基于嵌入式技术楼宇智能化控制系统*
摘要:为了解决智能楼宇控制点种类和数量多的问题,设计了基于嵌入式技术的智能楼宇控制系统,系统采用MODBUS通
讯协议,485/232总线结构,最大通讯距离达1200m,通过区域控制器与控制模块数目自由组合组成控制网络的方法成功
解决这个问题,效果良好。
关键词:智能楼宇 MODBUS协议 485/232总线 区域控制器
0 引 言
智能楼宇最早出现在美国,我国的智能楼宇起源于
20世纪90年代,楼宇智能化是现代工业高科技的结晶,
是未来“信息高速公路”的主节点,是进入“数字时代”新
兴的产物。所谓楼宇自动化系统是对中央空调系统、通风
系统、给排水系统、照明系统、变配电系统、电梯系统进行
监控。随着高新信息技术和计算机网络技术的高速发展,
对建筑物的结构、系统、服务及管理的最优化组合的要求
越来越高[4]。系统控制的方式由过去的中央集中监控,转
而由高处理能力的现场控制器所取代的集散控制系统,本
文设计的楼宇自动化智能控制系统是专门为楼宇智能化
所设计,同霍尼韦尔、西门子等楼宇控制产品相比结构灵活,
控制简便,并且易于针对个体需求进行软件的二次开发。
1 网络结构
控制系统结构如图1所示,分为三个控制层。上层为
PC远程集中监控,下层为控制模块,中间层为现场区域控
制器。层与层之间通过RS232/485总线联网。
远程集中监控平台主要功能为提供即时的数据显示、
历史数据的保存维护和查询显示、故障报警和故障历史查
询、参数修改和查询。PC远程监控平台为主要人机界面,
所以上位机软件设计体现了如下三个优点:一是将控制网
络WEB化,可以将不同来源、不同格式的信息转变为统一
的格式,供具有统一界面的客户机浏览器浏览,以更好地
适应信息化社会的使用需要;二是建立了基于SQL SERV-
ER数据库的管理信息系统,提高了信息管理的功能;三是
采用开放式设计的网络结构,可以更方便地与其他系统
(如安保系统、消防系统)进行集成。软件基于delphi平台
开发,加载大量图形操作,简单方便。
控制模块包括四种,即数字量输入模块(Digital In-
put)、数字量输出模块(DigitalOutput)、模拟量输入模块
(Analog Input)、模拟量输出模块(AnalogOutput)。控制模
块是控制系统的主要执行机构,即采集数字量信号和模拟
量信号,也输出数字量信号和模拟量信号。因此每种模块
各自拥有单独的控制芯片,既接受现场区域控制器的控制
命令,又需要根据控制命令完成模块的输入输出功能。
中间层现场区域控制器既与PC远程监控平台进行通
讯,接受控制命令并上传实时数据,又通过控制模块采集
数据、执行控制命令。显然,现场区域控制器是整个控制
系统的核心枢纽,其重要性不言而喻,因此整个区域控制
器的软硬件设计无疑成为整个系统的重点和难点。
2 区域控制器
2.1硬件电路
区域控制器硬件电路主要由CPU、上下位机通讯接
口、EEPROM和时钟、键盘和触摸屏、液晶以及数字量/模
拟量输入输出单元组成。硬件结构如图2所示。
区域控制器CPU选用STC89C516RD2,这是一款新一
代抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统
8051单片机[1-3]。
区域控制器自身带有一定数目的数字量/模拟量输入
输出单元,可以在智能楼宇控制系统中作为控制模块的补
充,同时也可以使区域控制器单独作为产品配套控制器使
用,灵活多变。
时钟和EEPROM通过I2C总线与区域控制器CPU连
接。I2C总线用两条线(SDA和SCL)在芯片和模块间传
递信息。SDA为串行数据线, SCL为串行时钟线,这两条
线必须用一个上拉电阻与正电源相连,其数据只有在总线
不忙时才可传送。CPU是主设备,时钟和EEPROM是从
设备[9]。
上位机通讯接口由控制器CPU通过SPI总线访问异
步通讯芯片MAX3100来实现。SPI总线采用三线同步接
口。主要特点是可以同时发出和接收串行数据;可以当作
主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标
志;写冲突保护;总线竞争保护等;下位机通讯接口以串行
口中断的方式实现半双工通讯。
为了满足多种输入方式,控制器同时带有键盘和触摸
屏,即可以以按键方式键入控制命令,也可以直接点击触
摸屏实现。键盘采用独立式键盘;触摸屏选用电阻式触摸
屏,电阻式触摸屏屏幕主要由两个导电层组成,当手指触
摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了接触,电阻发
生变化,在X和Y两个方向上产生信号,然后由触摸屏控
制器侦测到这一接触点并计算出(X,Y)的位置。
2.2软件流程
智能楼宇控制系统所控制的点位种类多样,如温度、
湿度、流量、开关等。硬件电路依据数字量、模拟量以及输
入、输出提供了通用的接口,因此具体识别控制每个点位
则完全由软件完成。现场区域控制器作为整个系统的控
制核心,既要检测自身输入输出单元,完成显示,报警等功
能,又要根据上位机(PC)、控制模块提供信息发出控制决
策。因此软件流程包括初始化、故障检测与处理、控制算
法实现、上下位机通讯等
(图3),初始化包括数值
初始化、中断初始化,通讯
初始化,显示初始化;故障
检测包括通讯故障,反馈
