智慧樓宇通信技術架構及關鍵技術研究

詹治國，林少波，郭 棟，李天杰，展敬宇，張 弛

(北京中電飛華通信有限公司，北京 100700)

0 引言

在十二·五基建規劃中，智慧樓宇項目的建設為一個重要部分，智慧樓宇結合了自動化控制和信息網絡技術，自動化控制系統需要負責管理和監控整個建筑的情況，保證樓宇中設備能夠正常高效地運行[1]。智能設備的控制需要依靠實時可靠的通信環境，由于樓宇內部各個場景的通信網絡特征不同，當前智慧樓宇的通信需要一定的靈活性滿足復雜的應用場景[2]。

為滿足智慧樓宇中的通信需求，文獻[3]方法中提出一種多路訪問機制和時分多址機制結合的方式，在低流量負載條件下具有較好地靈活性，能夠支持高吞吐率，在訪問信道時沒有信道競爭。文獻[4]方法中采用了自適應時隙分配機制，采用自適應算法避免時隙空間重用的問題，網絡信息速率不受工作周期長短的影響。文獻[5]方法中提出精密定時協議，將單個檢測器時鐘的相位和頻率鎖定到一個主時鐘，通過硬件設備將節點同步到交換機中，減少通信過程中的緩沖延遲。文獻[6]方法提出CAN總線與以太網互聯的方法，通過軟件系統和硬件設備的結合實現現場的通信，提高了吞吐量。在智慧樓宇的無線網絡環境中，網絡節點需要降低能耗保持低工作周期，當前研究中提高吞吐量的同時可能會帶來額外的延遲，接收遠程數據節點發送的消息時，通信模型的層數過高導致累積開銷較大。

1 智慧樓宇通信技術架構

智慧樓宇內部管道和走廊中安裝有多種類型的傳感器用來采集環境參數，包括煙霧報警傳感器、室內入侵傳感器和溫度濕度傳感器。在樓宇內的通信網絡中，需要將設備節點采集到的數據匯聚在一起再上傳到控制中心。根據樓宇內部的不同場景的通信需求可將通信網絡分為3種結構：線性結構、環形結構和樹形結構，線性結構中只有一個控制器，其他節點數據節點為傳感器和執行器等設備，進行通信傳輸時首先由控制節點發送控制命令，首先對其他所有的數據節點進行初始化，接收到上傳來的數據后在對數據節點進行管理和監測[7]。環形結構中控制節點和多個數據節點形成一個閉環，發送控制命令后由最后一個數據節點將數據返回，再進行監測和管理[8]。樹形結構中數據節點為多層結構，發送控制命令后由第一個數據節點接收后，在將數據包發送到下一層的數據節點中，發送到最后一層后再將上傳的監測數據自底向上傳輸。樓宇中通信網絡需要進行大量且頻繁的網絡數據傳輸，并建立與多個數據節點的網絡連接，為控制系統提供網絡服務，需要保證數據交互和傳輸具有即時性，節點轉發時延不受主機處理器的影響，在一定時間內處理多個IO設備或多個節點傳輸[9]。智慧樓宇通信技術架構如圖1所示。

圖1 智慧樓宇通信技術架構

智慧樓宇從整體上可分為三層：應用層、數據層和通信層，通過這種方式實現智慧樓宇通信物聯交互，提高了數據物聯應用能力。

更具體而言，應用層主要為智慧樓宇提供智能服務，對環境和智能設備間監控，對各個場景進行視頻監控和入侵檢測。在應用層中設置監控攝像頭、溫濕度傳感器、紅外監控、人臉識別模塊、消防聯動等不同的物聯網設備，這些數據信息通過路由節點實現底層不同設備數據局信息的交互與傳遞，將見到的數據信息通過不同的數據信息節點傳遞到上層管理。

