基于LonWorks現(xiàn)場總線的樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)

1、基于LonWorks現(xiàn)場總線的樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)物聯(lián)網1102 0306110203 陳紫東摘 要：介紹了LonWorks現(xiàn)場總線和單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的特點及原理，利用CY53120和AT89S52構成了基于主機的Neuron節(jié)點，設計了多點溫度測控系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實現(xiàn)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）將系統(tǒng)的分散控制轉換到現(xiàn)場控制，形成開放性的控制網絡，將其應用在智能建筑的重要組成部分樓宇自動化系統(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、“自動化孤島”的嚴重不足。本文應用LonWorks現(xiàn)場總線技術和單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設計了樓宇自動化溫度測控的智能節(jié)點與系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了對室內溫度的實時監(jiān)控與調節(jié)。1.LonWorks特點LonWorks是美國Echelon公司推出的現(xiàn)場總線技術，它采用Lon Talk協(xié)議，封裝在Neuron神經元芯片。Neuron芯片上集成了3個CPU，其中一個CPU作為控制器，可以處理現(xiàn)場I/O，另兩個CPU處理網絡通信，因此LonWorks的最大優(yōu)勢是網絡處理能力。它采用ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議及面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數(shù)設置，

3、其通信速率范圍為3kb/s1. 5Mb/s，直接通信距離可達2. 7陽。LonWorks的物理層可以使用多種介質，如EIA485、雙絞線、無線電，紅外線，等等。使用雙絞線時最高傳輸速率為1. 25M脅，最大傳輸距離為1. 2km，一個網中可以有255個網段，每個雙絞線網段可連接64個節(jié)點;1.onWorks網上的每個控制節(jié)點，稱為LON節(jié)點或1.onWorks智能設備，它包括一塊神經元芯片(Neuron)、收發(fā)器、o網絡通信接口及電源等功能塊，LonWorks網由多個節(jié)點組成，節(jié)點通過收發(fā)器接入網絡總線。LonWorks是唯一涵蓋全部3個層次(Sensor Bus、Device Bus和Fie

4、ld Bus)，符合ISO/OSI7層參考模型的現(xiàn)場總線技術。在一個多種層次的現(xiàn)場總線產品并存競爭的現(xiàn)實環(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。LonWorks技術的核心是以固件形式實現(xiàn)7層通信協(xié)議，遵循元中心控制的真正分散模式;結點應用程序編寫簡易，開發(fā)系統(tǒng)完備;實行開放結構，具備良好的互操作性;另外，還有網關可方便構成局域網，甚至與Internet相連，實現(xiàn)遠程預覽現(xiàn)場設備數(shù)據的應用。LonWorks技術在樓宇自控系統(tǒng)中的技術上的優(yōu)勢是顯而易見的:(1)直接互聯(lián)性。不同品牌、功能的DDC組成一個統(tǒng)一控制網絡協(xié)同工作。(2)自主通信。數(shù)個小規(guī)模DDC

5、分布式布置，聯(lián)合運行，在功能方面完全替代了單CPU 多I/O點的中大型DDC。3)網絡結構多樣化，易于適應用戶的不同需求。(4)系統(tǒng)響應速率。在合理配置網絡設備和選擇合理的網絡結構的前提下，作為現(xiàn)場總線 的一種，1.onWorks也與其他種類的現(xiàn)場總線類似，數(shù)據結構、通信順序復雜，傳輸數(shù)據量龐大，對硬件資源配置需求高，雖然系統(tǒng)開發(fā)較易入門，但隨著技術介入深度加大，專用軟件的購置費用許可證及技術專利等知識產權相關費用也隨之上升(較CAN總線貴10左右)。2.基于LonWorks現(xiàn)場總線的樓宇自動化系統(tǒng)樓宇自動化系統(tǒng)包括:冷凍水系統(tǒng)、新風機組、空調機組、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)在的樓宇自動化控制系統(tǒng)（BAS）就是對大廈內的各種機電設施進行全面的計算機監(jiān)控治理，如空調制冷系統(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；通過對各個子系統(tǒng)進行監(jiān)控、控制、信息記錄，實現(xiàn)分散節(jié)能控制和集中科學治理，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。其基本組成及相應功能如下： 1.BAS的組成(1) 建筑設備運行治理的監(jiān)控,包括：a.熱通空調系統(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)火災報警與消防聯(lián)

7、動控制、電梯運行管制(3)公共安全技術防范,包括：a.電視監(jiān)控系統(tǒng)；b.防盜報警系統(tǒng)；c.出進口控制及門禁系統(tǒng)；d.安保職員巡查系統(tǒng)；e.汽車庫綜合治理系統(tǒng)；f.各類重要倉庫防范設施；g.安全廣播信息系統(tǒng)。諸多的機電設備之間有著內在的相互聯(lián)系，于是就需要完善的自動化治理。建立機電設備治理系統(tǒng)，達到對機電設備進行綜合治理、調度、監(jiān)視、操縱和控制。2.1-Wire 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 DS18B20結構DS18B20是由DALLAS所生產的基于1-Wire單總線新一代數(shù)字溫度傳感器，該系列產品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能最好，其溫度轉

8、換數(shù)據位數(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DS18B20都有一個自己特有的64位芯片ID序列號，我們可以在一條信號線上掛接任意多個數(shù)字式傳感器。圖1示出了DS18B20的內部結構。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VDD端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便寄生充電。這使測溫電路變得十分簡單，無需任何外圍硬件，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，因而溫度測控系統(tǒng)非常方便，成本低、體積小、可靠性高。DS18B20測溫范圍為-55125，當溫度轉換數(shù)據編

