無線通信技術(shù)在地鐵BAS系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

羅建勛

（中鐵二十二局集團電氣化工程有限公司，北京 023001）

0 引 言

地鐵BAS系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅設(shè)備的分布比較廣泛，而且所需要的接口眾多。而無線通信技術(shù)的引入可以降低線纜和管槽的使用，省去很多繁瑣的工作，為地鐵BAS系統(tǒng)的后期調(diào)試和使用提供了便捷。此外，將Enocean無線通信技術(shù)應(yīng)用到地鐵BAS系統(tǒng)中，可以在發(fā)揮Enocean優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)地鐵BAS系統(tǒng)的可持續(xù)化發(fā)展。

1 地鐵BAS系統(tǒng)概述

1.1 地鐵BAS系統(tǒng)的概念

BAS是英文“Building Automation System”的縮寫，中文譯為：環(huán)境與設(shè)備控制系統(tǒng)。地鐵BAS系統(tǒng)的概念是指集中監(jiān)視、控制的管理地鐵建筑內(nèi)的環(huán)境、空氣、防淹門等建筑設(shè)施的系統(tǒng)。在地鐵中建立BAS系統(tǒng)的主要目的有三方面。第一方面：能夠?qū)崿F(xiàn)自動化監(jiān)控和管理地鐵建筑的機電設(shè)備；第二方面：為乘客和工作人員提供干凈、整潔、舒適的環(huán)境；第三方面：可以降低和節(jié)約地鐵的運行費用與資源。

1.2 地鐵BAS系統(tǒng)的功能

地鐵BAS系統(tǒng)的功能主要有監(jiān)控功能、執(zhí)行防災(zāi)和阻塞模式功能、環(huán)境監(jiān)控和節(jié)能運行管理功能、管理環(huán)境和設(shè)備功能等。具體功能情況如下：第一，監(jiān)控功能。該系統(tǒng)可以對機電設(shè)備、中央以及車站進行監(jiān)控。BAS系統(tǒng)控制命令可以自動判定執(zhí)行，還能夠?qū)崿F(xiàn)越級控制以及其他控制手段。但是在操作上還是遵循人工操作高于自動操作原則。第二，執(zhí)行防災(zāi)和阻塞模式功能。該功能可以實現(xiàn)接收信息并執(zhí)行阻塞模式操作。第三，環(huán)境監(jiān)控和節(jié)能運行管理功能。該系統(tǒng)通過檢測、統(tǒng)計、計算相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)來對資源消耗進行分析，并將分析結(jié)果作為依據(jù)對設(shè)備進行優(yōu)化，來實現(xiàn)提高地鐵環(huán)境質(zhì)量和降低資源消耗。第四，管理環(huán)境和設(shè)備功能。該系統(tǒng)可以統(tǒng)計和分析運行狀況，然后將分析的結(jié)果作為優(yōu)化和管理設(shè)備的依據(jù)，以此來提高設(shè)備的管理效果。

2 無線通信技術(shù)概述

2.1 無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展加快了無線傳輸技術(shù)成熟的進程。從20世紀(jì)20年代開始，就誕生了無線通信技術(shù)，但在當(dāng)時該項技術(shù)主要應(yīng)用于艦船、軍事等方面。這一時期無線通信是通過短波屏和電子管來實現(xiàn)的。但到了40年代，高頻技術(shù)的問世使得無線通信技術(shù)得到了升級。而五六十年代產(chǎn)生的特高頻技術(shù)有效地解決了公用電網(wǎng)與移動電話進行連接所存在的問題。而隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了從模擬蜂窩通信技術(shù)向當(dāng)代4G、5G無線通信技術(shù)的跨越?，F(xiàn)如今，我國無線通信技術(shù)不僅得到了迅速的發(fā)展，還被廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)中。

2.2 無線通信技術(shù)介紹

無線技術(shù)快速發(fā)展時代出現(xiàn)了多種無線通信技術(shù)，主要以如下5種最為常見，分別是無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍(lán)牙（Bluetooth）、紫蜂（Zigbee）、Z-Wave和易能森（Enocean）。

