的应用越来越广泛，以太网很快就成为局域网的主流技术。

随着高性能快速处理器计算机的出现和新的计算机网络的应用，对网络的传输速率要求远远超出现有局域网所能提供的，它们对网络带宽提出了更高的需求。正是因为人们的应用对网络带宽的需求，网络工程师们开始研究高速局域网技术。局域网技术经历了共享传输信道，共享带宽的共享式局域网技术和发展到现在的交换式局域网技术。在这局域网技术变革的浪潮中，更为先进、高速的交换局域网技术被开发，相继推出了异步传输模式ATM和千兆以太网，其网络带宽最高以达到1Gbps。

图3-2 计算机网络拓补结构图

3.3 千兆以太网

千兆以太网提供1000Mbps数据传输速率的以太网。千兆以太网是对10Mbps和100MbpsIEEE802.3以太网非常成功地扩展,它和传统以太网使用相同

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IEEE802.3的CSMA/CD协议、相同的帧格式和相同的帧大小(64字节~1518字节)。千兆以太网与现有以太网完全兼容，仅仅是速度快，它的传输速度达到1Gbps。千兆以太网支持全双工操作，最高速度可达到2 Gbps。

以太网设计的初衷，就是把一些计算机联系起来进行文件共享和数据库记录的传输。到目前为止，在计算机互连这个领域，以太网仍然是最活跃的技术，但已经不再局限于这个领域，在其他一些领域，以太网也大显身手，表现不俗。下面是以太网的主要应用领域：

计算机互连：这是以太网技术的主要目标，也是最成熟的应用范围。最开始的时候，许多计算机通过同轴电缆连接起来，互相访问共享的目录，或访问在同一个物理网段上的文件服务器，各个计算机（不论是服务器还是客户机）在网络上的地位相同。随着应用的发展，这种平等的结构逐渐不适应实际的需要，因为网络上的大部分流量都是客户机跟服务器之间的，这种流量模型必然在服务器上形成瓶径。当全双工以太网和以太网交换机引入以太网之后，这种情况有所改变，取代的是把服务器连接到以太网交换机的一个告诉端口（100M）上，把其他客户机连接到以太网交换机的低速端口上，这样就暂缓了瓶颈的形成。现代的操作系统提供分布式服务和数据仓库服务，基于这些操作系统的服务器除了跟客户机通信之外，还要跟其他服务器交换大量的信息进行数据的同步，这样传统的100M快速以太网就不能满足要求了，于是1000M以太网应运而生。

高速网络设备之间互连：随着INTERNET的不断发展，一些传统的网络设备，比如路由器，之间的带宽已经不能满足要求，需要更高更有效率的互连技术来连接这些网络设备构成INTERNET的骨干，1000M以太网成了首选的技术。传统的100M也可以应用在这些场合，因为这些100M的快速以太网链路可以经过聚合，形成快速以太网通道，速度可以达到100M——1000M的范围。

城域网中用户接入的手段：用户通过以太网技术接入城域网，实现上网，文件下载，视频点播等业务，已经变得越来越流行。之所以用以太网作为城域网的接入手段，是因为现在的计算机都支持以太网卡，这样对用户来说，不用更改任何软件和硬件配置就可以正常上网。

可以看出，以太网技术已经覆盖了网络的方方面面，从骨干网到接入网，从计算机网络到工业应用，无处不见以太网的影子。

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目前，企业应用正不断升级，甚至要传输高分辨率的图形、视频和其他丰富的媒体，这已超出了快速以太网的容量，而Internet和Intranet应用也将产生了难以预测的任意点到任意点的流量形式。网络边缘的交换将巨大的载荷放到聚合流量的主干上。这种更高性能与工作效率、智能服务（如服务质量(QoS)）的新应用和投资保护等需求带动了千兆位以太网（1000Mbps）的需求。千兆位以太网采用的加快有三方面原因：

