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(wǎng)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(gòu)成了基于主機的Neuron節(jié)點，設(shè)計了多點溫度測控系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實現(xiàn)。現(xiàn)場總線控制系統(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(yīng)用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)和單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設(shè)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(nèi)溫度的實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)。1.LonWorks特點LonWorks是美國Echelon公司推出的現(xiàn)場總線技術(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(wǎng)絡(luò)通信，因此LonWorks的最大優(yōu)勢是網(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)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(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。使用雙絞線時最高傳輸速率為1. 25M脅，最大傳輸距離為1. 2km，一個網(wǎng)中可以有255個網(wǎng)段，每個雙絞線網(wǎng)段可連接64個節(jié)點;1.onWorks網(wǎng)上的每個控制節(jié)點，稱為LON節(jié)點或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)由多個節(jié)點組成，節(jié)點通過收發(fā)器接入網(wǎng)絡(luò)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(shù)。在一個多種層次的現(xiàn)場總線產(chǎn)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(shù)。LonWorks技術(shù)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(jié)點應(yīng)用程序編寫簡易，開發(fā)系統(tǒng)完備;實行開放結(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，實現(xiàn)遠程預(yù)覽現(xiàn)場設(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(wǎng)絡(luò)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(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)場總線 的一種，1.onWorks也與其他種類的現(xiàn)場總線類似，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，專用軟件的購置費用許可證及技術(shù)專利等知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)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(fēng)機組、空調(diào)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(nèi)的各種機電設(shè)施進行全面的計算機監(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(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)報警與消防聯(lián)

7、動控制、電梯運行管制(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(shè)施；g.安全廣播信息系統(tǒng)。諸多的機電設(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化治理。建立機電設(shè)備治理系統(tǒng)，達到對機電設(shè)備進行綜合治理、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(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(zhuǎn)換器及其它復(fù)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)編

9、程到9位時精度為0.5（-1085范圍內(nèi)），而12位時可分辨到0.0625，被測溫度與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間最多為750ms。用戶可自設(shè)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(jié)構(gòu)與特點Neuron 芯片是LonWorks技術(shù)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(chǎn)。Neuron 芯片內(nèi)部框圖如圖3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

10、 LonTalk 7層協(xié)議的第1到第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(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，背景診斷，軟件計時器，網(wǎng)絡(luò)管理和路由等，同時還控制網(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CPU分別通過片內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)緩存器和應(yīng)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(shè)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(luò)通信端口用以連接收發(fā)器，實現(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(shè)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(jīng)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(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)與移動網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，可以為業(yè)主隨時隨地提供有關(guān)自己家里房間電氣設(shè)備等的相關(guān)信息。對于世界范圍內(nèi)的總線來說，我則以為應(yīng)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?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，因此我們應(yīng)該根據(jù)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。3.溫度測控系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 網(wǎng)絡(luò)拓樸本設(shè)計中樓宇自動化溫度測控系統(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(luò)采用基于LonWorks總線的網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用總線方式，通信速率設(shè)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(wǎng)絡(luò)通信檢測等。3.2 智能溫度節(jié)點設(shè)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(jié)構(gòu)。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(wù)，其內(nèi)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(zāi)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(fēng)、送排風(fēng)、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(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(luò)報文處理等功能;收發(fā)器通過與Lon網(wǎng)接口負責(zé)將節(jié)點連入網(wǎng)絡(luò)。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(jù)總線。P3.2與3120的I08相連，作為單片機請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號線和接受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。P3.4與IO10相連，作為3120發(fā)送溫度轉(zhuǎn)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(shè)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(jīng)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(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)該實現(xiàn)L