第一，無線局域網(wǎng)（WLAN）。無線局域網(wǎng)是一種非常便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它通過利用射頻技術(shù)和電磁波技術(shù)徹底取代了舊式雙絞銅錢構(gòu)成的局域網(wǎng)，實現(xiàn)了空中通信連接，使用戶通過簡單的存儲架構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)傳播信息的目的。

第二，藍(lán)牙（Bluetooth）。這種無線通信技術(shù)適用于短距離信息傳輸，并具有低功耗的特點。藍(lán)牙能夠?qū)崿F(xiàn)在手機、無線耳機、筆記本電腦、平板電腦等多個設(shè)備之間進行無線信息傳輸。

第三，紫蜂（Zigbee）。Zigbee是低能耗的個人局域網(wǎng)，它與藍(lán)牙非常相似，都是近距離、低功耗的無線通信技術(shù)。

第四，Z-Wave。Z-Wave是丹麥公司研制的無線組網(wǎng)。Z-Wave作為一種新興的無線通信技術(shù)，比較適用于窄帶寬場合。該無線通信技術(shù)具有低成本、低功耗、高可靠、短距離等特點，因此在一定程度上推動了低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)的發(fā)展。

第五，易能森（Enocean）。Enocean與其他無線通信技術(shù)存在很大的不同，原因是它是一種基于能量收集的無線通信技術(shù)，具有高質(zhì)量、低能耗、近距離的傳輸特點。在2012年該無線通信技術(shù)被國際電工技術(shù)委員會正式采納為無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)，同時也是世界上唯一一種利用能量采集技術(shù)的無線國際標(biāo)準(zhǔn)。

從頻段、無線標(biāo)準(zhǔn)、電池維護、傳輸速率、傳輸距離、互相干擾、睡眠模式電流、兼容性以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面對這5種無線通信技術(shù)進行對比，結(jié)果如圖1所示。不難發(fā)現(xiàn)，易能森（Enocean）是這5種無線通信技術(shù)中抗干擾能力高、但能源消耗低的無線通信技術(shù)。

2.3 無線傳輸技術(shù)在地鐵BAS系統(tǒng)的應(yīng)用意義

地鐵BAS系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)將遠(yuǎn)程的IO節(jié)點掛在總線或以太網(wǎng)上，然后利用硬線線纜將變送器和遠(yuǎn)程控制照明的DI/DO連接到PLC的遠(yuǎn)程模塊中，并生成相應(yīng)的IO表，這樣現(xiàn)場的主線或以太網(wǎng)就可以將信息傳輸?shù)娇刂剖抑械目刂破魃稀?/p>

圖1 五種無線通信技術(shù)的對比圖

在傳統(tǒng)的地鐵BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中接入變送器、照明、扶梯等設(shè)備時，需要通過鋪設(shè)大量的線纜來增加系統(tǒng)的線纜連接。而在地鐵的施工標(biāo)準(zhǔn)中，對線纜的使用和保護有著明確的要求和規(guī)定，若在接入變送器、照明、扶梯等時鋪設(shè)線纜就需要對線纜進行管槽保護。大量的安裝管槽不僅影響了地鐵施工的美觀度，還在一定程度上增加了人力和材料的投資。若在后期使用過程中某一處的設(shè)備需要變換位置，就需要將施工時所鋪設(shè)的線纜管槽全部拆除重新安裝，這樣就為后期設(shè)備的維修和使用帶來了不便。而在地鐵BAS系統(tǒng)中應(yīng)用無線通信技術(shù)可以有效地解決上述問題，因此將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到地鐵BAS系統(tǒng)中是其發(fā)展的必然趨勢。

3 無線通信技術(shù)在地鐵BAS系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

在5種常見的無線通信技術(shù)中，Enocean相對其他4種無線通信技術(shù)來講，具有較強的抗干擾能力，并且功耗低。同時，Enocean無線通信技術(shù)的核心技術(shù)是能量的采集和轉(zhuǎn)換，因此無論是從使用上還是維護上Enocean無線通信技術(shù)都是最符合地鐵BAS系統(tǒng)無線傳輸需求的。利用Enocean無線通信技術(shù)，在加上無線集控器、無線變送器、無線控制模塊就可以組成適用于地鐵的無線BAS系統(tǒng)。