故障,逻辑故障等;控制部
分主要是程序算法的实
现,对输入输出的智能控
制,包括键盘/触摸屏输入
及液晶输出,上位机通讯
即远程PC与区域控制器
通讯,而下位机通讯则是
区域控制器与控制模块之
间通讯[5-6]。
楼宇自动化控制系统
故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检
测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程
序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。
楼宇自动化控制系统
故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检
测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程
序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。
表中分5列,第一列为故障号;第二列为故障处理方
法,如1(停机),2(关机), 3(重启)···;第三列判断是
否联动,如0(否), 1(是),主要判断一些相互有关联的部
分出现故障是否需要同步处理;第四列所谓的报警延时主
要指某一现象视为故障的重复出现时间,目的是为了消除
抖动引起的误报;第五列延迟寄存器则存放报警延时,如
1(0.1秒级延时寄存器), 2(秒级延时), 3(分级延时)。
每条故障都要对应于表中的一条,实际应用中只需填写表
格,快捷方便。
上下位机通讯程序都采用MODBUS通讯协议[7-8],
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通
过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太
网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标
准。通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设
备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。
如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议
发出。控制器通信使用主—从技术,即仅一设备(主设
备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设
备查询提供的数据作出相应反应。此系统中当主设备为
上位PC机时,现场区域控制器为从设备,当现场区域控制
器为主设备时,控制模块为从设备。Modbus协议建立了
主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有
要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Mod-
bus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据、
和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误,或
从设备不能执行其命令,从设备将建立一错误消息并把它
作为回应发送出去。
例如:当主设备(现场区域控制器)发送如表2请求
时,此控制器连接的所有控制模块都接受这请求,但是只
有地址为1的控制模块对此请求应答,其他地址的控制模
块自动丢弃这帧数据,经CRC检验数据正确后,根据功能
码来处理此帧数据,此例中功能码为06,即向此寄存器地
址写寄存器数据,完成后从设备需回应与主机请求相同的
信息。
置区域控制器和各种控制模块数量,结构灵活多变,可以
适应多种输入输出信号,根据用户的实际需求开发控制软
件,真正达到量身定做成为一大特色。本智能控制系统已
经在多个楼宇智能化控制中使用,控制准确,运行稳定;另
外,区域控制器也可单独使用,作为产品配套控制器,成功
应用于除湿机、冷干机、Vocs气体清除装置等。
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9赵学军·RS485总线测控模块的MODBUS扩展协议设计[J]·自动
化与仪表,2007年2期:37-40
不是一个系统。楼宇智能监控系统是对大厦内的设备运行状态进行智能化的监管和控制，比如对照明系统，空调新风系统，电梯运行，给排水的自控等子系统的状态监测和管理。其目的是作用科学的方法，有效的对各个系统进行合理的管控，已达到节能高效。
而楼宇安防系统是我们传统意义上的5A系统中的FA，主要是通过科学的管理手段来对大厦的安全进行有效的管控，其主要包括闭路监控系统，门禁管理系统，电子巡更等子系统。
中文如下（你可以根据下面的英文翻译然后自己选取其中的段落哦，希望这个可以帮助到你~~）
【中国安防网】众所周知，智能楼宇技术包括通信网络技术、计算机技术、自动控制技术、消防与安全防范技术、声频与视频应用技术、综合布线和系统集成技术。它是现代建筑技术、通信技术、计算机技术、控制技术等相互结合、互相渗透的产物，集中体现了当今信息社会的信息特征。
