基于LonWorks技術的智能建筑樓宇自動化系統的研究

馬占敖

（吉林建筑工程學院，長春 130021）

0 引言

智能建筑是科學技術快速發展和人類社會不斷進步的產物，它在信息化社會中發揮了巨大的作用，使人們的生產、生活環境和生產方式發生了翻天覆地的變化。所謂智能建筑[1]是以建筑為平臺，兼備建筑設備、辦公自動化及通信網絡系統，集結構、系統、服務、管理及它們之間的最優化組合，向人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環境。

LonWorks現場總線[2]技術作為最早應用于建筑物設備自動化系統中的總線技術之一，其顯著的開放性、可靠性和靈活性，使其無論在工業網絡控制，還是在智能樓宇和家庭智能化方面均有著得天獨厚的優勢。因此，對基于LonWorks現場總線的樓宇自動化系統的研究在學術研究方面和實際工程建設中都具有很強的現實意義。

1 LonWorks總線技術

1.1 LonWorks技術概述

LonWorks由美國Echelon公司推出的一種全面的測控網絡技術。因為，LonWorks網絡控制技術在控制系統中引入了網絡的概念，在該技術的基礎上，可以方便的實現分布式的網絡控制系統。并使得系統更高效、更靈活、更易于維護和擴展。所以，使得LonWorks無論在工業網絡控制還是在智能建筑方面都得到了廣泛的應用。

1.2 Neuron芯片

Lonworks技術的核心是Neuron芯片，Neuron芯片由3個8位微處理器、隨機存儲RAM、只讀存儲ROM以及通信和I/O接口組成。ROM中駐存一個操作系統、LonTalk協議和I/O函數庫；RAM用于存儲從網絡上下載的配置數據和應用程序。LonTalk通信協議，可以確保節點間使用可靠的通信標準進行互操作。Neuron芯片也可直接與它所監視的傳感器和控制設備連接，來傳輸傳感器或控制設備的狀態，從而執行控制算法來實現和其它的Neuron芯片進行數據交換等。

1.3 LonTalk協議

LonWorks協議稱為LonTalk協議和ANSI/EIA709.1控制網絡標準，是LonWorks系統的核心。LonTalk[3]協議遵循由國際標準化組織(ISO)定義的開放系統互連(OSI)模型。為了確保滿足控制網的可靠和魯棒的通信標準，LonTalk協議為控制應用提供了一個高可靠、高性能、高抗干擾性的通信機制。

1.4 LonWorks控制網絡結構

LonWorks控制網絡結構主要包括五個部分：網絡協議(LonTalk)、網絡傳輸介質、網絡設備、執行機構和管理軟件。其中，網絡設備包括智能測控單元、路由器、網關等；執行機構包括傳感器、執行器等；管理軟件包括LonTalk開放式通信協議，并為設備之間交換控制狀態信息建立了一個通用的標準。

2 樓宇自動化系統

樓宇自動化系統又稱建筑設備自動化系統，它實質上是一套采用計算機、網絡通訊和自動控制技術，對建筑物中的設備進行自動化監控管理的中央監控系統。該系統通過對建筑物內的各種設備實行綜合自動化管理以達到舒適、安全、可靠、經濟和節能的目的，為用戶提供良好的工作和生活環境，并使系統中的各個設備經常處于最佳運行狀態，從而保證系統運行的經濟性和管理的智能化。通常，一個典型的樓宇自動化系統[4]通常包括供配電、給排水、暖通空調、照明、電梯、消防、安全防范、車庫管理等子系統。

3 基于LonWorks的樓宇空調控制系統設計

基于LonWorks的樓宇空調控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 基于LonWorks的樓宇空調控制系統結構

3.1 空調控制系統原理

空調系統的工作原理：空氣調節是指把經過一定處理之后的空氣，以一定方式送入室內，將室內空氣的溫度、濕度、流動速度和潔凈度等控制在一定范圍內。空氣調節的形式有集中式空調系統(又稱中央空調)、獨立式空調系統和混合式空調系統。集中式空調系統因為具有節能、衛生、噪音小、使用方便等優點，因此已被廣泛采用。集中式空調系統通常采用一部分回風與新鮮空氣相混合的方法，該方法既保證了室內空氣新鮮，又利用了回風的能量，提高了設備運行的經濟性。集中式空調系統一般含有進風、回風、空氣過濾、空氣加濕處理、空氣輸送等部分。

3.2 空調控制系統硬件設計

以某一居民小區為例，我們選用北京工業大學和北京自動化成套工程公司開發的LonBAC-3000控制系統構建空調控制系統[5]。LonBAC-3000系統是以LonWorks技術為基礎，以神經元芯片為核心，專用于空調機組控制的現場總線系統。其結構如圖2所示。

圖2 LonBAC-3000基本結構圖

其工作原理：溫、濕度控制器測得溫度和濕度后，通過運算獲得閥門的調節輸出。該輸出通過LonWorks網絡[6]送到智能閥，產生相應的閥門開度。智能閥的數量與空調系統結構有關。開關量控制器則用于啟、停機組，監測空調狀態及產生報警等。

