基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇自動(dòng)化溫度測(cè)控系統(tǒng)

1、基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇自動(dòng)化溫度測(cè)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)1102 0306110203 陳紫東摘 要：介紹了LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線和單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的特點(diǎn)及原理，利用CY53120和AT89S52構(gòu)成了基于主機(jī)的Neuron節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）將系統(tǒng)的分散控制轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場(chǎng)控制，形成開放性的控制網(wǎng)絡(luò)，將其應(yīng)用在智能建筑的重要組成部分樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS（Building Automatic System）中，將克服傳統(tǒng)方式因采用了RS-232、RS485等專用通信協(xié)議而帶來

2、“自動(dòng)化孤島”的嚴(yán)重不足。本文應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設(shè)計(jì)了樓宇自動(dòng)化溫度測(cè)控的智能節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。1.LonWorks特點(diǎn)LonWorks是美國(guó)Echelon公司推出的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它采用Lon Talk協(xié)議，封裝在Neuron神經(jīng)元芯片。Neuron芯片上集成了3個(gè)CPU，其中一個(gè)CPU作為控制器，可以處理現(xiàn)場(chǎng)I/O，另兩個(gè)CPU處理網(wǎng)絡(luò)通信，因此LonWorks的最大優(yōu)勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)處理能力。它采用ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議及面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，

3、其通信速率范圍為3kb/s1. 5Mb/s，直接通信距離可達(dá)2. 7陽。LonWorks的物理層可以使用多種介質(zhì)，如EIA485、雙絞線、無線電，紅外線，等等。使用雙絞線時(shí)最高傳輸速率為1. 25M脅，最大傳輸距離為1. 2km，一個(gè)網(wǎng)中可以有255個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)雙絞線網(wǎng)段可連接64個(gè)節(jié)點(diǎn);1.onWorks網(wǎng)上的每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，稱為L(zhǎng)ON節(jié)點(diǎn)或1.onWorks智能設(shè)備，它包括一塊神經(jīng)元芯片(Neuron)、收發(fā)器、o網(wǎng)絡(luò)通信接口及電源等功能塊，LonWorks網(wǎng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)通過收發(fā)器接入網(wǎng)絡(luò)總線。LonWorks是唯一涵蓋全部3個(gè)層次(Sensor Bus、Device Bus和Fie

4、ld Bus)，符合ISO/OSI7層參考模型的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。在一個(gè)多種層次的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品并存競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，LonWorks兼收并蓄，成為連接過去、包容現(xiàn)在、面向未來的工業(yè)總線技術(shù)。LonWorks技術(shù)的核心是以固件形式實(shí)現(xiàn)7層通信協(xié)議，遵循元中心控制的真正分散模式;結(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序編寫簡(jiǎn)易，開發(fā)系統(tǒng)完備;實(shí)行開放結(jié)構(gòu)，具備良好的互操作性;另外，還有網(wǎng)關(guān)可方便構(gòu)成局域網(wǎng)，甚至與Internet相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)覽現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的應(yīng)用。LonWorks技術(shù)在樓宇自控系統(tǒng)中的技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的:(1)直接互聯(lián)性。不同品牌、功能的DDC組成一個(gè)統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。(2)自主通信。數(shù)個(gè)小規(guī)模DDC

5、分布式布置，聯(lián)合運(yùn)行，在功能方面完全替代了單CPU 多I/O點(diǎn)的中大型DDC。3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣化，易于適應(yīng)用戶的不同需求。(4)系統(tǒng)響應(yīng)速率。在合理配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和選擇合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，作為現(xiàn)場(chǎng)總線 的一種，1.onWorks也與其他種類的現(xiàn)場(chǎng)總線類似，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信順序復(fù)雜，傳輸數(shù)據(jù)量龐大，對(duì)硬件資源配置需求高，雖然系統(tǒng)開發(fā)較易入門，但隨著技術(shù)介入深度加大，專用軟件的購(gòu)置費(fèi)用許可證及技術(shù)專利等知識(shí)產(chǎn)權(quán)相關(guān)費(fèi)用也隨之上升(較CAN總線貴10左右)。2.基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)包括:冷凍水系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、

6、有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)9部分。相比與傳統(tǒng)的那種封閉的樓宇控制系統(tǒng)，現(xiàn)在的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)（BAS）就是對(duì)大廈內(nèi)的各種機(jī)電設(shè)施進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)監(jiān)控治理，如空調(diào)制冷系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯、消防、安全防范系統(tǒng)等；通過對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、控制、信息記錄，實(shí)現(xiàn)分散節(jié)能控制和集中科學(xué)治理，為建筑物用戶提供良好的工作環(huán)境，為建筑物的治理者提供方便的治理手段，從而減少建筑物的能耗并降低治理本錢。其基本組成及相應(yīng)功能如下： 1.BAS的組成(1) 建筑設(shè)備運(yùn)行治理的監(jiān)控,包括：a.熱通空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控(HVAC)；b.給排水系統(tǒng)監(jiān)控；c.供配電與照明系統(tǒng)監(jiān)控。(2)火災(zāi)報(bào)警與消防聯(lián)