确切的说它是楼宇自动化系统(BAS:BuildingAutomationSystem)、通信自动化系统(CAS:CommunicationAutomationSystem)和办公自动化系统(OAS:OfficeAutomationSystem)三者的有机结合,其中建筑环境是智能大厦支持平台。也就是通常所说的3A系统，但从国际和国内实际情况来看，消防自动化系统(FAS:FireAutomationSystem)和安全防范自动化系统SAS(SafetyAutomationSystem)都是由专门机构负责的，有着比其它系统更加严格的管理和验收程序，因此FAS和SAS也被列入智能楼宇子系统，由3A变成5A。其实无论3A，5A或xA，多少个A其实并不十分重要，无非是一个系统划分归类的问题，重要的是，智能楼宇里面的功能是否得以完美地实现。
智能楼宇的根本目的应该是：使复杂问题简单化，使楼宇功能多样化，使物业运作安全可靠化，使生活环境舒适化以及系统高度的智能化和节能化。因此，实现安全防范是智能楼宇中非常重要的一部分，安全防范自动化程度的先进性也严重影响着智能楼宇的整体水平。二、智能楼宇对安全防范系统的要求由于智能楼宇的大型化、自动化、高层次化，使得其安全防范系统显得更加必不可少。
对安全防范系统的主要要求是：
1)防范：防患于未然是该系统的主要要求，无论对人还是对财务，防范都是必须放在首位的。
2)报警：当发现安全受到威胁或破坏时，系统应能够及时报警。
3)监视：系统应能够对楼宇中需要监视的地方进行24小时的不间断监视，并保存一定时间段的监视记录。
4)记录：当发生报警或其它紧急情况时，系统应能够迅速的把报警区域的环境、声音、图像等数据及时记录下来，以备查验。
5)系统本身应具有防破坏功能：当系统内一些关键设备或线路遭到破坏时，系统应能够主动报警。
6)自检功能：系统应能够进行不定期的自检，并能够具有消除误报、漏报功能。三、智能楼宇中的安全防范系统安全防范系统在智能楼宇中一般涉及出入口管理、停车场管理、巡更管理、周界管理、楼宇对讲、CCTV和住户内部安全管理等几个子系统，涉及电学、声学、光学、通信学、数字信号处理、自动控制等多个学科和领域，是比较复杂的综合性技术，本文就这些技术在安全防范系统中目前应用的现状及其发展趋势进行论述，不对每个子系统再作专门的介绍。
3.1安全防范系统的基本构成*信号检测：主要是完成各种报警信号的信号检测或呼叫;*信号应答：主要是完成各种检测器的正常复位或信息的应答;*信息前处理：主要是完成对各种检测信号的前期信息处理，使之能够通过合理的方式传送到控制中心;或将控制中心的信息转换成应答信号送出;*控制中心：是整个系统的心脏，负责调度和协调各个任务，并具备联网、自检功能;*报警处理：将报警信息通过所设置的手段发送出去;*信息后处理：对各种有用信息进行处理，以备查验或留取记录。
安全防范技术的现状
信号检测技术在智能楼宇中的信号检测技术目前应用的主要是信号探测技术，也就是通常所说的传感器类技术,是用来探测入侵者移动或者其它动作的电子及机械部件，它通常将压力、震动、声音、光等转换成相应的电信号，在经过放大、滤波、整形等处理，使其成为易于传输的数字或模拟信号。目前常用的传感器主要有开关报警器、震动报警器、超声波、次声波报警器、红外报警器、微波报警器、激光报警器、烟感报警器和温度报警器等。这些报警器采用的是比较成熟和普通的技术，它们的集成度一般比较低，采取的工作方式一般有主动和被动两种方式，主动报警器在工作时，报警器一直向需要报警的区域连续的发出信号，经反射或直射或其它方式在报警器上形成稳定的信号，当报警控制区域内有异常情况时，报警器上的信号发生变化,根据信号变化的情况产生报警信号。被动方式报警时,它依靠被测物体自身存在的能量变化进行检测,报警器工作时不需要向探测现场发送任何信号,当异常情况出现时，一直稳定的信号出现变化，报警器根据信号变化的情况产生报警信号。在信号回应处理部分，它根据控制管理中心发来的信号对现场实行自动保护，更多采用的是自动机械控制技术。
【 China security nets 】 as is known to all, the intelligent building technology including the communication network technology, computer technology, automatic control technology, fire and safety technology, audio and video application technology, integrated wiring and system integration technology. It is the modern architectural technology and communication technology, the computer technology, control technology, combination of the product, mutual penetration, and embodies the characteristics of the information society nowadays information.