該空調控制系統主要由PC機構成的操作與監控部分、LonWorks網絡系統，智能閥門、溫、濕度控制器和開關量控制器組成。

1）智能閥門。智能閥門直接連接在LonWorks網絡上，直接通過LonWorks總線接收閥門開度命令，該命令以網絡變量形式出現。智能閥門硬件的選擇：（1）智能閥門要求的運算量以及存儲容量少，因此選用3120芯片。（2）使用FTT-10A自由拓撲收發器。（3）電源部分使用LM2575芯片，濾波后能夠得到比較穩定的+5V電壓。（4）串行A/D采用TLCL549芯片(10位)，能夠滿足閥位開度控制的精度要求。（5）繼電器為JGX-IF型固態繼電器，驅動能力大，使用壽命長。

2）溫、濕度控制器。溫、濕度控制器在系統中作為主控制器使用。其中有8路模擬信號輸入，可與溫度變送器或其它儀表相連接，也可利用3路熱敏電阻或熱電阻輸入直接測量溫度，另外還有2路報警信號輸出。溫、濕度控制器硬件選擇：（1）溫、濕度控制器作為控制的主控制器，要求有較大的存儲空間和處理能力，因此采用3150CPU模塊。（2）電源部分使用MAX726芯片，濾波后能夠得到穩定的+5V電壓。（3）HD7279是一片具有串行接口、可驅動8位共陰式數碼管，還可以連接64鍵的智能顯示驅動芯片。（4）A/D芯片采用TLC2543，為11路模擬信道逐次逼近型12位串行AD，精度高，響應時間短，接線簡單。（5）個按鍵，可進行手/自動切換和參數的直接修改。（6）繼電器使用JGC-3FA，體積小，驅動能力大(可直接驅動380V交流設備)，使用壽命長。

3）開關量控制器。開關量控制器主要用于啟、停空調機組，檢測空調狀態及產生報警。開關量控制器硬件選擇：（1）同溫、濕度控制器一樣，選用了相同的CPU模板。（2）電源部分使用MAX727芯片，濾波后能夠得到穩定的+5V電壓。（3）繼電器使用JGC-3FA,體積小，驅動能力大(可直接驅動380V交流設備)，使用壽命長。

4 空調控制系統軟件實現

軟件實現包括三方面：系統底層驅動程序設計、駐留在PC機內的通信程序設計和PC機組態管理軟件的設計。

1）系統底層驅動程序。智能閥門控制程序實際上為一簡單的閉環控制程序，即將讀入的閥位值與給定值比較，根據比較結果，正反電機動作，使閥門定位在給定的正負誤差范圍內。

溫、濕度控制器實現的功能主要有模擬量的采集、處理與顯示；能夠實現參數修改、運算及以網絡變量形式輸出運算結果到其它控制器或智能閥；根據設置條件進行報警處理；為上位機的組態提供豐富的功能等。

開關量控制器的程序主要包括：現場開關信號的讀入與顯示；根據設定條件進行相應的開關量輸出；開關量輸出的手/自動切換等。

2）PC機內的通信程序。LonWorks技術提供了 DDESever， DDEServer能夠實現LonWorks網絡和任何具有DDE功能的windows應用程序間交換網絡變量和信息。高級語言VC++具有DDE設計功能，可以在PC監視節點中利用VC++的DDE功能實LonWorks網絡的 DDEServer連接，從而完成數據動態交換。

3）PC機組態軟件。PC機組態軟件將為用戶提供一個工程師級編輯、編譯軟件模塊和一個操作員實時操作軟件模塊。組態程序編輯器為一個圖形方式界面的編輯工具，用戶可以使用該工具隨意構造出各種控制方式，然后編譯軟件模塊將其變為特定方式的數據表(程序鏈)送到控制器中。操作軟件模塊則為用戶提供了豐富的顯示畫面和操作功能，內容包括文件操作、編輯處理、窗口設置、常用工具、在線幫助等。

4）系統仿真。我們對該小區樓宇自動化系統中的空調控制系統進行仿真分析，我們運行Visual Basic6.0軟件，在Windows環境下進行仿真分析。從空調流程監控畫面中可以了解空調機的當前詳細的工作狀態信息，包括空調機的工作狀態、測點溫濕度、電動調節閥的狀態、電機的運行參數、過濾器的狀態等重要運行參數。操作人員可以通過這些參數了解空調機的工況，并及時發現可能存在的故障。空調控制系統監控界面如圖3所示。

圖3 空調控制系統監控界面

5 結論

LonWorks技術的發展不僅符合國際發展潮流，適合我國國情，而且為智能建筑的系統一體化集成提供了強有力的技術平臺。所有這些都表明，LonWorks技術[7]在智能建筑樓宇自動化等領域有著廣泛的應用前景，而基于LonWorks技術的智能建筑樓宇自動化系統將是今后智能建筑控制系統的重要發展方向為了適應未來智能建筑的發展要求，對LonWorks技術以及對樓宇自動化系統進行深入研究，對我國的智能建筑發展具有一定的指導意義。

[1] 張瑞武.智能建筑的系統集成及工程實施[M].北京:清華大學出版社,2000.

[2] 鄒益仁,馬增良.現場總線控制系統的設計和開發[M].北京:國防工業出版社,2003.

[3] 馬莉.智能控制與Lon網絡開發技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 卞玉剛,周齊國.總線控制技術及其在樓宇自控系統中的應用[J].建筑電氣,2003,(5):34-36.

[5] 賀智修.我國對LonWorks技術的開發應用現狀[J].城市建筑智能系統,2002(10).

[6] 謝凌廣.LonWorks技術在樓宇自動化領域的應用[J].微計算機信息,2001(7):30-32.