智能楼宇员毕业论文

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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。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(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:16-182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 B. Surrogate·Developmentofan IntelligentEnergyManagementNetworkforBuilding Automation, PROGRAMMABLE CONTROLLER FAC-TORY AUTOMATION(PLC FA)·2005,3:28-305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:90-926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:77-797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:19-238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:30-329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

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伴随着我国经济的快速发展和科学技术的不断进步，近些年来我国的楼宇自动化技术得到了长足的提升。下面是我精心推荐的一些楼宇自动化技术论文，希望你能有所感触!

楼宇自动化控制网络技术研究

【摘 要】高层建筑、超大面积建筑越来越多的现代社会，如何实现对楼宇内零散分布的大型设备进行集中管理控制是影响楼宇运行是否良性运行的重要因素。这种分散式的控制需求也决定了全新自动化控制系统的诞生，它需要实现分散楼宇设备的监控、控制和测量。本文对比了楼宇自动化控制系统的发展历程中各种系统的优缺点，阐述了以太网对于楼宇自动化控制系统构建的意义，在遵循相关标准、原则和依据的基础上，讨论了楼宇自动化控制网络的组成、既定目标最后以以太网技术为基础，集成现场总线控制系统，创建OPC服务器实现通信接口数据高效传输和自动化控制系统设计。

【关键词】楼宇;自动化控制;网络;以太网;OPC

伴随着我国经济的快速发展和科学技术的不断进步，近些年来我国的楼宇自动化控制技术得到了长足的提升。所谓楼宇自动化控制系统是一种基于科学技术进行高度自动化管理和控制的系统机制，通过这样一个网络控制平台实现对楼宇内各种设备的一键管理。这里的科学技术包含了计算机网络技术、自动化控制以及网络通信技术等，能够统一管理的设备则包括空调系统、温度系统、电梯、消防系统、照明设备等等。楼宇自动化控制系统可以大大减轻管理难度和人工成本，具有高效率性和环保节能性。可以说自动化控制网络系统的发展在一定程度上决定了智能楼宇未来的发展方向。

1 楼宇自动化控制系统的发展历程

楼宇自动化系统的发展历程

楼宇自动化控制系统紧握科学信息技术的发展潮流，在三四十余年时间里一共经历了四个阶段的发展历程。第一阶段是始于1970年代的CCMS中央监控系统。其原理为通过设置信息采集站于建筑物各处，然后将总线与中央站连接起来，创建CCMS中央监控系统。系统的枢纽是中央计算机，通过接收处理信息采集站的信息，做出相应的决策并发出命令，调节楼宇内设备的各项参数。第二阶段是1980年代的DCS集散控制系统。其实年代的信息采集器进化成了80年代的科技产物：数字控制器。通过为每一个数字控制器配置集散式控制系统计算机，每一个独立的数字控制器都可以显示、处理采集到的信息，只需要在其上布设一个起到监视作用的中央电脑，就可以实现分站完全自主处理信息的功能。第三阶段是1990年代的开放式集散系统。通过应用ON现场总线，布设三层结构的BAS控制网络系统，形成中央站、DDC分站、现场网络层的输入输出结构，这就使得整个系统更加具有开放性，对于系统的配置和管理也更加灵活。第四阶段是进入21世纪之后的网络集成系统。网络系统中具有一个中央主控站，将子系统进行优化组合，诸如消防、安全、照明、温度等，然后统一集成管理，更加方便快捷。

在跨越四十年的发展历程中，楼宇自动控制系统最大的变化就是现场总线控制系统(FCS)取代了分布式控制系统(DCS)。虽然DCS拥有较好的模拟、操作和管理性能，但是费用高、可靠性差、系统开放性差是制约其发展的瓶颈。而现场总线控制系统随着科学技术的发展而兴起，其上烙印了典型的现代科技，具有更高更强的可控性和科学性。它最大的优点就是简单了系统布线方法，提高了操作性和维护性，优化了实时性，并且降低了成本。

以太网开始进入楼宇自控领域

以太网一直都是局域网构建中的核心技术网络，而随着科技的进一步发展，以太网中的站点完成了单独收发数据信息的进化，这就减少了物理层数据的碰撞、拥塞和缓存，为楼宇自动化系统的开发设计提供了独特的思路。而在标准颁布之后，基于以太网的工业交换机产品大幅增加，基于现场总线的开放式以太网标准也纷纷涌现。比如ODVA、CI、HSE、Profinet等。以太网和现场总线控制系统的结合，弥补了各方的缺点，使得工业自控系统的设计逐渐成形，而其在工业控制领域的成功应用直接促成了其在楼宇控制系统中的快速发展，从最初的信息层道控制层，以太网被越来越多的应用。