數據層應用了文件服務器、數據庫服務器和管理服務器，用來存儲和管理智慧樓宇產生的實時數據，與其他系統數據共享完成其他部分的聯動，提供統一的數據交換標準支持整個數據層的運行[10]。在具體設計中，其內的文件服務器是指檔案伺服器，該硬件設備能夠在計算機網絡中(尤其是錯綜復雜的文件信息數據信息內)，將計算機網絡不同數據節點內的所有用戶，在不同時間，不同位置能夠獲取其內存儲的文件存儲設備，該技術能夠將智慧樓宇數據信息通過網絡數據節點或者網絡存儲部件檢索或者存儲文件。為了提高應用能力，還可以在節點接入邊緣計算。邊緣計算技術是在云計算基礎上延伸的一種技術平臺，具備云計算的各種能力，包括計算、存儲和網絡通訊，是一種開放式平臺，遵循就近原則，滿足客戶需求，能夠對用戶數據進行數字化處理，提高通訊能力和數據安全能力。數據庫服務器是建立在數據庫系統基礎上，具有數據庫系統的特性，數據特征應用效果好，在該技術原理中，能夠實現系統配置與管理、數據存取與更新等。具有不錯的數據完整性管理和數據安全性管理能力。在管理服務器中，可以在其內安裝不同的數據軟件，設置、配置不同干的服務器，進而實現樓宇數據信息管理，提高了用戶應用能力和維護能力。

通信層中具有多個路由節點完成消息的轉發，智慧樓宇各層中的智能設備作為數據節點，完成數據采集后匯聚到路由節點再發送到數據層。通信層使用BACnet通信網絡標準協議滿足不同的應用程序的通信需求，在數據傳輸方面提供最高速的性能。BACnet通信網絡提供端到端的服務，包括流量控制和差錯校正，將應用層的抽象數據轉換成字節序列從而適合下層傳輸，無線鏈路使用基于IEEE 802.15.4的ZigBee標準，使通信網絡能夠滿足大量傳感器設備和智能設備的連接，支持自組織、多跳和可靠的網狀網絡[11]。

上述提到在通信層中設置邊緣服務器實現邊緣計算能力。邊緣服務器通常設置在不同網絡節點的終端附近，終端數據信息無需直接上傳遠端中心即可實現數據信息交互，通過不同的網絡節點能夠實現不同數據信息的交互，數據可以直接傳遞到云端服務器，最大程度地減輕數據信息計算量，大幅度提高數據處理能力。通過設置不同的邊緣網絡節點以及邊緣服務器，最終實現遠端云計算中心的信息交互與計算。為了進一步避免數據信息疊加和累計，這些數據信息之間可以動態交互，提高了數據處理和計算能力。

2 通信網關設計

2.1 通信網關硬件電路設計

智慧樓宇的通信層中通信網關是實現RS-485接口設備、CAN接口設備和傳感器、總線設備之間數據傳輸的重要組成部分，保證控制中心能夠及時對各樓層的智能設備進行控制，是數據正常安全傳輸的保障。在對通信網關進行設計中，在簡化電路設計的同時需要選擇內部具有豐富資源的核心器件，在保證功能性的同時簡化外圍電路，本研究使用ARM處理器 STM32F103ZET6 作為控制單元，保證高性能的同時具有較低的功耗[12]。通信網關的通信板卡使用D013板卡，有利于提高網關的集成度并減小占用的空間。通信網關總體硬件結構如圖2所示。

