基于现场总线的智能楼宇温度测控网络设计

0 引 言
LonWorks技术是由美国Echelon公司推出的局部操作网络，它包含所有设计、配置和维护网络所需要的技术，采用国际标准化组织开放系统互联ISO／OSI的七层模型网络通信协议，目前，已成为应用于楼宇自动化系统(building automatic system，BAS)中现场总线的突出代表。基于Lon－Works的现场总线控制系统(field-bus control system，FCS)将系统的分散控制转换到现场控制，形成开放性的控制网络，将其应用在楼宇自动化领域中，将克服传统方式因采用。了封闭式专用通信协议而带来“自动化孤岛”的严重不足本文应用LonWorks现场总线技术和单总线数字温度传感 器DSl8B20，设计了楼宇自动化温度测控的智能节点与系统，测试结果表明：房间温度能被很好地控制在22-26℃，满足设计要求。
1 单总线数字温度传感器DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图1所示。低温度系数振荡器产生一固定频率fo的脉冲，高温度系数振荡器完成温度到频率的转换，将被测温度转换成相应频率为f的脉冲，该脉冲经计数器2变为闸门信号输出到温度寄存器。当闸门打开时，DSI8820就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲人进行计数，进而完成温度测量。闸门的开启时间由高温度系数振荡器来决定。每次测量前，首先，将―55℃所对应的基数分别置人减法计数器、温度寄存器中。在闸门关闭之前，若计数器已减至零，温度寄存器中的数值就增加0．0625～0．5℃(视数据位数9～12位而定，9位对应0．5℃)。为了补偿温度振荡器的抛物线特性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数，然后，减至零，温度寄存器的数值又增加0．5℃。重复上述过程，达到被测温度值。


2 系统硬件设计
本文应用LonWorks现场总线技术和单总线数字温度传感器DSl8B20，针对于衡阳市某一6层综合楼，设计了其楼宇自动化温度测控的智能节点与系统。其建筑面积为14800m２，系统共有200个温度点需要监测和控制，此外，还有其他开关量输出点360个，数字量输入点200个，共用LonWorks智能节点40个，其中，13个节点用于温度的监测与控制，每个温度节点可挂接16个温度测控点，温度测控的要求是被控量以24℃为平衡点在±2℃内变化。本文仅涉及温度测控节点。
2．1 系统网络组成
本设计中，楼宇自动化温度测控系统的网络结构如图2所示。LonWoKs控制系统网络由智能节点组成，节点包括神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等。节点之间通信支持双绞线、电力线、光纤和红外线等多种介质，按照规范的Lon Talk协议进行通信，其通信速率范围在300bps～1．5Mbps之间。Neuron芯片是LonWoKs的核心，它既进行通信管理，也同时具有输入、输出和控制的能力。系统选用两级计算机监控系统，即由中央监控PC机、Lon网络适配卡以及多个智能节点组成。中央PC机控制节点的接口采用Echelon的PCLTA-1OPCLonTalk适配卡，该卡是高性能的16位ISA总线LonWorks接口卡，系统中，
通信介质为双绞线。网络采用基于LonWoks总线的网络模型，节点数量可根据监控的需要进行开放增减。网络拓扑结构采用总线方式，通信速率设为78．125kbps时， LonWorks总线任意两节点之间的通信距离可以达到2700m，完全可以满足楼宇自动化系统的通信要求。中央监控PC机通过Lon网络适配卡与LonWoks总线相连，用于整个系统的集中监控、管理、分析及网络通信检测等。


2．2 智能温度节点设计
系统采用基于主机的LonWorks智能节点，图2也给出了节点的结构。选用美国ATMEL公司增强型Flash单片机AT89S52作为主处理器以完成主要的测控任务，其内嵌8k FlashROM，软硬件上兼容AT89C52，但其最大的特点是集成了ISP接口，可直接在目标板上进行系统编程，为用户带来了极大的方便；单总线上挂接的DSl8B20采用外接Vcc，方式而未用寄生供电，以便除了正常测量各点室温外，还可在火灾初期等异常情况下能准确工作；利用8155扩展I／O，以对显示、键盘、超温报警等电路进行接口，此外，还通过温控输出单元对空调机组进行新回风、送排风、喷淋管等阀门进行控制，达到控温的目的；Neuron芯片采用美国CY-PRESS公司的CY7C53120，以其为核心，再通过收发器FTT-1OA完成LonTalk协议的数据传输，并通过事件调度完成用户定义的各种计算、I／O事件处理及网络报文处理等功能；收发器通过与Lon网接口负责将节点连入网络。单片机AT89S52与Neuron芯片CY7C53120采用并行通信。P1口与3120的I00～I07相连作为8位的数据总线。P3．2与3120的I08相连，作为单片机请求发送数据的信号 线和接受3120温度转换命令的应答线。P3．3与109相连，作为3120接收数据的应答信号。P3．4与I010相连，作为3120发送温度转换命令的信号线。这就保证了AT89S52与3120通信的严格同步。
3 系统软件设计
本系统软件包括3个部分；第一部分是以PC机节点为管理中心的上位机的软件设计，采用VB6．0开发，既可使系统与LAN进行链接，又实现了友好的人机操作界面，用户可以在主控室内设置大楼内各房间的运行参数，查询各房间的温度及控制设备的运行情况，查看历史运行纪录和实时运行费用等；第二部分是以AT89S52为控制核心的下位机的软件设计，采用汇编语言开发，主要完成键盘扫描与输出显示，现场温度数据的采集，超限声光报警，配置3120的工作模式，AT89S52与3120进行通信，温度控制算法及对调温设备的控制等；第三部分是以CY7C53120为核心的通信程序设计，采用NeuronC开发，完成节点外与网络其他节点及上位机进行信息交互，内与AT89S52进行通信。
图3给出了温度测控软件的流程图。为了节能而在温度控制算法模块中采用了增量型PID控制算法与模糊控制算法相结合，当偏差较大时执行前一算法，使温度快速回到设定值附近，而当偏差较小时执行后一算法，以避免控制装置对被控温度过于敏感而频繁动作或振荡，此外，还采取了变新／回风比例自动控制、变频调速进行变风量空调控制、舒适性空调温度上限设定值提高等节能措施，以达节能目的。


测试结果
选取第6个温度测控智能节点所控制的312号房间进行了温度控制的测试，房间温度希望的控制平衡值以0．5℃为步长由22℃开始变化到26．5℃，控制范围分别为0，±1，：2，±3℃，测试结果如表1所示。测试数据表明：控制规律满足人体对温度舒适度感觉不大于26℃的控制要求；控制范围值较小时，在温度的低端控制精度较高；控制范围值较大时，在温度的高端控制精度较高。


5 结 论
本系统由于采用LonWorks现场总线技术，使楼宇自动化系统中通信可靠、便捷；采用基于单总线新一代数字温度?传感器DSl8B20，使系统简单、灵活、方便，在常温测量中有较大优势；实际应用在DSl8B20采用9位数字量转换时，分辨能力达到0．5℃，采用数字处理时，可达到0．0625℃，满足智能建筑的不同程度的控制要求。