9、程到9位時精度為0.5（-1085范圍內），而12位時可分辨到0.0625，被測溫度與轉換后12位數(shù)字量為補碼表示，D0D10表示大小，D11表示符號。溫度轉換時間最多為750ms。用戶可自設定溫度報警上下限，報警搜索命令可識別哪片DS18B20超溫度界限。2.2 Neuron 3120/3150結構與特點Neuron 芯片是LonWorks技術的核心，它既進行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。3120與3150兩大系列芯片主要由Motorola、Toshiba、Cypress三個公司生產。Neuron 芯片內部框圖如圖3所示，內有3個8位流水線作業(yè)的CPU。介質訪問控制CPU處理

10、 LonTalk 7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC 算法。網絡CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第6層，包括處理網絡變量尋址事務，權限證實，背景診斷，軟件計時器，網絡管理和路由等，同時還控制網絡通信端口，物理的發(fā)送和接收數(shù)據包。應用CPU執(zhí)行用戶用NeuronC語言編寫的代碼以及用戶代碼調用的操作系統(tǒng)命令。3個CPU分別通過片內的網絡緩存器和應用緩存器進行通信。芯片提供從I/O0I/O10共11個管腳，通過對其編程可設定為34種不同的對象，可用于直接連接各傳感器、A/D、執(zhí)行器等。CP0-CP4組成的網絡通信端口用以連接收發(fā)器，實現(xiàn)網絡的通信功能。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，可非常方便構成用戶應用程序最大不超過2KB的較小系統(tǒng);而3150則需外部擴展ROM，其LonTalk通信協(xié)議也需要由NodeBuilder工具包配置，用于復雜的應用系統(tǒng)。，對于Lonworks總線，我以為在以下幾個方面可以進一步發(fā)展完善以進步競爭力：(1)我們可以給予各個節(jié)點更多的可視化操縱，實現(xiàn)人與控制中心的反饋交流功能，而不是單單的在節(jié)點處設置幾個傳感器，通過對一些模擬量進行采集而達到監(jiān)控功能，究竟人才是最好的傳感器，假如在神經元芯片為核心的終端加進可視化操縱功能。(2)在BAS與外部網絡的資源共享方面，在該總線

12、技術開放的條件下，我們應該實現(xiàn)Lonworks網絡與外部INTERNET的無縫連接，或使用GPRS技術與移動網絡的無縫連接，可以為業(yè)主隨時隨地提供有關自己家里房間電氣設備等的相關信息。對于世界范圍內的總線來說，我則以為應該制定一個同一的標準，打破各總線的封閉狀態(tài)，盡量使其兼容，能夠實現(xiàn)跨總線類型的一致性與互操縱性，在BAS領域方面，BACnet則做的不錯，因此我們應該根據其各自總線的特點，取長補短，重點發(fā)展，充分利用現(xiàn)有的通訊技術和網絡技術的先進性，不斷完善和發(fā)展， 制定出標準的總線協(xié)議，這樣才嫩更加有利于技術的創(chuàng)新與發(fā)展。3.溫度測控系統(tǒng)硬件設計3.1 網絡拓樸本設計中樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)

13、的網絡結構如圖4所示。系統(tǒng)選用兩級計算機監(jiān)控系統(tǒng)，即由上位管理機、LonTalk適配器以及多個智能節(jié)點組成。中央PC機控制節(jié)點的接口采用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)中通信介質為雙絞線。網絡采用基于LonWorks總線的網絡模型，節(jié)點數(shù)量可根據監(jiān)控的需要進行開放增減。網絡拓撲結構采用總線方式，通信速率設為78.125kbps時，LonWorks總線任意兩節(jié)點之間的通信距離可以達到2700m，完全可以滿足樓宇自動化系統(tǒng)的通信要求。上位機通過LonTalk適配器與LonWorks總線相連，用于整個系統(tǒng)的集中監(jiān)控、

14、管理、分析及網絡通信檢測等。3.2 智能溫度節(jié)點設計系統(tǒng)采用基于主機的LonWorks智能節(jié)點，圖4給出了節(jié)點1的結構。選用ATMEL增強型Flash單片機AT89S52作為主處理器以完成主要的測控任務，其內嵌8K FlashROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點是集成了ISP接口，可直接在目標板上進行在系統(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，以便除了正常測量各點室溫外，還可在火災初期等異常情況下能準確工作;利用8155擴展I/O，以對顯示、鍵盤、超溫報警等電路進行接口，此外還通過溫控輸出單元對空調機組進行新回風、送排風、噴

15、淋管等閥門進行控制，達到控溫的目的;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)據傳輸，并通過事件調度完成用戶定義的各種計算、I/O事件處理及網絡報文處理等功能;收發(fā)器通過與Lon網接口負責將節(jié)點連入網絡。單片機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)據總線。P3.2與3120的I08相連，作為單片機請求發(fā)送數(shù)據的信號線和接受3120溫度轉換命令的應答線。P3.3與IO9相連，作為3120接收數(shù)據的應答信號。P3.4與IO10相連，作為3120發(fā)送溫度轉換命令的信號線。這就保證了AT89S52與3120通信的嚴格同步。4.對Lonworks總線的展望對于Lonworks總線，我以為在以下幾個方面可以進一步發(fā)展完善以進步競爭力：(1)我們可以給予各個節(jié)點更多的可視化操縱，實現(xiàn)人與控制中心的反饋交流功能，而不是單單的在節(jié)點處設置幾個傳感器，通過對一些模擬量進行采集而達到監(jiān)控功能，究竟人才是最好的傳感器，假如在神經元芯片為核心的終端加進可視化操縱功能。(2)在BAS與外部網絡的資源共享方面，在該總線技術開放的條件下，我們應該實現(xiàn)L