（1）千兆位以太网具有经济高效的特点：以太网是一种成熟的技术；网络中断

最小化是因为能够避免协议变更；千兆位以太网可利用您的大部分现有基础设施。

（2）千兆位以太网具有部署灵活性：逐渐部署；能够在光纤连接上运行

1000BASE-X或在标准5类铜缆连接上运行1000BASE-T。

（3）千兆位以太网具有相当大的网络性能优势：服务质量；关键任务的可靠性；

利用端口聚合和全双工的性能，完全使用带宽。

随着计算机网络的普及和网络应用对高带宽的需求，千兆以太网技术的应用也越来越广泛。由于千兆以太网不仅能够提供带宽，而且与ATM相比，它的技术比较简单，易于建设和管理好网络。所以越来越多的网络工程师在构建园区网和企业网时都考虑使用以太网技术作为主干网技术。

图3-3 千兆以太网拓补结构图

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第四章 智能楼宇的无线局域网设计

4.1 无线局域网标准简介

无线局域网(WirelessLAN简称WLAN)是计算机网络与无线通信技术结合的产物。它不受电缆束缚，可移动，能解决因有线困难，电缆接插件松动，短路带来的问题。并组网灵活，扩容方便，与多种网络标准兼容，保护用户已有的投资，应用范围广等诸多优点。WLAN既可满足各类便携机的入网要求，也可实现计算机局域联网，远端接人，图文传真，电子邮件等多项功能。

随着无线通信技术的广泛应用，传统局域网络已经越来越不能满足人们的需求，于是无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）应运而生，且发展迅速。无线局域网是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网互联功能。无线局域网是使用无线连接的局域网。它使用无线电波作为数据传送的媒介。传送距离一般为几十米。无线局域网的主干网路通常使用电缆（CABLE），无线局域网用户通过一个或更多无线接取器(wireless access points,WAP）接入无线局域网。无线局域网络是相当便利的数据传输系统，它利用射频(Radio Frequency； RF)的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络。

无线网络技术已有多年的发展历史，其间推出了HaperLAN、HomeRF、802.11和蓝牙等等，但在企业无线局域网络市场，IEEE802.11x系列尤为引人注目。

早在1990年，国际电子、电器工程师协会（IEEE）就专门成立了802.11工作组，着手制定无线局域网络技术标准。

1997年IEEE 802.11工作组公布了第一代无线局域网标准802.11，它采用2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，最大支持2Mbps数据通信，由于与常规网络的带宽差距较大，因此并没有得到用户的青睐。1999年802.11工作组又相继公布了802.11b和802.11a两个标准，其中802.11b仍然采用2.4GHz频段，与物理层最高支持11Mbps的通信速率，并在低速率场合（2Mbps和1Mbps）与802.11兼容，而802.11a则工作在5GHz的U-NII（Unlicensed National

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Information Infrastructure）频段，在物理层可支持高达54Mbps的传输速率，在传输层也支持25Mbps，它提供25mbps无线ATM接口和10Mbps无线以太网接口。

由于802.11标准的连接成本较高，支持的产品较少，因而市场占有率较低，相比较而言，802.11b标准的带宽适中，支持的产品较多，价格相对适中，因而更容易被市场接受。目前大多数无网络产品都使用802.11b标准，用户也都将802.11b作为首选的无线局域网技术平台。

图4-1无线局域网拓补结构图

4.2 无线局域网技术的优势

尽管目前无线局域网技术的带宽还不是很高（普遍应用11Mbps），但基本能够满足中低速网络用户的需求，而且由于其采用高频无线电波作为传输介质，因此在许多方面有其独特的技术优势。

（1）灵活性和移动性:在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，

而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。

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（2）安装便捷:无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般

只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。 （3）易于进行网络规划和调整:对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变

通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。

（4）故障定位容易:有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造

成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。 （5）易于扩展:无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局

域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间\漫游\等有线网络无法实现的特性。

（6）经济节约:由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未

来发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造,而无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。

由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。

4.3 无线局域网的理论基础

目前，无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即红外线和无线电波。按照不同的调制方式，采用无线电波作为传输媒体的无线局域网又可分为扩频方式与窄带调制方式。