圖2 通信網關總體硬件結構

主控單元連接有外部時鐘電路，為主控單元的供電引腳VBAT提供安全穩定的電壓輸入，充分發揮主控單元低功耗和高精度的特點。為保證網關后備寄存器中的內容完整，由兩個二極管、電容和電池組成供電電路，在沒有外部接入電源的情況下，二極管D1不導通、D2導通，由內部電池供電[13]。在有3.3 V外部供電的情況下，二極管D1導通、D2不導通，由3.3 V電源供電。為滿足用戶的多種需求，豐富多協議網關的功能，在主控單元上增加了啟動模式電路、按鍵電路和復位電路。在主控單元中，采用主控芯片是STM32F103ZFT6ARM 芯片，改芯片為MCU微控制單元，該控制單元全稱為STM32 Family STM32F1 Series Microcontrollers, 采用ARM控制系列，其為M3, 32位單片機控制系統，具體輸出為72 MHz, 768 kB，更具體而言，作為XL密度性能的STM32系列32位微控制器，其具有的能力比較強，比如內核具有高達72 MHz的高性能ARM Cortex-M3 RISC內核，運轉速度比較快，采用高速嵌入式存儲器實現樓宇數據信息的存儲，比如是閃存數據信息為 768 kB, 內存為96 kB SRAM等多種存儲模塊，其中該模塊還設置多種外設設備和數據通信I/O接口，提高了數據交互能力。該模塊在應用過程中，采用的器件還設置了3個不同的12位A/D轉換模塊、在該基礎上還設置 10個通用型的16位定時器和1個PWM定時器，大大提高控制能力，在數據控制中心，比如不同型號的標準通信接口， 2個I2C, 3個SPI, 2個I2S, 1個SDIO, 5個USART, 1個USB, 1個CAN等，通過接入豐富多樣的數據信息接口，提高了樓宇通信能力，使本研究能夠通過不同的方式與外界實現數據信息交互。

電源模塊中使用了AMS1117穩壓芯片，為主控單元和其他外圍電路提供穩定的電壓輸入，能夠將5 V的輸入電壓轉換為穩定的3.3 V輸出電壓。為何采用這種形式？這是因為AMS1117作為電源模塊工作過程中能夠實現正向低壓降的電源穩壓器，能夠在工作電流為1 A的情況下，將電路中的電流下壓降為1.2 V，并且最小壓差保證不超過1.3 V，當電路中的負載比較大時，電路中的負載電流能夠隨著負載流入量的減少而減少，輸出的電壓可以為1.5 V、1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.0 V、3.3 V、5.0 V等，整體輸出電壓具有1%的精度，最終的輸出精度可以為2%，大大提高了數據抗干擾能力。網關與傳感器設備和智能控制設備進行通信時，RS-485接口和CAN接口的波特率需要與設備相匹配，為了在網關上顯示數據傳輸過程設備接口通信的波特率，加入了LCD接口電路。網關的控制單元內置了CAN控制器[14]，支持CAN協議的2.0A和2.0B，在網關中加入了CAN收發器，使用TJA1050芯片作為接口控制器。網關的收發模塊如圖3所示。

圖3 網關的收發模塊

其中RS-485接口電路使用了SP3485芯片，P5為接口電路的選擇接口，USART2_RX和USART2_TX連接在控制單元的PA3和PA2上，RS485_TX和RS485_RX連接在SP3485芯片的RO和DI引腳。當USART2的1和3、2和4短接時，RS-485接口連接在控制單元的串口上，完成與接口模塊的通信連接。接口芯片的控制引腳為RS485_RE，直接連接在控制單元的IO(PD7)口。采用SP3485芯片的目在于還能夠實現RS-422收發，在具體工作過程中，該芯片的數據傳遞速度可以高達10 Mbps。能夠承受-7.0～+12.0 V共模范圍內的任何短路情況，保護IC不受到損壞。

2.2 智慧樓宇網絡通信協議

在智慧樓宇的監控管理過程中，網絡的負載實時變化，當樓宇中有報警器報警時，網絡中產生突發負載，為保證通信網絡中的路由節點采集完數據后順利向下一個路由節點傳輸，避免發生時間同步問題。本研究提出基于隊列的MAC(medium access control)協議的通信網絡，對網絡負載情況進行分類，根據低負載和高負載的情況采用不同的傳輸機制，滿足智慧樓宇多跳和負載變化的網絡[15]。

