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目前，智能建筑得以迅猛發展，其關鍵是樓宇自動化系統BAS技術，其中樓宇溫度測控的子系統用以實現室內溫度的合理調節。目前，國內大都采用以單片機為核心組成區域控制系統，但由于這種系統在本質上采用了RS232、RS422/RS485等專用通信協議而形成“自動化孤島”。應用現場總線控制系統FCS將系統的分散控制轉換到現場控制，形成開放性的控制網絡。 本文應用LonWorks現場總線技術設計了基于主機的Neuron智能節點，并通過單總線（1-Wire）數字溫度傳感器DS18B20與智能節點構成溫度測控網絡，有效地實現了對室內溫度的實時監控與調節。 1 LonWorks技術 1.1 LonWorks技術要點 LonWorks技術是由美國Echelon公司推出的局部操作網絡，它包含所有設計、配置和維護網絡所需要的技術：3120/3150Neuron芯片、NeuronC編程語言、LonTalk協議、LonWorks收發器、LonBuilder和NodeBuilder開發工具等。LonWorks網絡系統由智能節點組成，節點包括神經元芯片、傳感器、控制設備、收發器和電源等。節點之間通信支持雙絞線、電力線、光纖和紅外線等多種介質，遵守ISO/OSI的7層模型協議，并按照規范的LonTalk協議進行通信，其通信速率在300bps"1.5Mbps范圍之間。 1.2 Neuron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。其內部框圖如圖1所示，內有3個8位流水線作業的CPU。介質訪問控制CPU處理LonTalk7層協議的第1"第2層，包括驅動通信子系統硬件和執行MAC算法。網絡CPU處理LonTalk協議的第3層"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，物理的發送和接收數據包。應用CPU執行用戶用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/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、執行器等。CP0"CP4組成的網絡通信端口用以連接收發器，實現網絡的通信功能。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；而3150則需外部擴展ROM，其LonTalk通信協議也需要由NodeBuilder工具包配置，用于復雜的應用系統。 圖13120/3150內部框圖 2 數字溫度傳感器DS18B20 DS18B20是由DALLAS所生產的基于1-Wire新一代數字溫度傳感器。該系列產品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能最好，其溫度轉換數據位數可編程到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，可以在一條信號線上掛接任意多個數字式傳感器。表1為分辨率0.0625°C時溫度/數字量關系表。 2.1DS18B20特點 （1）獨有的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； （3）不需要任何外圍元件； （4）可通過數據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℃測溫范圍內時為0.5℃； （7）可編程9"12位數字溫度計，相應分辨率為0.5"0.0625°C，最大轉換時間分別為93.75ms與750ms； （8）用戶可定義非易失性溫度報警設置及識別。 2.2 DS18B20的工作時序與命令 DS18B20采用嚴格的單總線通信協議，以保證數據的完整性。該協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，都由主機發出同步信號。命令和數據都是字節的低位在前。單總線系統中主設備首先對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，再可執行ROM功能命令，然后方可執行存儲器功能命令以進行啟動溫度轉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 系統硬件設計 3.1 系統網絡組成 本設計中樓宇自動化溫度測控系統的網絡結構如圖2所示。系統選用兩級計算機監控系統，即由上位管理機、LonTalk適配器以及多個智能節點組成。中央PC機控制節點的接口采用Echelon的PCLTA-10PCLonTalk適配卡。該卡是高性能的16位ISA總線LonWorks接口卡，系統中通信介質為雙絞線。網絡采用基于LonWorks總線的網絡模型，節點數量可根據監控的需要進行開放增減。網絡拓撲結構采用總線方式，通信位率設為78.125kbps時，LonWorks總線任意兩節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，用于整個系統的集中監控、管理、分析及網絡通信檢測等。 圖2網絡結構圖 3.2 智能溫度節點設計 系統采用基于主機的LonWorks智能節點，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，其內嵌8kFlashROM，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器FFT-10A完成LonTalk協議的數據傳輸，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；收發器通過與Lon網接口負責將節點連入網絡。 圖3 智能溫度節點原理框圖 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位的數據總線；P3.2與3120的IO8相連為單片機請求發送數據的信號線和接收3120溫度轉換命令的應答線；P3.3與IO9相連為3120接收數據的應答信號線；P3.4與IO10相連為3120發送溫度轉換命令的信號線，保證了8051與3120通信的嚴格同步。 4 系統軟件設計 4.1 軟件結構設計 本系統軟件包括3個部分。第1部分是以PC機節點為管理中心的上位機的軟件設計，采用VB6.0開發，既可使系統與LAN進行鏈接，又實現了友好的人機操作界面，用戶可以在主控室內設置大樓內各房間的運行參數，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，主要完成鍵盤掃描與輸出顯示，現場溫度數據的采集，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，完成節點外與網絡其它節點及上位機進行信息交互，內與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是現代建筑的耗能大戶，為了節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合，當偏差較大時執行前一算法，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、變頻調速進行變風量空調控制、舒適性空調溫度上限設定值提高等節能措施，達到節能目的。 圖4 AT89S52溫度測控程序流程圖 5 結束語 本系統采用LonWorks現場總線技術，使樓宇自動化系統中通信可靠、便捷；采用基于單總線數字溫度傳感器DS18B20，使系統簡單、靈活、方便，在常溫測量中有較大優勢；實際應用在DS18B20采用9位數字量轉換時分辨能力達到±0.5℃,采用數字處理更可達到±0.0625℃，滿足智能建筑不同程度的控制要求。該系統在常溫測控應用中具有明顯的優勢。 |