（1）红外线（Infrared Rays，IR）局域网

采用红外线通信方式与无线电波方式相比，可以提供极高的数据速率，有较高的安全性，且设备相对便宜而且简单。但由于红外线对障碍物的透射和绕射能力很差，使得传输距离和覆盖范围都受到很大限制，通常IR局域网的覆盖范围只限制在一间房屋内。

（2）扩频（Spread Spectrum，SS）局域网

如果使用扩频技术，网络可以在ISM（工业、科学和医疗）频段内运行。其理论依据是，通过扩频方式以宽带传输信息来换取信噪比的提高。扩频通信具有

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抗干扰能力和隐蔽性强、保密性好、多址通信能力强的特点。扩频技术主要分为跳频技术（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）两种方式。

所谓直接序列扩频，就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。而跳频技术与直序扩频技术不同，跳频的载频受一个伪随机码的控制，其频率按随机规律不断改变。接收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰性能越好，军用的跳频系统可达到每秒上万跳。 （3）窄带微波局域网

这种局域网使用微波无线电频带来传输数据，其带宽刚好能容纳信号。但这种网络产品通常需要申请无线电频谱执照，其它方式则可使用无需执照的ISM频带。

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第五章 智能楼宇无线网络设计方案

5.1 智能楼宇系统无线网络技术的引入

智能楼宇系统一般包括楼宇自动化系统(BMS)、办公自动化系统(0AS)和通信与网络系统(CNS)，智能楼宇的系统集成主要是对这3个系统的集成。CNS作为这3大系统的集成基础，提供系统间信息传输的基础构架。在这个基础构架上，控制网络和计算机信息网络已经能够实现互联互通，并且能够通过一个统一的管理平台来进行信息管理，信息管理包括：从数据源收集数据、在各个数据处理平台间交换数据、对收集的数据进行信息挖掘、基于数据进行决策分析以及将决策信息 分发给执行机构等。

图5-1给出了传统的基于有线网络的智能楼宇系统的网络逻辑结构图，整个网络可以分为3个层次：

（1）第1层为现场执行层，包括现场传感器和执行器。传感器是环境信息的获取

机构，可以是温度传感器、湿度传感器、烟感传感器、人体运动传感器、室内光强传感器等，它们能够感知环境的状态和状态变化，并把这些信息转化为电信号。执行器通常为继电器输出装置，这种装置可以控制空调的开关、调节室内温度、湿度和光强等。现场执行层设备(传感器和执行器)可以采用不同的网络接入方式，如图中的A、B、C和D，其中A和B为一种直接硬连线方式，传感器和执行器通过连线直接与专用控制器的输入和输出端口相连，控制器与这些设备之间传递的是电压或电流信号；C和D为网络连接方式，传感器和执行器通过以太网与控制器相连，采用这种方式，传感器和执行器本身具有网络通信功能，它们按照某种通信协议与控制器进行信息交换。 （2）第2层为现场控制层，主要设备为控制器，包括专用控制器和区域控制器，

控制器具有一定独立的数据处理和控制能力，控制器间采用网络连接方式(图中E)，按照某种通信协议进行通信，网络采用的媒体可以是以太网也可以是其它现场控制总线。

（3）第3层为信息管理层，主要设备为管理工作站，这些工作站为管理者提供一

个统一的管理平台，实施对整个楼宇系统的智能和高效管理，计算机信息领域的所有网络技术和信息处理技术都可以在该层得到应用，它们之间的

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互联采用计算机局域网和广域网技术。

图5-1 网络逻辑结构图

5.2 现场执行层无线组网模式分析

无线组网有两种模式：Adhoc模式和Infrastructure模式：

（1）Adhoc模式是一种对等式的组网方式，组织的网络是一种自治的无线多跳网，

没有基础设施，也没有固定的路由器，所有节点都可以是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系，采用这种模式，两个由于无线覆盖范围限制而无法直接进行通信的用户终端可以借助于其它节点进行分组转发，每一个节点都可以作为一个路由器，它们具有发现和维持到其它节点路由的功能。