在智慧樓宇的應用場景中，網絡負載較低的情況下，使用低工作周期模式傳輸數據，當網絡負載不斷增加時，路由節點會收集其對應的數據節點的隊列長度指示符，進行時隙分配時使用TDMA機制。智慧樓宇的傳輸網絡拓撲結構如圖4所示。

圖4 傳輸網絡拓撲結構

在現有技術中的樓宇傳輸網絡中，信道交互時，尤其是存在共同信道時，如何提高通信能力，解決數據信道擁堵問題，就成為亟待解決的技術難題，MAC通信協議能夠解決傳輸網絡拓撲結構中在存在共用信道時，通信信道擁堵問題，通過該技術能夠實現信道的合理分配，在實現數據通信時，其中局域網內的數據鏈路層主要包括邏輯鏈路層LLC和介質訪問控制MAC等。在局域網具體應用過程中，局域網內的通信介質通常設置很多交互節點，數據傳輸過程中可以協調不同的節點實現數據信息通信以及節點介質的訪問。傳輸網絡中包括數據節點、路由節點和Sink節點，所有節點都采用半雙工無線的工作模式。一個路由節點和周圍其他多個數據節點形成簇，在同一個簇中，路由節點與數據節點進行關聯并同步本地數據。在基于隊列MAC協議的通信網絡中，不同的簇之間使用異步工作模式，整個通信網絡不需要進行全局同步[16]。數據節點在向路由節點發送數據包時，將隊列長度信息映射在數據包上，明確地顯示出該數據節點的通信需求量，通知路由節點自身的負載。

路由節點中有兩個列表，序號列表IDlist和時隙分配列表SlotAlllist，IDlist用于記錄數據節點的序號，SlotAlllist用于記錄分配的時隙數目。接收到數據節點發送的數據包后，路由節點更新IDlist和SlotAlllist，當隊列長度指示符指示為零時，從IDlist中刪除該數據節點的序號[17]，不為零時，在SlotAlllist中更新數據節點的時隙數。

當多個數據節點N1、N2、N4都有要上傳的數據包時，首先需要獲取路由節點的信標，數據節點接收到信標之后將其超幀持續時間計數器重置為0，與路由節點進行本地同步。當數據節點自身的序號是在信標幀的序號列表中時，路由節點為其分配TDMA時隙，并在信標幀中得到序號的順序SID(i)和分配時隙數Nslots(i)。獲取到分配的時隙數后，數據節點通過預先累積已分配給該數據節點的時隙數知道時隙周期的開始時間。當數據節點N4發現SID(4)在序號列表中的值為3時，數據節點N4時隙周期的開始時間為前兩個數據節點的總時隙數的結束時間，數據節點N4的時隙起始時間為：

(1)

式(1)中,Tslot為TDMA時隙的持續時間，Nslots(i)為SlotAlllist中第i個數據節點的時隙數[18]。當網絡負載增加時，傳輸協議使用動態時隙分配的方法，路由節點解析數據節點發送的數據包，將本地的IDlist和SlotAlllist更新。通過上述方法特別是一種動態時隙分配TDMA實現裝置，為解決現有編碼系統效率低的問題。

在TDMA通信系統內，該研究有效地應用了動態時隙調度方法，在通信系統內的主端處，將樓宇數據信息發送給從端終端設備，大大提高了數據交互能力。該數據信息在通信協議的作用下，在主端處能夠根據各從端設備需要，將采集到的樓宇數據信息傳送到另外一個終端，有效地避免了數據擁堵問題，提高了數據交互和數據通信能力。

3 應用測試

為驗證本研究智慧樓宇通信技術的性能，搭建應用測試環境進行實驗，本研究應用測試在Linux系統中進行，操作系統的版本為Ubuntu16.04，實驗計算機使用8核16線程的CPU，應用測試環境中路由節點使用H3CMER3220路由器，同時也可以對實驗過程中的網絡流量進行精細化管理和控制，并支持Ethernet，Ethernet II，VLAN，端口鏡像。假設在某一樓宇進行數據信息交互，應用測試環境架構如圖5所示。