The exact says it is building automation system (BAS: BuildingAutomationSystem), communication automation system (CAS: CommunicationAutomationSystem) and office automation system (OAS: organic combination of the three OfficeAutomationSystem), including building environment is intelligent building support platform. Be also usually say triple-a system, but from the international and domestic actual situation, the fire-fighting automation system (FAS: FireAutomationSystem) and safety automation system SafetyAutomationSystem) are SAS (by special agencies responsible than other system, a more strict management and acceptance procedures, therefore FAS and SAS was added to the intelligent building subsystem, the triple-a into 5A. Actually regardless of triple-a, 5A or xA, how many A actually not very important, is nothing but A system is divided, important classified, the function of intelligent building inside whether be perfect to achieve.
The basic purpose of intelligent building should be: make complex problem is simplified, make the building function diversified, make property, safe and reliable operation of living environment comfortable personalized intelligent and highly and system energy conservation. Therefore, realizing safety precautions are intelligent buildings, a very important part of the advanced security automation degree also affects the overall level of intelligent building. Second, the intelligent building safe guard system requirements for the large-scale, due to the intelligent building automation, high hierarchical, to make it safe guard system appears more indispensable.
On the main safe guard system requirements are:
1) prevent: to prevent the main requirements is the system, whether for people or financial, prevention is always in the first place.
2) alarm: when discovery of safety and security has been threatened or destroy, the system should be able to give an alarm.
3) surveillance: system should be able to place on the buildings need to monitor the uninterrupted round-the-clock monitoring and, save certain time monitoring records.
4) records: when that happens alarm or other emergency, the system should be able to quickly take alarm regional environment, sound and image data timely recording, for examination.
5) system itself should have defending breakage function: when the system of some key device or circuit in damage, the system should be able to active alarm.
6) self-check function: system should be able to perform, and not regularly self-inspection capable eliminate misstatement, omission function. Third, the security guard system in intelligent building safe guard system in intelligent buildings generally involve gateway management, parking management, petrol management, perimeter management, building interphone, CCTV and resident internal security management and so on several subsystems, involving electrical, acoustics, optical, communication science, digital signal processing, automatic control and so on multiple disciplines and fields, is more complicated comprehensive technology, the paper these techniques in safe guard system of present application status and trend is discussed, the wrong done special again each subsystem are introduced.
3.1 safe guard system the basic constitution * signal detection: mainly in completing various alarm signal detection of signal or call; * signal response: mainly is the normal reset finish all kinds of detector response; or information * information pretreatment: basically be complete to various testing signals that the information processing, through rational way to teleport to control center; Or will the control center of information convert response signals sent out; * control center: is the heart of the whole system, be responsible for scheduling and coordinate various tasks, and possess networking, self-check function; * alarm treatment: will alarm information through the means of installed by sending out; * information of all kinds of useful information post-processing: process for inspection or return records.
Security preventation technology of the status quo
Signal detection technology in the intelligent building.then currently used for signal detection technology are mainly the signal detection technology, commonly known as sensor class technology, is used to detect intruders mobile or other action electronic and mechanical components, it will normally pressure, vibration, sound, light, etc, converted into electrical signals in amplified, filtering, plastic processing, makes it easy to transmit digital or analog signals. Now commonly used sensors are mainly switch alarm, vibration alarm, ultrasonic, infrared alarm device alarm, and microwave alarm, laser alarm, smoke alarm and temperature alarm and etc. These alarm USES is relatively mature and common technology, their integration is compared commonly low, take way of working generally have active and passive two ways and active alarm at work, the alarm straight to the need for the area of alarm signal, the reflection or point-blank or other means is formed on the alarm when the alarm signal, stable control area is an excrescent circumstance, alarm the signal on the changes, according to signal the changed circumstances have a warning signal. Passive way of alarm, it depends on the object's own existence by the energy changes when testing, alarm work doesn't need to send any signal detection scene, when an exception occurs, signs of change has been stable, alarm signal to changing circumstances have a warning signal. In signal processing parts, it respond according to control management center of site shall be the signal from the automatic protection, more automatic mechanical control technology is.