（2）Infrastructure模式是一种以星型拓扑结构为基础的组网方式，组织的网

络为无线单跳网，网络内的节点借助于通信范围内最近的基站(或接入点AP)实现通信，彼此之间不能直接通信，并且不具备路由功能，只有接入点负责路由和交换功能。在智能楼宇网络系统中，不同层具有不同的应用特点，应该采用不同的组网模式。

在智能楼宇系统的现场执行层中，通常需要安装大量的传感器设备，这些设备可能分布在大楼的各个区域，某些区域可能不适合或不能布线，并且对一个商用大楼来说，随着大楼区域功能的调整，可能需要重新部署传感器位置。如果采用无线传感器，则可以大大降低布线的难度和维护的成本。

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然而在智能楼宇中采用无线传感技术会比室外遇到更多的困难。首先由于无线传感器采用电池供电，能量有限，其无线电覆盖范围也相对要小；其次在楼宇内部，由于室内墙、门、铝合金框架、各种金属管和钢筋的阻挡，微波炉、Wi—Fi设备和无绳电话的使用、电梯和人以及和其它物体的运动，这些都会不同程度地干扰传感器的无线电信号，使大楼内无线电信号的传输变得复杂和不可控制，影响上层应用的服务质量。另外，由于墙、室内物体以及物体的移动(如门的开关、人的移动) 都会对无线电波进行反射，这些反射还会产生多径传输，形成多径干扰，从而引起接收端信号幅度的随机变化，产生多路径衰减现象。

在这种苛刻动态的环境中，由于不能保证传输能量有限的每个传感器都能够直接与基站进行有效通信，因此传统的点对点或基于基站的单跳无线组网方式不再适用。

而基于Adhoc模式的无线网络则可以适应这种环境，Adhoc的网络结构可以是树状的、分层的或平层的网络结构。支持多跳路由的自组织网,与单跳相比具有更大的传输范围，一个传感器的报文经过多个节点转发可以传输到其无线电覆盖范围之外的另一个设备，实现从大楼的一端传到较远的另一端或者越过多个楼层的传输。更为重要的是，一个合适的自组织网络结构能够保证在某条路由失效的情况下，快速切换到另一条可用路由，保证用户数据不丢失。支持多跳和快速替代路由能力的自组织网可以根据环境和节点状态的变化动态地调整数据传输路径，因而能够有效克服多径传输干扰等问题，增强网络的可靠性。

无线传感器通常由数据采集模块、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC／DC能量转换器)等组成。无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成，节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或者类头节点(cluster-headnode)的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(basestation)或汇节点(sinknode)；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻节点或者直接转发到基站或汇节点；作为类头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。基站主要负责将无线传感器发送来信息转发到有线宽带网络上，同时也将有线宽带网络的信息

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通过无线通道转发给传感器。

在现场执行层，完成各种功能的传感器形成多跳自组织网，这些传感器感知的数据最后汇集到现场控制层的控制器，控制器作为无线传感器数据进入有线网络的基站，控制器作为基站可以主动地读取无线传感器的数据，也可以被动地接收无线传感器的数据，并且对各传感器的工作状态进行监视。

5.3 现场执行层无线通信标准

目前，国际上已经定义和正在定义的无线通信标准非常多，这些标准从不同的侧面覆盖了从家庭、办公室、大楼到城市乃至全球的各种范围中的无线数据、语音和多媒体通信需求。每种标准对其通信覆盖范围、移动速率、数据传输速率以及系统的安全性、漫游等方面有不同的规定，这就使得遵循不同标准的设备的体系结构、软硬件要求和设备成本都不尽相同，因此采用哪一种通信标准需要针对具体的应用而定。

