基于LonWorks现场总线的楼宇自动化温度测控系统

1、基于LonWorks现场总线的楼宇自动化温度测控系统物联网1102 陈紫东摘 要：介绍了LonWorks现场总线和单线数字温度传感器DS18B20的特点及原理，利用CY53120和AT89S52构成了基于主机的Neuron节点，设计了多点温度测控系统，给出了其硬件及软件实现。现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）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，将其应用在智能建筑的重要组成部分楼宇自动化系统BAS（Building Automatic System）中，将克服传统方式因采用了RS-232、RS485等专用通信协议而带来“自动化孤岛”的严重不

2、足。本文应用LonWorks现场总线技术和单总线（1-Wire）数字温度传感器DS18B20，设计了楼宇自动化温度测控的智能节点与系统，有效地实现了对室内温度的实时监控与调节。1.LonWorks特点LonWorks是美国Echelon公司推出的现场总线技术，它采用Lon Talk协议，封装在Neuron神经元芯片。Neuron芯片上集成了3个CPU，其中一个CPU作为控制器，可以处理现场I/O，另两个CPU处理网络通信，因此LonWorks的最大优势是网络处理能力。它采用ISO/OSI模型的全部7层通信协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率范围为3kb

3、/s1. 5Mb/s，直接通信距离可达2. 7阳。LonWorks的物理层可以使用多种介质，如EIA485、双绞线、无线电，红外线，等等。使用双绞线时最高传输速率为1. 25M胁，最大传输距离为1. 2km，一个网中可以有255个网段，每个双绞线网段可连接64个节点;1.onWorks网上的每个控制节点，称为LON节点或1.onWorks智能设备，它包括一块神经元芯片(Neuron)、收发器、o网络通信接口及电源等功能块，LonWorks网由多个节点组成，节点通过收发器接入网络总线。LonWorks是唯一涵盖全部3个层次(Sensor Bus、Device Bus和Field Bus)，符合I

4、SO/OSI7层参考模型的现场总线技术。在一个多种层次的现场总线产品并存竞争的现实环境下，LonWorks兼收并蓄，成为连接过去、包容现在、面向未来的工业总线技术。LonWorks技术的核心是以固件形式实现7层通信协议，遵循元中心控制的真正分散模式;结点应用程序编写简易，开发系统完备;实行开放结构，具备良好的互操作性;另外，还有网关可方便构成局域网，甚至与Internet相连，实现远程预览现场设备数据的应用。LonWorks技术在楼宇自控系统中的技术上的优势是显而易见的:(1)直接互联性。不同品牌、功能的DDC组成一个统一控制网络协同工作。(2)自主通信。数个小规模DDC分布式布置，联合运行，

5、在功能方面完全替代了单CPU 多I/O点的中大型DDC。3)网络结构多样化，易于适应用户的不同需求。(4)系统响应速率。在合理配置网络设备和选择合理的网络结构的前提下，作为现场总线 的一种，1.onWorks也与其他种类的现场总线类似，数据结构、通信顺序复杂，传输数据量庞大，对硬件资源配置需求高，虽然系统开发较易入门，但随着技术介入深度加大，专用软件的购置费用许可证及技术专利等知识产权相关费用也随之上升(较CAN总线贵10左右)。2.基于LonWorks现场总线的楼宇自动化系统楼宇自动化系统包括:冷冻水系统、新风机组、空调机组、给排水系统、变配电系统、电梯系统、照明系统、有害气体检测系统和热交

6、换系统9部分。相比与传统的那种封闭的楼宇控制系统，现在的楼宇自动化控制系统（BAS）就是对大厦内的各种机电设施进行全面的计算机监控治理，如空调制冷系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、电梯、消防、安全防范系统等；通过对各个子系统进行监控、控制、信息记录，实现分散节能控制和集中科学治理，为建筑物用户提供良好的工作环境，为建筑物的治理者提供方便的治理手段，从而减少建筑物的能耗并降低治理本钱。其基本组成及相应功能如下： 1.BAS的组成(1) 建筑设备运行治理的监控,包括：a.热通空调系统的监控(HVAC)；b.给排水系统监控；c.供配电与照明系统监控。(2)火灾报警与消防联动控制、电梯运行管制(

7、3)公共安全技术防范,包括：a.电视监控系统；b.防盗报警系统；c.出进口控制及门禁系统；d.安保职员巡查系统；e.汽车库综合治理系统；f.各类重要仓库防范设施；g.安全广播信息系统。诸多的机电设备之间有着内在的相互联系，于是就需要完善的自动化治理。建立机电设备治理系统，达到对机电设备进行综合治理、调度、监视、操纵和控制。2.1-Wire 数字温度传感器DS18B20 DS18B20结构DS18B20是由DALLAS所生产的基于1-Wire单总线新一代数字温度传感器，该系列产品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能最好，其温度转换数据位数可编程到12

