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智能照明控制系统论文
智能照明控制系统
摘要
随着社会的快速进步,人们希望生活的更加舒适，充分的享受生活.在传统的理念中，越舒适的生活意味着能源的消耗越大。
但是，随着整个人类社会的进步，富裕人口越来越多，整个地球的资源已无法满足这种能源的巨大消耗，崇尚节约能源的低碳生活已是世界的趋势。
在传统的照明工程中,豪华的宾馆、酒店、商场、写字楼以及住宅等，其单位功耗远远超过一般建筑.随着科技进步及人类环保、节能观念的加强,人们对照明领域给予了更多的关注，促使照明控制技术突飞猛进的发展,且其应用也日益广泛.
智能化照明是随计算机、传感器、通讯、网络与自动控制技术而发展起来的综合技术,正以惊人的速度向各个专业领域渗透.智能化是任何电子产品必然的发展方向之一。
智能照明控制技术的发展可以使照明更加省电、节能、使用更便捷，在需要的时间给需要的地方以最舒适和高效的照明，提升照明环境质量.智能化照明更是使照明进一步走向绿色和可持续发展的重要方向.照明新光源和智能控制技术将在未来的低碳生活中起到决定性的作用.
随着社会的进步,建筑设计也向着更舒适、安全和节省能源的方向发展.智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将建筑物内的各种照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。
智能照明系统正是智能家居的趋势之一.针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点，我们设计开发了基于CAN总线技术的智能照明系统.系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度，周期性采集室内光强、有无人进出等环境信息，并及时响应用户的控制命令.本文主要介绍了智能调光系统及设计过程中的关键技术环节，包括CAN总线技术的应用，系统网络设计、智能继电器、控制面板、传感器和红外遥控技术，并描述了智能调光系统的主要应用。
关键词：
照明控制技术，智能建筑，智能家居，CAN总线，智能继电器，智能调光，红外遥控
1前言
随着信息控制技术的发展，现代化建筑中的楼宇自控设备和不同功能的系统越来越多,越来越复杂。
但无论何种建筑，也不论该建筑的智能化程度有多高，照明控制一直在其楼宇自控系统中占据十分重要的位置。
目前,我国照明用电占建筑用电的20%-30％，该项目是一种基于单片机89C51和CAN总线的智能照明系统硬、软件设计。
该系统可根据对光强度的不同需求，均匀调节环境内光照强度，实现室内照明的人性化、个性化。
传统的控制方法是将被控制的设备用连线引入控制室，这样不仅造成电力电缆铺设过多,增加了投资成本，而且还大大增加了灯回路的辐射干扰，对空间电磁环境造成了污染。
智能照明控制系统为现代化建筑楼宇照明提供了新途径—微机型灯光控制系统。
它采用网络控制技术,使得照明灯的电力线路可以不再经过控制室,而直接引入顶棚或马道.这种控制方法不仅可以方便地控制灯光的亮度，还减少了电力线路及相应设施投资,减少了灯回路的辐射干扰,而且可以使灯回路采用母线方式布线,线路规整，便于安装维修。
但在目前使用的微机型灯光控制系统中,由于网络通信大多采用RS-232、RS-485、20mA电流环等通信方式,因而普遍存在通信距离短、数据传输速度慢、误码率高、可靠性差等问题。
CAN总线是现场总线的一种,具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等技术特点和一系列优点。
CAN是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维.通信速率可达1MBPS.
CAN总线的微机灯光控制系统就是采用现场总线控制技术，构成全分散式微机灯光控制系统，有效地解决了微机型灯光控制系统的不足。
CAN总线所需的完善的通信协议可由CAN控制器芯片和接口芯片实现,大大降低了系统的开发难度、组成成本，缩短了开发周期。
该系统投资少、功能强、可靠性高、便于扩展，特别适合大型的智能办公大厦对灯光设备的控制需要.在市场上具有强劲的竞争力。
该课题的关键技术是CAN总线技术.CAN（controllerareanetwork）是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络。
CAN总线控制器可工作于多种方式,并采用无损结构逐位仲裁竞争方式向总线发布数据，它废除了站地址编码,代之以对通信数据进行编码，这可使不同节点同时接收到相同的数据，使CAN总线构成的网络测控节点之间的数据通信实时性更强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。
当系统有错误出现多节点同时向总线发送数据时，系统将不会出现总线短路，损坏某些节点的问题，而且CAN节点在错误严重情况下具有自动关闭功能，保证不会出现RS485网络中因个别节点出现问题，使得总线处于死锁状态.难点在于采用CAN总线技术组网，连接各种类型的照明控制装置，来实现能量管理，实现照明的定时控制和按需求控制等功能.