太网的优点很明显，那就是实现了从信息网到控制层的完美过渡，实现了各层统一，对这样系统的开发和管理也就更加便捷，也实现了和智能楼宇中其他系统的快速完美融合。但是同时需要认识到时，以太网技术和现场总线控制系统的集成研究还处于起步阶段，因为科研成本较高，产品较少，就会导致用户选择不多同时推广性也会受到阻碍，还有就是以太网的维护性、实时性还需要时间的考证。

2 楼宇自动化系统的组成与基本功能

楼宇自动化系统的组成

楼宇自动化控制系统通常包括空调、消防、供电、电梯、安全管理、给排水等子系统。可以通过以太网技术，建立通讯网络，集成现场总线控制系统，建立控制层、管理层和设备层，实现操作站和网络控制单元之间的连接。采用传送控制协议/协议，建立用户数据协议，构建OPC服务器，既集中完成控制端对所有设备的管理，也可以实现用户对客户端的自由访问，而避免了亲自查看设备的繁冗过程。通过增加网络控制单元可以实现楼宇内每一个子系统的监控、共享和管理，通过相应的多种统计计算功能，可以在一定的情况下可以代替操作站功能，完成手提式应急信息处理和指令控制。

楼宇自动化系统的功能

楼宇自动化控制系统的基本功能有以下几点：

(1)实现对众多子系统启动和停止的控制、设备运行状态的监控。

(2)收集设备运行的历史数据，完成设备一生运行的技术性数据分析;

(3)根据外界环境的变化，自动调整设备运行参数;

(4)监视楼宇各系统运行中可能出现的故障及突发事件，并配置一整套处理方案;

(5)实现对水电、煤气等科学管理，节能高效自动;

(6)针对各子系统中的设备，保存一份包含运行档案、历史、维修情况的设备管理报表，以供参阅。

3 楼宇自动化控制网络系统设计方案

自动化控制系统设计总则 楼宇自动化系统的最主要功能还是实现对楼宇内各个子系统的监控，采集运行数据，对比分析运算，保证在任何情况下设备都能正常运行，并且实现快捷简单的远程监控。最显著的优点就是大大减少了事故发生的概率，也就相应地延长了设备的使用寿命。通过这样集约化的控制和管理，实现对各子系统统一而有序的管理，使其健康运行，充分发挥各个系统的功能，为智能楼宇的建设打下坚实基础。这里以最具有代表性的高层、现代化智能大楼作为设计对象，就自动化控制网络系统的创设关键技术作简要阐述。

如同前文所述，楼宇自动化控制系统必须要首先保证子系统的高效运行，实现子系统有序运转和灵活自动运转，从而减轻人员管理，节约劳动力资源和资金成本。这里设计的系统主要是基于一般业主的要求和极高的性价比，采用最优化的方案设计出一套可以同时实现集中管理和分散管理的自控系统。比如著名的BACTalk楼宇管理系统，它是一种基于BMS的自控系统，可以将消防系统、保安系统、照明系统、电梯等集中在一个平台上进行控制，并且具有先进的现场控制器以及和其他系统设备的开放性接口。根据现代高层大楼的特点，设计一下需要主要监控的子系统：电梯系统、中央空调系统、照明共点系统、给排水系统等。

楼宇自动化控制网络系统设计的原则和依据

在设计一个楼宇自动系统时，必须遵循以下的原则。首先是可靠性。可靠性是检验一个自控系统是否合格的第一标准，优先采用分布式的控制系统，将自动控制的任务交给很多现场处理器完成，这样可以避免因为单独的处理器出现故障而影响整个系统健康运行的情况。可靠性的另一个表现就是系统数据采集和记录的准确性，不能误报，也不能有故障而不报，所以对于系统硬件和软件的要求极为严格。其次是灵活扩展性。楼宇自动系统和其他的网络系统一样，都会伴随着科学技术的发展而进行进化和升级。我们在建立了初始系统之后，应该考虑到伴随着科学信息技术的发展，原始系统势必要进行优化和升级，所以这对系统的可扩展性提出了一个新的要求。当然灵活性也很重要，主要表现在现场控制器的增减不能影响整个系统的性能，系统的组成和功能应用都必须具备灵活性，便于随着外界环境的改变而改变系统。第三是实用性。设计的系统总归是要应用的，这要求设计人员从高深的科学信息技术中提取出便于应用的普通知识，系统可以根据楼宇的多功能性实现不同需求的给予和完成。是否方便快捷是实用性是否合格的另一个标志。管理方式是否合理简约是检验一个系统是否成熟的重要标志，一个好的楼宇控制系统可以实现楼宇各子系统资料内容的完美综合，并且统一呈现在中央层，减小了管理难度。最后是经济性。我们要求系统的设计采取最为精准和尖端的技术，但是也要考虑到实际需求高度。采用现场处理器应该可以满足相当长时间之内的系统运转，所以要合理规划，切不可盲目投资。

