智能建筑中无线网络的构建与应用

　　第四章 智能建筑中无线网络的构建与应用

　　4.1 智能建筑中无线网络的应用现状与分析。

　　智能建筑的核心内容是系统的集成，而系统集成的基础则是通信网络。随着计算机和无线通信技术的不断发展，使得智能建筑的内容和概念不断地更新。在现代信息化的背景下，智能建筑除了具备常规的传真、电话、消防等设备外，各种通信网络也是非常重要的组成部分。当建筑物具有了基础的通信设备，新的信息技术和多媒体通信才能应用到建筑物中，发展为现代智能建筑。无线网络技术是连接各种信息设备的主要桥梁，是智能建筑的重要组成部分。

　　本论文的研究对象，是一个新建工厂内分散在几幢不同建筑内的楼宇自控系统、消防报警系统、安防与门禁系统，这些子系统都是相互独立，分散在厂区内不同的区域。为了集中管理和监控，要将这些子系统集成在一个中央控制管理平台中，进行集中控制和管理。

　　现在多数智能建筑的设计，采用纯有线的网络系统方案，本章通过有线和无线网络技术的比较，综合分析有线和无线网络的可靠性、安全性、成本、性能等方面优缺点，讨论在实际工程应用中，采取相对应的技术方案和措施。

　　4.2 有线与无线网络方案比较。

　　有线通信网络技术已经非常成熟，在现代的各种智能和自控系统中已得到非常广泛的应用，随着无线通信技术的快速发展和不断完善，无线通信技术也越来越得到人们的青睐，目前无线通信技术已在很多领域得到广泛的应用，但是无线通信技术也存在一些问题和不足，在某些地方，无线还是难以全部取代有线网络。下面将通过对无线和有线通信技术的对比，分别从性能、可靠性、成本、安全性这几个方面进行比较，综合分析在实际应用中采取的方案。

　　4.2.1 性能比较。

　　性能方面，第一代无线局域网络的带宽为 1~2mbps,即采用的 IEEE802.11.无线局域网 802.11b 标准，理论情况下传输速率为 11mbps,在一般使用环境中，只有5mbps,当前最新的无线局域网标准，IEEE 802.11n 协议为双频工作模式，包含 2.4GHz 和 5G Hz 两个工作频段，这样可以保证与以往的 IEEE 802.11a/b/g 标准兼容，理论最大速率可以达到 600 Mbps,传输可以达到几千米，已可以满足很多应用需求。

　　有线局域网性能十分优越，主要采用同轴电缆、双绞线、光纤等进行通信。在历经 100Mbps 以太网在上世纪末的飞速发展后，千兆以太网甚至 10G 以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展范围。

　　4.2.2 可靠性比较。

　　在工业自动控制系统中，数据传输对可靠性的要求非常高。例如 I/O 数据和互锁信息等需要准确、实时交换，误码率过高或传输时延过长均会对控制系统的性能造成影响甚至会导致生产设备故障，甚至引发事故。在有线通信系统的环境中，以太网、集线器或者交换机都是比较可靠的成熟技术，可靠性非常高。在无线通信系统中信道编码技术是发送信息的基础上加入检验信息，在接收时检查信息是否受到丢失或干扰，从而知道传输的信息是否出错，或者进一步进行纠错[15]

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　　提高通信末端设备和交换机的精度，可以提高通信系统的可靠性，另外，无线信道编码技术可以提高无线通信可靠性。在实际环境中都会存在着各种干扰源，比如变频器和直流电动机、开关电源和高压电网等设备，都会对无线通信的传输距离产生影响。同样的发射功率和接收灵敏度，通信距离与系统的抗干扰能力有关，影响无线通信系统抗干扰能力与调制和解调技术等有关[16].

　　现在也很多的调制解调技术的研究和发展，电力电子技术的进步，也很大程度上提高了无线通信的可靠性，可以满足大多数的应用需求。

　　4.2.3 成本比较。

　　在工程项目中，成本一直都是一个需要考虑的重要因素。智能建筑首先需要设计，确定出所有的信息点的具体位置和布线图，在施工中按照设计图纸施工，设计和实际的安装过程中，需要对网络资源和信息点位，尽可能的考虑到位，并预留一定比例的余量，作为后备资源和一些不可预知的需求和变化。由于前期设计不能完全考虑到使用过程中的各种需求和问题，以及在实际安装时也会碰到和其它专业的协调和配合，实际的施工路线和位置可能需要调整和变化，这些预留预埋管线和桥架就需要拆除重新安装，有些预留的资源可能永远也用不上，这些问题都造成资源的浪费和施工的不灵活，同时有线网络需要大量的线缆和配件，用作物理媒介，例如信息模块、信息插座、配线桥架和电管、配线电箱等，需要较昂贵的造价。所以有线系统的最大局限性，就是项目投资越大，按照比例的浪费可能就越大，在实际的施工中也不灵活。在建筑物内钻孔敷设线缆时，与其它工种交叉作业也会出现冲突和协调的困难，周期长，一旦出现问题时，难以诊断和处理，维修困难。