2发展背景
从20世纪60年代开发了白炽灯、荧光灯、高强度放电灯所使用的电子调光器,到20世纪90年代以来,国外以计算机技术为基础开发出灯光自动调光系统、自动关停系统和自动补偿系统，也称“智能照明”的新型照明控制系统，并已有定型产品得以良好的推广和运用,使建筑照明由传统控制走向计算机控制或无人控制的新领域。
自1984年美国建成第一座智能建筑以来的十几年中,在世界范围内，智能建筑以一种崭新的面貌和技术,迅速在各地展开。
尤其是亚洲的日本、新加坡、台湾等国家和地区，为了适应智能建筑的发展，进行了大量的研究和实践,相继建成了一批具有智能化的建筑。
照明系统经历了以下几个方式：
（1）传统照明控制方式
照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控制和不连续的调光控制.按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源,其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。
热辐射光源，即利用电能使物体加热到白炽程度而发光的光源；气体放电光源,即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。
对于热辐射光源来说，既可以实现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电电压即可调节光通量的输出.而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单的控制供给光源的供电电压，这类光源都有镇流器,220V工频电压经过整流器后再给光源供电,要实现调光控制，必须研制适应具体气体放电光源的匹配镇流器.通过控制镇流器的输出电压的频率和电压来调节光源的光通量输出。
传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观.但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。
（2）自动照明控制方式
这种控制方式利用数字控制技术来遥控灯具的开关。
通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器来控制配电回路中的交流接触器的分合,从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。
采用该种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化但却无法实现调光控制功能。
自动照明控制方式与传统照明控制方式相比，主要解决的问题是集中控制的问题，自动化程度相对提高,但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得DDC在照明控制系统中表现出明显不足，不仅无法实现调光控制,而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能.DDC系统的主要优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排.不足的是,对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务量增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
尽管集散控制系统逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说，仍然是传统的DDC技术,唯有把现场总线技术应用到现场设备级管理后,这个问题才能得到根本性解决。
（3）智能照明控制系统
二十一世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提高,网络化管理正逐渐渗透至各种传统控制系统中。
进入二十世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对十照明的要求也发生了很大的改变.尤其在一些中高档的建筑中，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案,使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。
二十世纪90年代初，智能建筑己不再简单地等同于楼宇设备自动管理。
在一些建筑物中的重要场所，简单地开关控制己无法满足要求。
人们开始追求多样化的照明控制方式，使环境能体现出多种艺术效果.智能照明控制方式使照明自动控制不再依赖于楼宇设备自动管理系统，真正实现了照明控制的独立。
同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制。
它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。
它的出现和发展，使照明控制和维护管理变得更为简单，并为建筑照明提供了多种艺术效果.智能照明控制系统被越来越广泛地接受和使用,这类产品和生产商更是层出不穷。
正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段,是节约能源的有效措施。
绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节电、节能、低噪音、低谐波、低电磁干扰.在照明设计中,合理和正确地选用照明控制方式,不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿色照明"的重要环节。
与传统照明控制相比，智能照明控制系统功能强、范围广、自动化程度高,实现照明的高层次智能管理，提高工作效率，节约能源，而且能够延长灯具寿命，减少维护费用。
随着智能照明技术的快速发展,智能照明系统的水平将不断提高和快速发展，并形成合力、科学、高效的是实施策略。
3发展现状
在当今世界经济全球化和区域经济一体化的形式下,随着信息行业和计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速提高，人们对工作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越来越高，传统的工作、居住环境受到了强有力地挑战，人们对照明的要求也越来越高,传统的照明技术受到了时代的强烈冲击，越来越被时代所淘汰，不能适应当今时代低碳节能的要求。
而现代照明技术发生了深刻的变化，“智能照明技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明技术发展的一个重要趋势。
智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终端等部分构成，是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。
智能照明的控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成，主控制器和终端之间通过信息接口等元件来连接，实现控制信息的传输.