楼宇自动化控制系统的设计首先要以相应的电气图纸和标准规范作为基础，然后需要满足国家及其他国际标准。比如建设设计防火系统、照明设计标准、电梯设计标准、空调安装及采风设计标准、工民建供电系统设计标准等等，对于需要设计的每一个子系统都应该按照国家相应的规范指导系统设计。

系统功能设计

设计的系统方案以以太网技术为基础，以此来实现各总线的集成。包含网络层、控制层和设备层三层结构。其中设备层网络技术依托CAN总线和Lonworks等，用以太网技术来实现管理层和控制层之间的通信。

依据前文所述，现场总线控制系统(FCS)更加开放、集散，同时便于维护、成本低，所以更加适合楼宇自动化控制系统的设计，辅以以太网技术，实现楼宇自动化控制。详细设计图见图1。

图1 以太网构成的楼宇自动化控制系统简图

自控系统的网络结构

设计的系统主要包括管理层、控制层和设备层。现场控制器之间的点对点通信构成的智能监控区域层就是控制层，CAN总线、Lonworks总线上都布设有监控节点;管理层则包括中央主控机和分系统的计算机系统，以太网技术构建管理层，管理层中的操作站可以控制中央计算机，对各子系统进行集成统一指令管理，并对系统中所有的数据进行分析和处理;设备层就是楼宇内的各机电设备，在控制层的管理下按照预设程序运转。

自控系统集成技术

OPC技术可以标准化控制层和管理层之间的设备数据信息交换，并且加快数据传输速度和可靠性，同时降低成本。在楼宇自动系统中选择OPC，需要根据不同的子系统以及需要实现的功能来开发相应的OPC服务器，完成设备层的独立数据采集。

一个完整的OPC服务器包括标准接口和用于通讯的接口两部分。利用对两个接口进行开发，也就实现了OPC服务器的开发。标准接口的开发因为数据库而变得简单，用于通讯的接口开发需要特定的通信协议和数据采集模式来编写特定的动态链接库。以此来构建的OPC服务器结构如图2。

图2 OPC服务器总体结构简图

通过该结构调用API函数，记录、注销服务器数据信息，并且按照特定的接口模块，读写交换数据，随即封装读写的信息来满足客户端的需求。该设计的关键是函数的调用来建立动态链接库，通过的DLL调用来构建API函数原型。常用的通信协议一般为TCP/IP协议，通过通信接口来读写封装的信息可以实现计算机端和客户端的数据共同访问，操作者在进行数据管理控制的时候不需要到每一个硬件设备中进行采集，只需要查看子系统相应的OPC服务器就可以实现数据的自主收集。有了这些数据也就有了自控各子系统的基础资料，通过一定的分析和处理，就可以实现子系统运行数据和运行状态的统一呈现，极大方便了后续的自动化控制管理。这就是一个完整的楼宇自动控制过程。

4 结论

智能建筑正在成为未来建筑的发展方向，实现楼宇设备系统的集中有序管理是实现社会节能理念和劳动力节约的关键环节。科学信息技术的发展为设计一个可靠实时成本低的楼宇自动控制系统提供了可能。利用现场总线控制系统、以太网技术可以实现系统设计，本着可靠灵活使用的目标，以以太网技术为基础，集成CAN和Lonworks总线技术，利用OPC技术创设服务器，可以快速且准确的实现诸如消防、照明、电梯、空调、温度、供电等系统的信息数据集成，同时也可以集散控制楼宇中的子系统，实时监控设备运行状态，及时调整故障，减少人员管理成本，保证楼宇健康安全高效运行。在建筑面积越来越大、高度越来越高的现代社会，自动化控制网络系统必定可以大大完善楼宇内部功能，提供安全舒适的生活工作环境。

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