8、位。DS18B20采用3脚TO-92封装为主，其外形如小功率三极管。因每一个DS18B20都有一个自己特有的64位芯片ID序列号，我们可以在一条信号线上挂接任意多个数字式传感器。图1示出了DS18B20的内部结构。总线也可通过DQ向所挂接的DS18B20寄生供电，而无需额外电源，此时VDD端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便寄生充电。这使测温电路变得十分简单，无需任何外围硬件，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，因而温度测控系统非常方便，成本低、体积小、可靠性高。DS18B20测温范围为-55125，当温度转换数据编程到9位时精度为0.5

9、（-1085范围内），而12位时可分辨到0.0625，被测温度与转换后12位数字量为补码表示，D0D10表示大小，D11表示符号。温度转换时间最多为750ms。用户可自设定温度报警上下限，报警搜索命令可识别哪片DS18B20超温度界限。2.2 Neuron 3120/3150结构与特点Neuron 芯片是LonWorks技术的核心，它既进行通信的管理，也同时具有输入、输出和控制的能力。3120与3150两大系列芯片主要由Motorola、Toshiba、Cypress三个公司生产。Neuron 芯片内部框图如图3所示，内有3个8位流水线作业的CPU。介质访问控制CPU处理 LonTalk 7层

10、协议的第1到第2层，包括驱动通信子系统硬件和执行MAC 算法。网络CPU处理LonTalk协议的第3到第6层，包括处理网络变量寻址事务，权限证实，背景诊断，软件计时器，网络管理和路由等，同时还控制网络通信端口，物理的发送和接收数据包。应用CPU执行用户用NeuronC语言编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。3个CPU分别通过片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信。芯片提供从I/O0I/O10共11个管脚，通过对其编程可设定为34种不同的对象，可用于直接连接各传感器、A/D、执行器等。CP0-CP4组成的网络通信端口用以连接收发器，实现网络的通信功能。3120芯片中包含E2PROM、RAM、

11、ROM，其中在ROM中已带有LonTalk通信协议固件，可非常方便构成用户应用程序最大不超过2KB的较小系统;而3150则需外部扩展ROM，其LonTalk通信协议也需要由NodeBuilder工具包配置，用于复杂的应用系统。，对于Lonworks总线，我以为在以下几个方面可以进一步发展完善以进步竞争力：(1)我们可以给予各个节点更多的可视化操纵，实现人与控制中心的反馈交流功能，而不是单单的在节点处设置几个传感器，通过对一些模拟量进行采集而达到监控功能，究竟人才是最好的传感器，假如在神经元芯片为核心的终端加进可视化操纵功能。(2)在BAS与外部网络的资源共享方面，在该总线技术开放的条件下，我们

12、应该实现Lonworks网络与外部INTERNET的无缝连接，或使用GPRS技术与移动网络的无缝连接，可以为业主随时随地提供有关自己家里房间电气设备等的相关信息。对于世界范围内的总线来说，我则以为应该制定一个同一的标准，打破各总线的封闭状态，尽量使其兼容，能够实现跨总线类型的一致性与互操纵性，在BAS领域方面，BACnet则做的不错，因此我们应该根据其各自总线的特点，取长补短，重点发展，充分利用现有的通讯技术和网络技术的先进性，不断完善和发展， 制定出标准的总线协议，这样才嫩更加有利于技术的创新与发展。3.温度测控系统硬件设计3.1 网络拓朴本设计中楼宇自动化温度测控系统的网络结构如图4所示。

13、系统选用两级计算机监控系统，即由上位管理机、LonTalk适配器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-10PCLonTalk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LonWorks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。上位机通过LonTalk适配器与LonWorks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

14、测等。3.2 智能温度节点设计系统采用基于主机的LonWorks智能节点，图4给出了节点1的结构。选用ATMEL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在系统编程，为用户带来了极大的方便;单总线上挂接的DS18B20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

15、到控温的目的;Neuron芯片采用CYPRESS的CY53120，以其为核心再通过收发器FFT-10A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CY53120采用并行通信。P1口与3120的I00I07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IO9相连，作为3120接收数据的应答信号。P3.4与IO10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。4.对Lonworks总线的展望对于Lonworks总线，我以为在以下几个方面可以进一步发展完善以进步竞争力：(1)我们可以给予各个节点更多的可视化操纵，实现人与控制中心的反馈交流功能，而不是单单的在节点处设置几个传感器，通过对一些模拟量进行采集而达到监控功能，究竟人才是最好的传感器，假如在神经元芯片为核心的终端加进可视化操纵功能。(2)在BAS与外部网络的资源共享方面，在该总线技术开放的条件下，我们应该实现Lo