7、動(dòng)控制、電梯運(yùn)行管制(3)公共安全技術(shù)防范,包括：a.電視監(jiān)控系統(tǒng)；b.防盜報(bào)警系統(tǒng)；c.出進(jìn)口控制及門禁系統(tǒng)；d.安保職員巡查系統(tǒng)；e.汽車庫(kù)綜合治理系統(tǒng)；f.各類重要倉(cāng)庫(kù)防范設(shè)施；g.安全廣播信息系統(tǒng)。諸多的機(jī)電設(shè)備之間有著內(nèi)在的相互聯(lián)系，于是就需要完善的自動(dòng)化治理。建立機(jī)電設(shè)備治理系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行綜合治理、調(diào)度、監(jiān)視、操縱和控制。2.1-Wire 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 DS18B20結(jié)構(gòu)DS18B20是由DALLAS所生產(chǎn)的基于1-Wire單總線新一代數(shù)字溫度傳感器，該系列產(chǎn)品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能最好，其溫度轉(zhuǎn)

8、換數(shù)據(jù)位數(shù)可編程到12位。DS18B20采用3腳TO-92封裝為主，其外形如小功率三極管。因每一個(gè)DS18B20都有一個(gè)自己特有的64位芯片ID序列號(hào)，我們可以在一條信號(hào)線上掛接任意多個(gè)數(shù)字式傳感器。圖1示出了DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。總線也可通過DQ向所掛接的DS18B20寄生供電，而無需額外電源，此時(shí)VDD端必須接地，同時(shí)總線口在空閑的時(shí)候必須保持高電平，以便寄生充電。這使測(cè)溫電路變得十分簡(jiǎn)單，無需任何外圍硬件，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，因而溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便，成本低、體積小、可靠性高。DS18B20測(cè)溫范圍為-55125，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)編

9、程到9位時(shí)精度為0.5（-1085范圍內(nèi)），而12位時(shí)可分辨到0.0625，被測(cè)溫度與轉(zhuǎn)換后12位數(shù)字量為補(bǔ)碼表示，D0D10表示大小，D11表示符號(hào)。溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間最多為750ms。用戶可自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，報(bào)警搜索命令可識(shí)別哪片DS18B20超溫度界限。2.2 Neuron 3120/3150結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)Neuron 芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它既進(jìn)行通信的管理，也同時(shí)具有輸入、輸出和控制的能力。3120與3150兩大系列芯片主要由Motorola、Toshiba、Cypress三個(gè)公司生產(chǎn)。Neuron 芯片內(nèi)部框圖如圖3所示，內(nèi)有3個(gè)8位流水線作業(yè)的CPU。介質(zhì)訪問控制CPU處理

10、 LonTalk 7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC 算法。網(wǎng)絡(luò)CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第6層，包括處理網(wǎng)絡(luò)變量尋址事務(wù)，權(quán)限證實(shí)，背景診斷，軟件計(jì)時(shí)器，網(wǎng)絡(luò)管理和路由等，同時(shí)還控制網(wǎng)絡(luò)通信端口，物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。應(yīng)用CPU執(zhí)行用戶用NeuronC語言編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令。3個(gè)CPU分別通過片內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)緩存器和應(yīng)用緩存器進(jìn)行通信。芯片提供從I/O0I/O10共11個(gè)管腳，通過對(duì)其編程可設(shè)定為34種不同的對(duì)象，可用于直接連接各傳感器、A/D、執(zhí)行器等。CP0-CP4組成的網(wǎng)絡(luò)通信端口用以連接收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信功能。3120芯片中包含

11、E2PROM、RAM、ROM，其中在ROM中已帶有LonTalk通信協(xié)議固件，可非常方便構(gòu)成用戶應(yīng)用程序最大不超過2KB的較小系統(tǒng);而3150則需外部擴(kuò)展ROM，其LonTalk通信協(xié)議也需要由NodeBuilder工具包配置，用于復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。，對(duì)于Lonworks總線，我以為在以下幾個(gè)方面可以進(jìn)一步發(fā)展完善以進(jìn)步競(jìng)爭(zhēng)力：(1)我們可以給予各個(gè)節(jié)點(diǎn)更多的可視化操縱，實(shí)現(xiàn)人與控制中心的反饋交流功能，而不是單單的在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置幾個(gè)傳感器，通過對(duì)一些模擬量進(jìn)行采集而達(dá)到監(jiān)控功能，究竟人才是最好的傳感器，假如在神經(jīng)元芯片為核心的終端加進(jìn)可視化操縱功能。(2)在BAS與外部網(wǎng)絡(luò)的資源共享方面，在該總線