3。
1目前各类智能照明系统
3。
1.1有线智能控制系统
通常采用一对双绞线作为通讯介质，所有系统控制单元由这对双绞线连接组成控制网络，每个系统控制单元所发出的控制信号在整个控制网络里进行传播，各个系统控制单元接收到控制信息后，则根据系统通讯协议的规定执行相应的动作，从而实现智能网络控制.
这种方案系统单元设计简单，由于采用的专用的双绞线作为通讯介质,所以具有抗干扰性能强、通讯效果好，通讯稳定性高的优点。
现对几种典型的有线智能控制系统进行概述:
（1）DALI系统中国照明网技术论文·智能照明系统
DALI意为数字式可寻址照明控制接口标准,是一种专门的智能照明系统，它定义了实现各种智能照明控制模块之间数字通信的接口标准.中国照明网技术论文·智能照明系统在欧洲有多家厂商研究开发符合DALI标准的产品，DALI标准已被编入欧洲电子镇流器标准。
它支持“开放系统”的概念，只要它们遵守DALI标准，不同制造厂商的产品可以互连.中国照明网技术论文·智能照明系统
DALI技术实现了采用尽量少的设备，提供高效简便操作的智能化照明控制方式。
DALI系统的性价比高于1～10V系统，低于复杂的总线系统.DALI系统可以通过DALI/1～10V转换器实现对带有1～10V接口设备的控制,并可通过网关实现与其他总线控制系统的集成（如BA系统）,故具有广泛的应用前景。
（2）EIB系统
EIB即欧洲电气接线装置总线智能控制系统，是为电气接线装置专业打的智能化控制系统,照明系统是该系统的一个组成部分。
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EIB总线系统作为欧洲安装总线标准，利用一条双绞线作为控制总线，取代了传统数量繁多的导线，使照明、调光、百叶窗、场景控制、用电负荷控制、保安、供热系统实现智能化，并成为一个完整的总线系统。
EIB总线系统也可依据外部环境的变化自动调节总线中设备的状态，达到安全、节能、人性化的效果,并能在今后的使用中根据用户的要求增加或修改系统的功能，而无须重新铺设电缆,真正成为灵活的电气安装系统，这是传统的电缆铺设方式所无法做到的。
EIB标准是一个开放式的系统:
可以由任何人、在任何芯片或可供选择的处理平台上实现。
该系统该系统是在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准.
（3）DMX512系统和DMX—NET系统
DMX512系统是当今使用最广的灯光通讯协议，光范应用在舞台灯光及景观照明系统中。
该系统为美国剧院技术协会把Colortran公司CMX192中的Bandrate从153.6Kbit/s提升至250Kbit/s及192CH变为512CH后发表。
由于结构简单、成本低、安装使用方便,各大厂商先后把DMX512接口加到产品上，它的使用非常广泛。
DMX512协议成功推广的原因是数十年来电脑灯具的迅速发展及大量使用于大型演出以及城市景观照明的迅猛发展，DMX512可产生的各种奇妙的照明效果。
DMX512控制线采用5针XLR连接设备，母接口适用于发送器，而公接口适用于接收器。
DMX—NET系统是把计算网络技术和DMX512标准整合在一起形成的智能照明控制系统。
该系统融合两种技术的优点，使整个系统的带宽、距离、可靠性和双向等功能的实现，这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，传输控制协议使可调光照明系统的控制质量和可靠性更高，双向通讯使设备的远程监测和控制更有效,因而构筑大规模可靠的可调光照明系统的网络成本更低。
（4）其他
除此之外,还有许多类似的总线制照明控制系统，它们的功能近似，通讯协议各不相同，如美国路创电子公司的GRAFIK6000R智能照明控制系统、澳大利亚邦奇公司的Dynalite智能照明控制系统，日本松下公司的EMIT全二线WRT2040型智能照明控制系统、瑞朗公司的RL-X10智能照明控制系统以及奇胜公司采用总线制加红外遥控器组成的C-Bus智能照明控制系统系统等。
3.1。
2电力线路载波控制系统
中国照明网技术论文·智能照明系统电力线路载波是利用现有电力线作为传输媒介，通过载波方式高速传输模拟或数字信号，实现数据传输和信息交换的一种技术。
目前适用频率范围:
50KHz～200KHz。
在电力线上通过载波方式进行系统联网，每个系统控制单元所发出的控制信号都通过载波方式在整个电力线里进行传播,各个系统控制单元从电力线上接收到控制信息后，则根据系统通讯协议的规定执行相应的动作，从而实现智能网络控制。
这种方案与总线方案相比，取消了专用的网络线，安装或扩展也较为简单，只需连接电源线就可实现网络控制.