3.1 無線集控器

無線集控器作為無線系統(tǒng)的樞紐，能夠?qū)⑺袩o線設(shè)備都接入到系統(tǒng)中。從功能的角度出發(fā)，無線集控器和傳統(tǒng)的有線工業(yè)控制系統(tǒng)中的總線控制器是一樣的。無線集控器主要包含地址表、無線變送器和無線控制模塊，是系統(tǒng)的一個子節(jié)點，同時也是編碼存放的唯一地址。用戶通過設(shè)置無線集控器，就能夠?qū)⒃搮^(qū)域內(nèi)的無線設(shè)備都編入到集控器中。然后無線集控器會采用modbus Rtu、modbus TCP/IP等方式通過以太網(wǎng)等總線進行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 無線無源變送器

傳統(tǒng)的BAS系統(tǒng)中應(yīng)用的有線變送器是二線制、24 VDC供電的，但是在施工期間需要從遠(yuǎn)程控制箱中輻射出一條4～20 mA信號線和24 V的供電線纜。低功耗芯片和特殊能量采集器是無線無源變送器的核心。利用變速器的探頭對現(xiàn)場的溫濕度、壓力等數(shù)據(jù)進行采集，然后對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換編碼，再利用無線芯片將其發(fā)送到遠(yuǎn)端的無線集控器中，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔的控制可以根據(jù)實際情況進行設(shè)定。而能量采集器則是無線變送器提供電能的設(shè)備，在作業(yè)期間通過對光能、溫差能、風(fēng)能等能量進行采集和轉(zhuǎn)換，來維持設(shè)備正常運行所需要的電能。

由于Enocean能夠?qū)崿F(xiàn)能量的采集和轉(zhuǎn)換，再加上無線芯片具有低功耗運行的優(yōu)勢，將其作為傳輸協(xié)議的變速器能夠擺脫電池供電的束縛，做到真正的綠色環(huán)保。引入無線變送器可以免去大量的線纜和管槽敷設(shè)，最為明顯的是遠(yuǎn)程控制箱輸入輸出模塊與變送箱之間的連接得到簡化，不僅提高了施工的完美度，還降低了人力和材料投入，使施工效率得到提高。此外，無線傳輸還為后期設(shè)備的維修和更換位置提供了便利的條件，無論是在施工中還是在維修上都降低了人員的工作量。

3.3 無線控制模塊

在地鐵BAS系統(tǒng)建設(shè)中需要采用硬線干接點方式對電梯、照明、給排水等進行數(shù)據(jù)接口。在以往有線BAS系統(tǒng)中，是將遠(yuǎn)程控制箱輸入輸出模塊與接口控制箱連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的。但在對其進行調(diào)試時，需要逐個進行信號對接，因此比較耗費時間和人力[1-3]。

在區(qū)域無線系統(tǒng)中，無線控制模塊是其中的一個節(jié)點，是數(shù)字量輸入輸出模塊的集成。在施工過程中，將無線控制模塊安裝在就地控制箱中，就可以對該設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，這樣就能夠使硬線干接點信號進入無線控制模塊中，進而與地鐵BAS系統(tǒng)進行對接。而在進行測試時，只需要提供一份無線結(jié)點的地址表就能夠?qū)崿F(xiàn)對接口的測試，不需要再進行校線工作，因此可以有效地提高工作效率。

4 結(jié) 論

在傳統(tǒng)的地鐵BAS系統(tǒng)中，需要使設(shè)備廣泛地分布在地鐵站的各個位置，然后利用大量的線纜將其連接，這樣的設(shè)計方案會在無形中增加投入的人力和物力。因此在無線通信技術(shù)興起和快速發(fā)展的時代中，將其應(yīng)用到地鐵BAS系統(tǒng)中，以去除大量的線纜，并提高相關(guān)工作的工作效率。此外，無線通信技術(shù)的應(yīng)用還為地鐵BAS系統(tǒng)的維修提供了便利的條件。