　　而无线通信方案中，信息点较灵活，易于调整和变化，不需要预埋管线和安装弱点桥架，无需敷设线缆，减少大量的有线网络的布线和安装施工费用。同时由于无线网络的灵活性，在施工的过程中，可以灵活的根据现场的情况进行调整，灵活应对可能存在的需求变化及与其它专业的冲突造成的改变，施工省去了大量的预埋管线和桥架敷设，没有繁杂的布线工作，施工过程灵活、简单，可以很大的节约项目成本。

　　4.2.4 安全性比较。

　　在通信网络中另一个非常重要的要素是网络安全，无论在无线网络中还是有线网络中，网络安全都是一个非常重要的问题。有线和无线网络在安全性方面的考虑是有较大区别的，都有各自的优势和缺点。

　　在有线网络中，非法用户想要访问系统，首先必须能够连接到物理线路，在网络的网卡上连接上网络，通过有线网络的身份验证，另外有线网络都会有防火墙的安全来考虑，可以最大限度的提高网络的安全性。

　　而在无线网络系统中，由于最初军事上对无线通信中防窃听技术的研究，无线局域网很早就设计为抗噪音和干扰、以及阻塞和未授权检测，而有线链路都可能遭搭线非法接入。其次，由于无线用户的流动性是随意的，不可预测，这些用户可能在一个时间段内从一个接入点移动到另外一个接入点。

　　一般来讲，无线局域网的安全性低于有线网络，无线通信信号由于通过空气传输，比较容易受到非法截获。如果不能有效的解决网络的安全问题，就可能会因为非法的攻击导致整个系统瘫痪，造成严重的破坏和损失。现在有了政府级 WPA2 加密技术，无线网络的安全性基本相当于有线网络安全的水平，可以满足很多应用场合。

　　4.3 有线与无线网络优缺点综述。

　　有线和无线网络有各自的优缺点，针对不同的环境和要求，可以采取不同的方案，目前在一些要求不高的数据采集和辅助性监控系统中得到应用。为了保证无线通信网络的可靠性，安全性的要求，以及避免网络阻塞，采用分层分布式网络系统，提高无线通信网络的效率。总体来说，无线网络与有线网络的比较。

　　4.4 无线网络的应用与方案设计。

　　将分布在建筑内的各个子系统所构成的局域网，通过无线网络连接在一起，采用基础集中式拓扑结构，以安装在厂区中部的公用设施间的楼宇自控系统为网络中心，通过无线网桥和各个子局域网通信。

　　项目的设计方案是在原来的各个有线局域网的基础上，利用无线通信的优点，将各个子系统集成起来。由于各个子系统都是有各自的控制器分别控制，并不依赖于集成的无线通信网络，上层的无线通信系统主要负责系统的集成，远程监控和管理。原各子局域网采用有线与无线混合网络的连接方式，将各个子系统通过无线连接起来，省去了有线连接的布线和管道桥架等工作量，以及现场布线配管的施工量。

　　4.4.1 系统可靠性设计。

　　通信可靠性是指信息在信道的传递过程中，由于各种干扰源的影响，造成出现错误和传输信息丢失的问题，反映信息在传递过程中出错的情况，表征通信可靠性的指标有误信率等指标。误信率是错误传输的比特数在总比特数中所占的比例。对通信系统造成影响的原因有很多种，有硬件上的原因，也有软件上的问题。

　　硬件问题包括通信系统的各种设备、交换机、路由器等。提高通信系统的设备和交换设备的精度和可靠性时可提高整个通信系统的可靠性。

　　软件环境一般为信道编码技术，信道编码技术主要在发送信息的数据中，加入校验信息，使得发送的校验信息和用户信息构成关联，在接收信息的时候，检验这种校验的信息关联是否正确，从而检查传输的信息的正确性，也可以进一步纠正错误信息。

　　实际的通信环境中都会存在很多干扰信号，这些干扰会严重影响信号的传输质量和传输距离，如果系统的抗干扰能力越强，信号也就能传输更远的距离，在工程应用中，可根据实际的情况，采取以下措施来提高无线通信的可靠性。

　　1. 提高天线的有效高度。天线越高，将更可能绕开障碍物，增加信号传输的距离。

　　2. 信号发射天线采用高增益天线。由于天线自身不能放大信号，而高增益天线能较大的提高通信的能量密度，增加信号的发射距离和范围。

　　3. 远离干扰源。如果距离干扰源近，会降低信噪比，进而减小通信距离。

　　4. 采用技术先进的无线通信设备，抗干扰能力强，接收灵敏度高，以及具有纠错功能的软件可以很好的提高通信系统的可靠性[17].

