现场总线技术在楼宇自动化温度测控系统中的应用

目前，智能建筑得以迅猛发展，其关键是楼宇自动化系统BAS技术，其中楼宇温度测控的子系统用以实现室内温度的合理调节。目前，国内大都采用以单片机为核心组成区域控制系统，但由于这种系统在本质上采用了RS232、RS422/RS485等专用通信协议而形成“自动化孤岛”。应用现场总线控制系统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。

本文应用LonWorks现场总线技术设计了基于主机的Neuron智能节点，并通过单总线（1-Wire）数字温度传感器DS18B20与智能节点构成温度测控网络，有效地实现了对室内温度的实时监控与调节。

1  LonWorks技术
1.1LonWorks技术要点

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：　　　

3120/3150Neuron芯片、NeuronC编程语言、LonTalk协议、LonWorks收发器、LonBuilder和NodeBuilder开发工具等。LonWorks网络系统由智能节点组成，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，遵守ISO/OSI的7层模型协议，并按照规范的LonTalk协议进行通信，其通信速率在300bps~1.5Mbps范围之间。

1.2Neuron芯片

Neuron芯片有3120与3150两大系列，是Lon-Works技术的核心。它既进行通信的管理，同时还具有输入、输出和控制的能力。其内部框图如图1所示，内有3个8位流水线作业的CPU。介质访问控制CPU处理LonTalk7层协议的第1~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层~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/O0~I/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、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。

图1    3120/3150内部框图 [page]

2 数字温度传感器DS18B20

DS18B20是由DALLAS所生产的基于1-Wire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，可以在一条信号线上挂接任意多个数字式传感器。表1为分辨率0.0625°C时温度/数字量关系表。2.1DS18B20特点

（1）独有的1-Wire接口，只需一个端口管脚进行通信；
（2）可简单构成分布式多分支温度测量应用系统；
（3）不需要任何外围元件；
（4）可通过数据线进行寄生电源供电；
（5）测温范围为-55~+125℃；
（6）测量精度在-10~+85℃测温范围内时为0.5℃；
（7）可编程9~12位数字温度计，相应分辨率为0.5~0.0625°C，最大转换时间分别为93.75ms与750ms；
（8）用户可定义非易失性温度报警设置及识别。


2.2DS18B20的工作时序与命令

DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、读/写０和读/写１。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。命令和数据都是字节的低位在前。单总线系统中主设备首先对DS18B20进行初始化，以确认总线上有DS18B20在线并做好了操作的准备，再可执行ROM功能命令，然后方可执行存储器功能命令以进行启动温度转换及存储器操作等控制功能。初始化时序中，主机先通过拉低总线至少480μs，产生复位脉冲信号（Tx），接着主机释放总线，并进入接收模式（Rx），上拉电阻将单总线拉高；之后，在单总线器件检测到上升沿后，延时15~60μs，接着通过拉低总线60~240μs，以产生在线应答脉冲。

DSl8B20的ROM功能命令如表2所示。
DSl8B20的存储器功能命令如表3所示。




3 系统硬件设计
3.1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。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，通信位率设为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、分析及网络通信检测等。

                                            图2    网络结构图

3.2智能温度节点设计

系统采用基于主机的LonWorks智能节点，如图3所示。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8kFlashROM，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。

图3    智能温度节点原理框图[page]

单片机AT89S52与Neuron芯片CY53120采用并行通信。8051的P1口与3120的IO0~IO7相连为8位的数据总线；P3.2与3120的IO8相连为单片机请求发送数据的信号线和接收3120温度转换命令的应答线；P3.3与IO9相连为3120接收数据的应答信号线；P3.4与IO10相连为3120发送温度转换命令的信号线，保证了8051与3120通信的严格同步。

4 系统软件设计
4.1软件结构设计

本系统软件包括3个部分。第1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2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3部分是以CY53120为核心的通信程序设计，采用NeuronC开发，完成节点外与网络其它节点及上位机进行信息交互，内与AT89S52进行通信。

4.2程序流程图及源程序

图4给出了温度测控软件的流程图。需要说明的是温控子系统是现代建筑的耗能大户，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，达到节能目的。



                 图4     AT89S52温度测控程序流程图

5 结束语

本系统采用LonWorks现场总线技术，使楼宇自动化系统中通信可靠、便捷；采用基于单总线数字温度传感器DS18B20，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DS18B20采用9位数字量转换时分辨能力达到±0.5℃,采用数字处理更可达到±0.0625℃，满足智能建筑不同程度的控制要求。该系统在常温测控应用中具有明显的优势。