在现场执行层，无线网络连接的设备主要为各种各样的传感器设备，这些传感器对设备或环境进行监测，产生相应的数据，然后这些数据报告给控制器，由控制器对来自各个传感器的数据进行分析和处理，并形成相应的决策。不同的应用的传感器其数据报告模型也不相同，传感器的信息获取和报告方式取决于应用和数据报告的时间紧迫度。数据报告可以分为时间驱动、事件驱动、查询驱动和混合模式。时间驱动报告模型用于要求周期性的数据监视，在这种模式下，传感器节点周期性地感知环境、获取信息，并按一定的时间周期性地将数据传送给控制器。在事件驱动模式中，传感器节点虽然周期性地感知环境、获取信息，但只有当传感器所感知的数据值产生显著变换或满足预先设定的条件时，才将有关信息报告给控制器。在查询驱动模式中，传感器节点并不主动地将数据发送给控制器，而是在接收到控制器的数据请求时，才将信息发送给控制器。混合模式则是上面3种方式的任意组合，无论哪一种方式，由于传感器需要传输的信息量比较少，因此对无线通信的带宽要求并不高，然而，无线传感器作为现场设备要得到广泛应用，应具有以下特点：

(1)低成本：无线传感器应该是低成本的，因此其用来联网的器件也必须是低成本的。

(2)低功耗：无线传感器一般用电池供电，并且要求能够在电池供电情况下长时

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间连续工作，因此，其功耗应该很低。

(3)性能可靠，无须大量维护：无线传感器需要在无人照料的情况下运转。 (4)伸缩性能好：在一个智能楼宇系统中，有时需要对几百至几千个无线传感器设备进行联网。

为了节省能量，无线传感器一般采用短距离无线连接技术，目前有5种短程无线连接技术正在成为业界讨论的焦点，它们分别是无线局域网(Wi-Fi)、IEEE802．15．1(蓝牙)、IEEE802．15．4(ZigBee)、超宽频(UltraWideBand)和短距通信(NFC)。Wi-Fi、超宽频和短距通信都采用基于基站的工作模式，因而不适合无线传感器。IEEE802．15．1和IEEE802．15．4均支持Adhoc模式，但它们在其它方面各有其特点， IEEE802．15．4更适合现场执行层的无线传感器，它对系统资源要求较少，只有28Kb，可支持的设备数比IEEE802．15．4多很多，并且具有极小的功耗。

5.4 无线网与BACnet的结合

BACnet应用层 BACnet网络层 BLVCI MS/TP PTP LonTalk RS485 RS232 ARCnet ISO 8802-3 IEEE802.3 ISO 8802-2 Type1 UDP IP 任意 网络 图5-4-1 BACnet协议层次模型

在现场执行层采用无线传感技术解决了传感器设备的无线接入问题，然而无线接入要得到真正的应用还需要与上层的应用相结合，在楼宇自控领域有很多通信协议，其中BACnet(data communication protocol for building automationand control networks)是一种最具有发展潜力的楼宇自动控制网络数据通信协议，它由美国供热、制冷与空调工程师学会组织制定，用于楼宇设备自动化和控制的网络协议。该协议于2003年被ISO正式采纳为国际标准，作为一个开放性协议，它采用OSI模型的分层通信体系结构，同时鉴于楼宇控制系统的实际需要和实现成本限制等多方面因素，BACnet并没有完全实现OSI所有层，而

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采用了一个由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成的折叠式结构(如图5-4-1所示)。

BACnet在应用层定义了楼宇自控领域实现设备互操作和数据共享的对象抽象模型和服务原语，通过对对象抽象模型的实例化可以非常方便地实现对一个具体设备的描述，通过服务原语可以实现设备间的信息交换。BACnet在网络层定义了自己的网络层通信和管理协议，通过网络映射方式，可以将采用不同底层协议的网络映射为BACnet的子网，使BACnet应用层报文可以在不同的网络上传输。BACnet在链路层和物理层支持多种通信方式和协议，包括现场控制总线技术(ARC—NET、MS／TP和LonTalk)，以及以太网传输技术和IP技术，这种层次结构使BACnet能够很方便地支持其他的低层通信技术。

