品牌学论文参考文献格式
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[30] 袁铮. 化妆品营销渠道研究[D]. 四川大学 2003
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。
参考文献
1于洪洲·51系列单片机软件抗干扰设计[J]·集成电路通讯·2007,
25卷,2期:16-18
2汪文,陈林·单片机原理及应用[M]·华中科技大学出版社
3Yu ShouqianWang Jianhua Kou Jinqiao. Embedded Integrated Servo-
controllers for IntelligentModularActuators[J]·HIGH TECHNOLOGY
LETTERS.2006,12,1:37-41.
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forBuilding Automation, PROGRAMMABLE CONTROLLER FAC-
TORY AUTOMATION(PLC FA)·2005,3:28-30
5黄鑫,宋洋·软件抗干扰技术及其在单片机上的应用·现代电子技
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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
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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。
参考文献
1于洪洲·51系列单片机软件抗干扰设计[J]·集成电路通讯·2007,
25卷,2期:16-18
2汪文,陈林·单片机原理及应用[M]·华中科技大学出版社
3Yu ShouqianWang Jianhua Kou Jinqiao. Embedded Integrated Servo-
controllers for IntelligentModularActuators[J]·HIGH TECHNOLOGY
LETTERS.2006,12,1:37-41.
4 B. Surrogate·Developmentofan IntelligentEnergyManagementNetwork
forBuilding Automation, PROGRAMMABLE CONTROLLER FAC-
TORY AUTOMATION(PLC FA)·2005,3:28-30
5黄鑫,宋洋·软件抗干扰技术及其在单片机上的应用·现代电子技
术,2007年9期:90-92
6朱国飞·单片机在工业控制上的应用[J]·中国科技信息, 2005年
18A期:77-79
7田拥军,赵光强,曾健平·基于RS485总线技术的PC机与单片机
多机通讯设计[J]·湖南工程学院学报:自然科学版, 2007年17卷
2期:19-23
8肖凯,张贤斌·Modbus协议在串口通讯中的研究及应用[J]·长江
工程职业技术学院学报,2007年1期:30-32
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