12、技術(shù)開放的條件下，我們應(yīng)該實(shí)現(xiàn)Lonworks網(wǎng)絡(luò)與外部INTERNET的無縫連接，或使用GPRS技術(shù)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，可以為業(yè)主隨時(shí)隨地提供有關(guān)自己家里房間電氣設(shè)備等的相關(guān)信息。對(duì)于世界范圍內(nèi)的總線來說，我則以為應(yīng)該制定一個(gè)同一的標(biāo)準(zhǔn)，打破各總線的封閉狀態(tài)，盡量使其兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)跨總線類型的一致性與互操縱性，在BAS領(lǐng)域方面，BACnet則做的不錯(cuò)，因此我們應(yīng)該根據(jù)其各自總線的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，重點(diǎn)發(fā)展，充分利用現(xiàn)有的通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)性，不斷完善和發(fā)展， 制定出標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議，這樣才嫩更加有利于技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。3.溫度測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 網(wǎng)絡(luò)拓樸本設(shè)計(jì)中樓宇自動(dòng)化溫度測(cè)控系統(tǒng)

13、的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)選用兩級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，即由上位管理機(jī)、LonTalk適配器以及多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)組成。中央PC機(jī)控制節(jié)點(diǎn)的接口采用Echelon的PCLTA-10PCLonTalk適配卡，該卡是高性能的16位ISA總線LonWorks接口卡，系統(tǒng)中通信介質(zhì)為雙絞線。網(wǎng)絡(luò)采用基于LonWorks總線的網(wǎng)絡(luò)模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)監(jiān)控的需要進(jìn)行開放增減。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線方式，通信速率設(shè)為78.125kbps時(shí)，LonWorks總線任意兩節(jié)點(diǎn)之間的通信距離可以達(dá)到2700m，完全可以滿足樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的通信要求。上位機(jī)通過LonTalk適配器與LonWorks總線相連，用于整個(gè)系統(tǒng)的集中監(jiān)控、

14、管理、分析及網(wǎng)絡(luò)通信檢測(cè)等。3.2 智能溫度節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用基于主機(jī)的LonWorks智能節(jié)點(diǎn)，圖4給出了節(jié)點(diǎn)1的結(jié)構(gòu)。選用ATMEL增強(qiáng)型Flash單片機(jī)AT89S52作為主處理器以完成主要的測(cè)控任務(wù)，其內(nèi)嵌8K FlashROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點(diǎn)是集成了ISP接口，可直接在目標(biāo)板上進(jìn)行在系統(tǒng)編程，為用戶帶來了極大的方便;單總線上掛接的DS18B20采用外接VCC 方式而未用寄生供電，以便除了正常測(cè)量各點(diǎn)室溫外，還可在火災(zāi)初期等異常情況下能準(zhǔn)確工作;利用8155擴(kuò)展I/O，以對(duì)顯示、鍵盤、超溫報(bào)警等電路進(jìn)行接口，此外還通過溫控輸出單元對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行新回風(fēng)、送排風(fēng)、噴

15、淋管等閥門進(jìn)行控制，達(dá)到控溫的目的;Neuron芯片采用CYPRESS的CY53120，以其為核心再通過收發(fā)器FFT-10A完成LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，并通過事件調(diào)度完成用戶定義的各種計(jì)算、I/O事件處理及網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理等功能;收發(fā)器通過與Lon網(wǎng)接口負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)AT89S52與Neuron芯片CY53120采用并行通信。P1口與3120的I00I07相連作為8位的數(shù)據(jù)總線。P3.2與3120的I08相連，作為單片機(jī)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào)線和接受3120溫度轉(zhuǎn)換命令的應(yīng)答線。P3.3與IO9相連，作為3120接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號(hào)。P3.4與IO10相連，作為3120發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的信號(hào)線。這就保證了AT89S52與3120通信的嚴(yán)格同步。4.對(duì)Lonworks總線的展望對(duì)于Lonworks總線，我以為在以下幾個(gè)方面可以進(jìn)一步發(fā)展完善以進(jìn)步競(jìng)爭(zhēng)力：(1)我們可以給予各個(gè)節(jié)點(diǎn)更多的可視化操縱，實(shí)現(xiàn)人與控制中心的反饋交流功能，而不是單單的在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置幾個(gè)傳感器，通過對(duì)一些模擬量進(jìn)行采集而達(dá)到監(jiān)控功能，究竟人才是最好的傳感器，假如在神經(jīng)元芯片為核心的終端加進(jìn)可視化操縱功能。(2)在BAS與外部網(wǎng)絡(luò)的資源共享方面，在該總線技術(shù)開放的條件下，我們應(yīng)該實(shí)現(xiàn)L