圖5 應用測試環境架構

應用測試環境中使用的硬件和軟件配置參數如表1所示。

表1 配置參數

為使網絡通信協議在在單信道環境和多信道環境下都可以正常運行，基于工作周期進行調整，在多個發送節點時能夠獲得較高的吞吐量，根據流量負載動態地調整其數據收集周期。網絡通信協議主要參數設置如表2所示。

表2 網絡通信協議主要參數

為了驗證通信網絡對智慧樓宇中負載變化的應對情況，每個數據節點中隨機生成500個數據包，路由節點將數據節點采集到的數據匯聚并傳輸到Sink節點。通過改變數據包生成的速率，記錄通信網絡在不同流量負載下的平均數據包延遲，文獻[3]系統和文獻[4]系統作為對比實驗，實驗時間設定為30 min，在不同系統下的數據包延遲時間如圖6所示。

圖6 數據包延遲時間

由圖6可知，實驗初期階段，數據包生成速率較小，通信網絡中存在的數據量較小，3種系統的延遲都較短。當數據速率超過4 packet/s時，文獻[3]系統和文獻[4]系統的數據包延遲時間開始明顯增加。數據速率增加到6 packet/s時，文獻[3]系統的數據傳輸時延為712 ms，文獻[4]系統的數據包延遲時間為425 ms。數據速率增加到7 packet/s后繼續增大時，文獻[3]系統和文獻[4]系統的數據包延遲時間不再出現增長趨勢，文獻[3]系統的最大延遲時間高達834 ms，其中數據包在發送隊列中等待的時間占延遲時間的一大部分。

本研究系統中數據包從數據節點到路由節點的平均延遲時間最短，數據速率低于8 packet/s的情況下，數據包延遲時間低于200 ms，與文獻[3]系統的最大相差時延可達到713 ms，本研究系統數據節點的時延時間最短，具有更好的通信效率。

在實驗過程中模擬智慧樓宇中發生的緊急事件，在實驗的100 s、300 s處引入數據負載突發時段，持續時間為30 s，突發時段內所有的數據節點的數據生成速率增加到10 packet/s，在其他時間段內以1 packet/s的低數據速率生成數據包。在數據負載突發的情況下，系統的平均數據包延遲時間如圖7所示。

圖7 數據負載突發的數據包延遲時間

圖7中顯示了3種系統在應對突發負載時的平均數據包延遲，由圖中延遲時間數據可知，本研究系統的平均數據包延遲時間更低，在整個實驗過程中，數據包延遲時間在500 ms以下，最高達到408 ms。當通信網絡中發生突發事件時，文獻[3]系統和文獻[4]系統的數據包延遲時間增加到1 500 ms以上，300 s處發生的突發負載時，文獻[3]系統的最高延遲時間高達2 000 ms以上，文獻[4]系統的延遲時間最高為1 822 ms，文獻[3]系統和文獻[4]系統在處理緩沖隊列中的數據所需要的時間更多。

4 結束語

本研究針對智慧樓宇各應用場景的通信需求，設計出通信網絡架構使滿足各場景中智能設備的數據傳輸，設有多個路由節點，通過動態時隙分配來提高網絡傳輸效率，降低網絡的平均延時。本研究的創新點在于：

1)設計出多協議通信網關，實現RS-485接口設備、CAN接口設備和總線接口設備的之間的數據傳輸，控制器和收發器具有冗余雙線機制，收發模塊具有RS-485收發器和CAN收發器，完成控制單元與外界網絡的通信。

2)提出基于隊的MAC協議的傳輸機制，在高負載的情況下能夠有效緩解數據的沖突，路由節點進行動態時隙分配，根據數據節點發送的數據包更新序號列表和時隙分配列表。

在智慧樓宇的實際應用中，實際的數據與仿真數據肯定會存在一定的差距，以后研究中需要根據實際情況設計出更合理的數據傳輸機制，考慮數據節點規模較大的應用場景。