当在现场执行层采用无线传感器技术时，在现场执行层形成许多以BACnet控制器为基站的Adhoc无线传感器网，每个无线传感器节点在同一时间只能加入一个无线传感器子网，充当基站的BACnet控制器在其BACnet网络层将其所管辖的 无线传感器子网映射为BACnet子网。由于不同的BACnet子网可能采用不同的低层通信技术，BACnet协议规定不同的低层通信采用不同的寻址方式。当无线传感器网作为BACnet子网时，按照无线传感器网的寻址方式进行寻址。图5-4-2给出了支持无线通信的BACnet设备的数据通信模块的层次结构图。BACnet网络层负责BACnet子网间的路由工作，Adhoc网络层采用基于Adhoc技术的路由技术，负责无线传感器子网的自组织和自维护工作。

BACnet应用层 传感器应用层 Ad hoc网络层 BACnet网络层 BVLCI Ad hoc网络层 IEEE802.15.4 逻辑链路控制层 IEEE802.15.4 媒体接入控制层 868/915 MHz/ 204 Ghz 物理层 无线传感器节点 UDP IEEE802.15.4 逻辑链路控制层 IEEE802.15.4 媒体接入控制层 868/915 MHz 204 GHz 物理层 IP 任意网络 控制器节点 图5-4-2 层次结构图 22

第六章 总结和未来展望

智能楼宇系统的根本目的就是给用户提供一个舒适、便捷和安全的生活和工作环境，无线网络技术的发展给智能楼宇系统的集成带来更宽阔的空间，不仅克服了智能系统集成过程中线缆限制引起的不便性，也使智能楼宇系统可以实现许多新的应用。本文所给出的无线传感器组网方式，无线传感器与控制网络的集成框架能够使无线网络技术在智能楼宇系统中得到有效应用。

随着无线技术的发展，特别是无线网络新技术、新标准和组网模式的发展，极大地扩展了无线技术的应用范围，基于以太网技术的连接和组网方式受到了越来越大的挑战，在现场执行层采用无线技术，主要是因为在楼宇中传感器节点非常多，布线工程非常大，并且许多区域不适合采用有线连接，如果采用采用无线接入方式，则使传感器的部署变得非常方便，可以方便地增加传感器节点或改变节点的位置。在信息管理层采用无线技术主要是管理和维护方便，便于用户通过PDA或移动便携设备随时随地控制和管理整个系统。调查同时也显示，由于有线网络巨大的网络带宽资源以及可靠的信息安全保护，无线网络不可能完全取代有线网络，未来的智能楼宇网络通信系统应该是无线和有线网络的有机组合。在信息管理层采用无线技术目前已经比较成熟，现有的无线网络技术都能够很好地在该层得到应用。在现场执行层，由于采用无线技术需要与控制领域的相关应用和技术相结合，因此，还有许多问题需要研究和解决。

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第七章 致谢

经过3个月的计划，实施，毕业设计目前终于圆满完成。在这3个月的工作当中，我把在课本、课堂上所学到的知识以及我自学的一些理论知识，结合到实际工作当中，取得了预期的设计成果。本论文是在导师陈晓范的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

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第八章 参考文献

1. 杨婉 著：《楼宇智能化工程技术专业导论》，中国电力出版社，2009-8 2．许锦标 著：《楼宇智能化技术》，机械工业出版社，2010-1 3．胡金良 著：《综合布线系统施工》，电子工业出版社，2006-8 4. 岳经伟 著：《网络综合布线技术》，中国水利水电出版社，2010-07 5. 付保川 著：《智能建筑计算机网络》，人民邮电出版社，2004-7 6. 程大章 著：《智能建筑楼宇自控系统》，中国建筑工业出版社，2005-2 7．贺仁明《综合布线系统的发展及未来》，选自《电信工程技术与标准化》，2004 8．褚建立、刘彦舫 著：《网络综合布线实用技术》，清华大学出版杜，2004 9．董一方《智能建筑综合布线系统设计方法》，选自《中国勘察设计》，2008 10. 涂洪涛《网络综合布线系统研究》,选自《学术探讨》，2009

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13.金纯《ZigBee与蓝牙的分析与比较》，选自《信息技术与标准化》2006 14.于昆伦《智能建筑中综合布线系统的设计》，选自《低压电器现代建筑电气篇》2009

15.杨威《智能建筑综合布线系统设计方法》，选自《中国勘察设计》2008

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