但此方案在具体应用上往往由于电力线的干扰问题而变得不稳定.电力线路载波信号会随着距离增大快速衰减，公用变压器线路工频谐波对其干扰也很大。
电力线上众多电气设备都均是载波通讯的干扰源,其中以电子类产品较为严重,它们或者产生干扰信号，影响系统单元的接收，或者吸收系统单元所发出的载波信号，使其它单元无法正确接收，从而使控制失灵。
为了解决这类问题，需要在此类电器的电源进线和总电源进线处安装各种阻波器来隔阻干扰，保障载波通讯的稳定和可靠性.由于目前我国的电源质量欠佳，造成通信的可靠性不高,且成本很高,因此其技术进入使用的难度很大,目前较难进行市场推广。
由于400V以下民用电力线路对通信而言是一个不确定、无规则、随机干扰、网络拓扑呈非标准型的通信网,增加了载波技术开发的难度。
目前利用电力线载波进行通信的产品中，主要使用窄带通信和扩频通信两种方式。
当信道容量一定时,信道带宽与信噪比之间存在着互换关系，增加带宽则可降低对信噪比的要求，即通过扩展信号的带宽，可有的提高系统抗干扰的能力.随着扩频技术的成熟和国内电源质量的提高，其应用将成为可能。
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3.1.3无线智能照明系统
随着无线通讯技术的发展和物联网的兴起，采用无线通讯的智能网络控制系统开始出现。
这种系统的每个系统控制单元所发出的控制信号都以无线电波的进行传播,各个系统控制单元接收这些传播信息，然后根据系统通讯协议的规定执行相应的动作，从而实现智能网络控制。
与电力线载波方案一样，由于没有专用的网络线，安装或扩展非常简单。
对于ZigBee系统甚至可以使用电池供电，不用连接电源线，使用非常灵活方便，同时也降低了用户的总体应用成本。
现代无线通讯技术和计算机网络技术的发展，已经解决了无线通讯可靠性和互相串扰等问题，使无线网络技术得到空前的发展。
从技术发展方向看，基于有线的照明控制系统,具有布线麻烦，增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高以及移动性能差等缺点,因此无线通信技术，是实现智能照明系统的理想选择。
无线网络技术有着无可比拟的先天优势,近几年来得到飞速发展，物联网技术也成为了新的热点.
（1）（）9990（）（）（）中国照明网技术论文·智能照明系统ZigBee
中国照明网技术论文·智能照明系统ZigBee技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，因此非常适用于照明等小型电子设备的无线控制指令传输。
其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器）和间歇性数据（如照明控制）。
其目标功能是自动化控制，它采用跳频技术，使用的频段分别为2.4GHz （ISM）、868MHz（欧洲） 及915MHz（美国）。
而且均为免执照频段，有效覆盖范围已达到70～200m.
