現(xiàn)場總線技術在樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)中的應用

　　摘要：本文應用LonWorks現(xiàn)場總線技術設計了基于主機的Neuron智能節(jié)點，并通過單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20與智能節(jié)點構成溫度測控網(wǎng)絡，有效地實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度的實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

       目前，智能建筑得以迅猛發(fā)展，其關鍵是樓宇自動化系統(tǒng)BAS技術，其中樓宇溫度測控的子系統(tǒng)用以實現(xiàn)室內(nèi)溫度的合理調(diào)節(jié)。目前，國內(nèi)大都采用以單片機為核心組成區(qū)域控制系統(tǒng)，但由于這種系統(tǒng)在本質(zhì)上采用了RS232、RS422/RS485等通信協(xié)議而形成“自動化孤島”。應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS將系統(tǒng)的分散控制轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場控制，形成開放性的控制網(wǎng)絡。
　　
　　1、LonWorks技術
　　
　　1.1LonWorks技術要點
　　
　　LonWorks技術是由美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡，它包含所有設計、配置和維護網(wǎng)絡所需要的技術：
　　
　　3120/3150Neuron芯片、NeuronC編程語言、LonTalk協(xié)議、LonWorks收發(fā)器、LonBuilder和NodeBuilder開發(fā)工具等。LonWorks網(wǎng)絡系統(tǒng)由智能節(jié)點組成，節(jié)點包括神經(jīng)元芯片、傳感器、控制設備、收發(fā)器和電源等。節(jié)點之間通信支持雙絞線、電力線、光纖和紅外線等多種介質(zhì)，遵守ISO/OSI的7層模型協(xié)議，并按照規(guī)范的LonTalk協(xié)議進行通信，其通信速率在300bps~1.5Mbps范圍之間。
　　
　　1.2Neuron芯片
　　
　　Neuron芯片有3120與3150兩大系列，是Lon-Works技術的核心。它既進行通信的管理，同時還具有輸入、輸出和控制的能力。其內(nèi)部框圖如圖1所示，內(nèi)有3個8位流水線作業(yè)的CPU。介質(zhì)訪問控制CPU處理LonTalk7層協(xié)議的第1~第2層，包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法。網(wǎng)絡CPU處理LonTalk協(xié)議的第3層~第6層，包括處理網(wǎng)絡變量尋址事務、權限證實、背景診斷、軟件計時器、網(wǎng)絡管理和路由等，同時還控制網(wǎng)絡通信端口，物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)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(diào)用的操作系統(tǒng)命令。3個CPU分別通過片內(nèi)的網(wǎng)絡緩存器和應用緩存器進行通信。芯片提供從I/O0~I/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(wǎng)絡通信端口用以連接收發(fā)器，實現(xiàn)網(wǎng)絡的通信功能。3120芯片中包含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zui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)。　　　　
　　2、數(shù)字溫度傳感器DS18B20
　　
　　DS18B20是由DALLAS所生產(chǎn)的基于1-Wire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，其溫度轉(zhuǎn)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DS18B20都有一個自己*的64位芯片ID序列號，可以在一條信號線上掛接任意多個數(shù)字式傳感器。表1為分辨率0.0625°C時溫度/數(shù)字量關系表。2.1DS18B20特點
　　
　　（1）*的1-Wire接口，只需一個端口管腳進行通信；
　　
　　（2）可簡單構成分布式多分支溫度測量應用系統(tǒng)；
　　
　　（3）不需要任何外圍元件；
　　
　　（4）可通過數(shù)據(jù)線進行寄生電源供電；
　　
　　（5）測溫范圍為-55~+125℃；
　　
　　（6）測量精度在-10~+85℃測溫范圍內(nèi)時為0.5℃；
　　
　　（7）可編程9~12位數(shù)字溫度計，相應分辨率為0.5~0.0625°C，zui大轉(zhuǎn)換時間分別為93.75ms與750ms；
　　
　　（8）用戶可定義非易失性溫度報警設置及識別。　　
　　2.1DS18B20的工作時序與命令
　　