　　4.4.2 系统安全性设计。

　　无线网络的应用扩展了网络用户的自由空间，具有网络施工安装容易，增加用户或更改网络结构非常方便和灵活、费用较低廉等优势，这些优势都不断的促进者无线通信技术的快速发展，但无线通信网络安全问题影响其发展和应用。由于无线网络系统中的信号是在空中传播，在信号的传递范围内，所有人都可以很容易的截获信息，另外，由于无线设备计算和电源供电时间方面的限制，有线通信系统中的安全技术不能直接应用到无线系统中[18].

　　在通常的网络系统中，安全在不同的应用下有不同的定义。在这些应用中，最重要的要求是机密性、完整性、认证和可用性。网络必须提供强大的数据机密性和完整性，以及对于每个传输信息的回复消息的安全保护。

　　与有线网络相比，无线网络是一个开放的、复杂的环境，面临更严重的威胁。无线网络在信息安全方面的问题概括起来主要包含：

　　（1） 无线网络是开放性的，网络更易受到攻击。

　　（2） 无线网络的移动性，加大了安全管理难度。

　　（3） 无线网络的拓扑是动态变化的，加大了安全方案的实施难度[19].

　　由于无线局域网非常容易被非法用户窃听和入侵，为了解决这个问题，WEP 协议就这样产生了。WEP（Wired Equivalent Privacy,有线等效保密）协议是对在两台设备间无线传输的数据进行加密的方式，用以防止非法用户窃听或侵入网络。

　　WEP 协议是目前 IEEE802.11 协议设计是为了无线局域网的接入控制和对接入用户的身份认证。WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance,无线以太网兼容性联盟）制定 WEP 的目的是防止明文数据被窃听，它并不能满足对抗专业黑客的攻击[20].

　　解决无线局域网存在的安全问题，为无线局域网用户提高更高的安全标准，为了确保识别并解决所有这些安全问题，每个无线局域网的实现需要综合考虑三个方面的安全：管理、技术和操作。这三个领域中最实用的安全措施清单已由美国国家科学与技术协会出版。

　　（1） 管理安全措施：管理安全措施是解决设计和实现无线局域网时需要考虑的问题。

　　（2） 技术安全措施：技术安全措施解决的是在配置无线局域网时考虑的问题。

　　（3） 操作安全措施：操作安全措施解决的是无线局域网路由操作时需要考虑的问题。

　　4.4.3 系统冗余备份设计。

　　冗余备份技术在网络和数据库中，以及各种重要数据通信中都得到了应用，为提高系统可靠性起到了十分重要的作用。

　　常用冗余备份技术，主要是为了保障系统工作的连续性，避免因各种原因造成中断丢失重要信息。也就是采用一些备用的设备，当系统出现问题造成中断时，备用设备担当起故障设备的功能，减少故障时间，确保系统正常。常用的冗余备份技术有单机冗余，双工备份，网络冗余。

　　随着计算机网络技术的发展，冗余备份技术是提高系统和设备可靠性较常用的一项有效措施，采用冗余设计，就可以在某一个设备或系统发生故障时，而对系统的整体不造成影响，提高了系统的整体可靠性。

　　无线通信系统的冗余备份及灾难恢复方案包含网络硬件和系统软件两部分。冗余备份设计具有非常重要的意义，可以有效的保障系统数据的可靠和安全，一般分为硬件和软件备份两种方式。

　　硬件备份指的是加入备用的硬件设备，确保系统的连续正常运行，如果其中一个设备损坏，备份设备可以马上投入运行。

　　软件备份时把信息保存到其它媒介中，如果系统出现问题时，可以把系统恢复到备份时的正常状态，这可以有效避免逻辑错误。

　　本方案设计将采用双工备份技术的硬件备份和软件备份的综合措施，在起主要通信枢纽作用的楼宇自控服务器上冗余备份一个相同的无线网桥，当起主要通信枢纽作用的无线网桥发生故障时，在线监测软件会直接切换到冗余的无线网桥设备，并发出报警，保证整个系统运行的可靠性。

　　由于目前各个局域网系统都是有单独的服务器和控制器，所有的监控都是由各自的系统独立完成，当其中的某个无线网桥发生故障，不会影响整个系统的运行。为了节约成本，其它局域网系统不安装冗余的网桥设备。但是在线监测软件会监控所有的网桥设备的运行状态，一旦发生故障，就会及时发出报警。

　　4.5 本章小结。

　　本章通过对无线网络和有线网络的综合分析，从性能、成本、可靠性、安全性进行对比，分析各自的优缺点，利用各自的优点，采取相应的措施，综合运用无线和有线混合网络，其中系统的可靠性和安全性是考虑的关键问题。

　　本项目通信设计系统采用无线和有线的混合网络设计方案，并对无线通信系统中存在的安全和可靠性问题提出了一些具体的解决措施，并采用了冗余备份无线网桥设备的方案，增强了系统整体的可靠性。