将ZigBee收发模块嵌入到光源电器的终端控制中，包括镇流器、人机交换设备等，可构成布线成本极低的全数字无线寻址全双工通信的照明控制系统.ZigBee技术的出现，推进了多主（每一个节点具有一定的自主智能）分布式控制系统的实用化进程，其网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理254个子节点。
同时该节点还可由上一层网络节点管理.可组成65536个节点的大型网络。
因为ZigBee数据传输速率低,协议简单，所以大大降低了成本，相比于Wi-Fi和UWB等这些适用于无线局域网和多媒体应用的高速率无线标准而言，价格非常低廉。
且ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要30ms，进一步节约了能源.相对而言,Bluetooth需要3～10s,WiFi需要3s。
（2）GPRS
GPRS即通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。
通俗地讲,GPRS是一项远距离的高速数据处理技术。
它是以分组的形式传送资料到用户手上。
虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术,但是它在许多方面都具有显著的优势.中国照明网技术论文·智能照明系统它让用户使用一部手机就能行遍全球，可以通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等，它比WAP优越，下载资料和通话可以同时进行，声音传递用GSM而数据传输用GPRS。
GPRS系统由于应用在公网上，其低廉的数据流包月费用,是照明系统最佳的小数据远传通讯方式.
（3）其他无线智能控制系统
近年来，近距离无线通信技术获得了迅猛的发展。
其中主流技术还有红外技术、蓝牙、Wi-Fi和UWB技术等，另外还有Z—Wave和MiWi等专有无线技术，它们都有各自的标准、特点和相应的应用领域。
对于照明控制系统的特点，ZigBee具有明显的技术优势。
3。
2智能照明控制系统的发展方向
目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。
按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。
集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。
各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制（CPU）上,由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包。
该系统的优点：
照明的控制功能高，故障的诊断和排除简单，存取协议简单，传输速率较高。
其缺点是:
因过分依赖中央控制器，故系统的可靠性和经济性相对较低。
虽然采用多种改进措施后，可提高中央控制器和系统的可靠性，但其价格上的劣势仍十分突出.分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。
系统将原控制中心的控制功能分散至靠近末端的控制设备，通过一种访问控制策略，决定设备与监控中心信息传输的顺序。
为了组建分布式智能照明控制系统，一般情况下是把照明控制器和面板之间通过现场总线相连接，组建现场总线子网。
把照明线路中的开关或控制箱作为现场总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进行通信,这样,网络中的每个节点都可以接受网络中其他节点的信息，非常方便的实现节点间互相监测与控制。
这样就可以脱离于中央监控主机而独立运行，同时也解决了现场设备层的每个控制量一根线的点对点连接方式带来的种种弊端，现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对一的连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。
同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。
现场总线网络系统具有优良的系统扩展性，可以非常方便增加网络节点，如增加声音检测、照度检测、图像采集、红外线信号采集等网络节点，通过这些传感器节点采集人们活动环境的变化参数,上传至中央监控主机分析、处理、计算，做出各种控制决策，实现智能化管理，能够更好的满足智能建筑的信息集成要求。
现场总线是数字化通信网络，可以实现设备状态、故障、参数信息传送。
采用现场总线网络取代传统的控制电缆,大大地减少了电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
现场总线控制系统既是一个开放通信网络,又是一种全分布式控制系统，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与测控系统.
因而研究基于现场总线技术的智能测控节点成了研究测控新技术和新发展的重点.由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向,它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。
现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革、自控化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战，因而对智能测控节点的研究既是对先进技术应用的研究，也是开发市场的需要.而在照明控制中应用最广泛的是LonWorks现场总线，LonWorks网络，简称L0N网，它标志着控制系统网络化的新纪元。
LonWorks是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制网络技术，众多的制造厂和用户纷纷在其控制网络方案中采用LonWorks技术。
基于LonWorks智能节点的照明控制系统主要是以Neuron芯片作为智能控制节点,控制下属的各类执行单元。
4发展趋势
本世纪80年代以来,随着计算机技术和网络技术的发展,带来了信息科学技术的革命,尤其是信息高速公路热引发了一场新的革命,使人们突破了时间、空间及计算技术的束缚,实现了多个对象间的直接信息交流.信息成为社会经济、科技等赖以发展的一项重要资源，信息化成为一个城市现代化程度的最高标志之一。
在国内一些经济发达的大城市如上海、深圳、大连等，纷纷开展自己的信息化建设，建立起集语言、数据、视频图像为一体的多媒体宽带综合业务数字网,并将光纤入户作为远期目标,故纷纷要求各建筑物或建筑群应建立交换间,进行电话、数据、电视信息分配，并规定今后新建灭火系统，大楼一律采用综合布线系统，以避免重建或多次
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