　　DS18B20采用嚴格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復位脈沖、應答脈沖、讀/寫０和讀/寫１。所有這些信號，除了應答脈沖以外，都由主機發(fā)出同步信號。命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。單總線系統(tǒng)中主設備首先對DS18B20進行初始化，以確認總線上有DS18B20在線并做好了操作的準備，再可執(zhí)行ROM功能命令，然后方可執(zhí)行存儲器功能命令以進行啟動溫度轉(zhuǎn)換及存儲器操作等控制功能。初始化時序中，主機先通過拉低總線至少480μs，產(chǎn)生復位脈沖信號（Tx），接著主機釋放總線，并進入接收模式（Rx），上拉電阻將單總線拉高；之后，在單總線器件檢測到上升沿后，延時15~60μs，接著通過拉低總線60~240μs，以產(chǎn)生在線應答脈沖。
　　
　　DSl8B20的ROM功能命令如表2所示。　　
　　DSl8B20的存儲器功能命令如表3所示。　　
　　3、系統(tǒng)硬件設計
　　
　　3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡組成
　　
　　本設計中樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構如圖2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(zhì)為雙絞線。網(wǎng)絡采用基于LonWorks總線的網(wǎng)絡模型，節(jié)點數(shù)量可根據(jù)監(jiān)控的需要進行開放增減。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構采用總線方式，通信位率設為78.125kbps時，LonWorks總線任意兩節(jié)點之間的通信距離可以達到2700m，*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、管理、分析及網(wǎng)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，如圖3所示。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(nèi)嵌8kFlashROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其zui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(diào)機組進行新回風、送排風、噴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(jù)傳輸，并通過事件調(diào)度完成用戶定義的各種計算、I/O事件處理及網(wǎng)絡報文處理等功能；收發(fā)器通過與Lon網(wǎng)接口負責將節(jié)點連入網(wǎng)絡。　　　　
　　單片機AT89S52與Neuron芯片CY53120采用并行通信。8051的P1口與3120的IO0~IO7相連為8位的數(shù)據(jù)總線；P3.2與3120的IO8相連為單片機請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號線和接收3120溫度轉(zhuǎn)換命令的應答線；P3.3與IO9相連為3120接收數(shù)據(jù)的應答信號線；P3.4與IO10相連為3120發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的信號線，保證了8051與3120通信的嚴格同步。
　　
　　4、系統(tǒng)軟件設計
　　
　　4.1軟件結(jié)構設計
　　
　　本系統(tǒng)軟件包括3個部分。第1部分是以PC機節(jié)點為管理中心的上位機的軟件設計，采用VB6.0開發(fā)，既可使系統(tǒng)與LAN進行鏈接，又實現(xiàn)了友好的人機操作界面，用戶可以在主控室內(nèi)設置大樓內(nèi)各房間的運行參數(shù)，查詢各房間的溫度及控制設備的運行情況，查看歷史運行紀錄和實時運行費用等。第2部分是以AT89S52為控制核心的下位機的軟件設計，采用匯編語言開發(fā)，主要完成鍵盤掃描與輸出顯示，現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集，超限聲光報警，配置3120的工作模式，AT89S52與3120進行通信，溫度控制算法及對調(diào)溫設備的控制等。第3部分是以CY53120為核心的通信程序設計，采用NeuronC開發(fā)，完成節(jié)點外與網(wǎng)絡其它節(jié)點及上位機進行信息交互，內(nèi)與AT89S52進行通信。
　　
　　4.2程序流程圖及源程序
　　
　　圖4給出了溫度測控軟件的流程圖。需要說明的是溫控子系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑的耗能大戶，為了節(jié)能而在溫度控制算法模塊中采用了增量型PID控制算法與模糊控制算法相結(jié)合，當偏差較大時執(zhí)行前一算法，使溫度快速回到設定值附近，而當偏差較小時執(zhí)行后一算法，以避免控制裝置對被控溫度過于敏感而頻繁動作或振蕩，此外還采取了變新/回風比例自動控制、變頻調(diào)速進行變風量空調(diào)控制、舒適性空調(diào)溫度上限設定值提高等節(jié)能措施，達到節(jié)能目的。　　　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　本系統(tǒng)采用LonWorks現(xiàn)場總線技術，使樓宇自動化系統(tǒng)中通信可靠、便捷；采用基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)簡單、靈活、方便，在常溫測量中有較大優(yōu)勢；實際應用在DS18B20采用9位數(shù)字量轉(zhuǎn)換時分辨能力達到±0.5℃,采用數(shù)字處理更可達到±0.0625℃，滿足智能建筑不同程度的控制要求。該系統(tǒng)在常溫測控應用中具有明顯的優(yōu)勢。