基于ODMA、L-PLC和以太網(wǎng)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振朝，王 亮，田曉燕，龐 姣，黃永平

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002）

智能建筑由樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）、通信自動(dòng)化系統(tǒng)（CAS）及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OAS）三部分組成，通常被稱為3A。其中，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是對建筑物內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)以及電梯等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理的控制系統(tǒng)。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)集散式控制、數(shù)據(jù)共享的控制網(wǎng)絡(luò)[1]。同時(shí)，它作為一種民用普及技術(shù)，要求成本低、可靠性高，在技術(shù)規(guī)格上具有兼容性。

目前用于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組網(wǎng)方法有現(xiàn)場總線、電力線、以太網(wǎng)、無線自組網(wǎng)、WiFi等技術(shù)。本技術(shù)方案充分利用樓宇內(nèi)已有的用電線路和以太網(wǎng)，采用ODMA、L-PLC和以太網(wǎng)技術(shù)對樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)。本文以樓宇溫度采集為例，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)合軟件編程，從而實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的功能。

1 系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)介紹

ODMA（Opportunity Driven Multiple Access）即機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)多址接入是一種無線自組網(wǎng)技術(shù)，3GPP工作組把ODMA定義為一種ad hoc多跳中繼協(xié)議[2-3]。ODMA物理層采用IEEE802.11g協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率為0～54 Mbit/s。調(diào)制方式是OFDM（正交頻分復(fù)用），工作頻段為2.4～2.483 5 GHz，其有13個(gè)工作子信道。鑒于ODMA技術(shù)傳輸速率高、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，本方案利用ODMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同樓層組網(wǎng)。然而，由于ODMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線多跳通信，跳數(shù)越多，信號(hào)衰減越大，延時(shí)越大，同時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度并降低通信質(zhì)量，因此本系統(tǒng)在同樓層建立多個(gè)ODMA子網(wǎng)，各子網(wǎng)工作信道不同。管理PC機(jī)采用分時(shí)機(jī)制，通過改變Dongle（ODMA設(shè)備）工作信道來控制各子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于其隔樓層通信信號(hào)衰減快，通信不穩(wěn)定，該方案采用L-PLC技術(shù)和以太網(wǎng)進(jìn)行不同樓層之間網(wǎng)絡(luò)的組建。

低壓電力線載波通信（Lower Voltage Power Line Communication，L-PLC）是一種以低壓電力線為傳輸媒介，利用載波方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)[4]。本方案采用L-PLC技術(shù)，即以樓宇內(nèi)現(xiàn)有的低壓交流供電線路為傳輸媒介，對不同樓層間的ODMA節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。

以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，于1980年由DEC，Intel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)以價(jià)格低、可靠性高、可擴(kuò)展性好、易于管理等特點(diǎn)成為應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，采用CSMA/CD控制訪問法。L-PLC通信環(huán)境惡劣，信道傳輸特性隨地點(diǎn)、時(shí)間變化劇烈且存在大量強(qiáng)脈沖寬帶噪聲和多徑干擾，是一種很差的通信媒介，因此利用L-PLC通信對組網(wǎng)技術(shù)有特定的要求[5]。本方案中，不同樓層間組網(wǎng)結(jié)合L-PLC技術(shù)和樓宇內(nèi)已有的以太網(wǎng)，進(jìn)一步保證通信的可靠性。

2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)由上位數(shù)據(jù)管理PC機(jī)、ODMA設(shè)備、L-PLC設(shè)備、以太網(wǎng)和若干個(gè)智能節(jié)點(diǎn)組成。方案利用ODMA技術(shù)、L-PLC和以太網(wǎng)把各節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)分布式智能控制系統(tǒng)，如圖1所示。ODMA設(shè)備采用臺(tái)灣Iwics公司的P212B，Dongle（Dongle是一種ODMA無線網(wǎng)卡，IP地址可設(shè)置，用于將PC機(jī)接入ODMA網(wǎng)絡(luò)，通過自帶USB口與PC相連）；L-PLC設(shè)備使用臺(tái)灣Billion公司的SG2095；智能節(jié)點(diǎn)選用Wiznet公司的W7100A網(wǎng)絡(luò)微處理器芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，PC機(jī)通過Dongle接入ODMA網(wǎng)絡(luò)，從而對整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中控制管理。

圖1 分布式智能控制系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本文以樓宇溫度采集為例，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括溫度傳感器、W7100A控制模塊、ODMA接入模塊。

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，它是一種單總線設(shè)備，共有3個(gè)管腳（接地，數(shù)據(jù)輸入輸出，接+5 V電源）。在本節(jié)點(diǎn)中，DS18B20的數(shù)據(jù)輸入輸出管腳可以直接與W7100A芯片的P0～P3中的任意管腳連接，本設(shè)計(jì)選用P0_7。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

W7100A控制模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊電路以W7100A芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，W7100A是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)微處理器，它包含一個(gè)8051兼容的MCU內(nèi)核、64 kbyte的SRAM、高性能的硬件TCP/IP協(xié)議棧[6]。在系統(tǒng)中，MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能，即控制溫度傳感器采集數(shù)據(jù)并與TCP/IP內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。TCP/IP內(nèi)核完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽词瞻l(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及與MCU交換數(shù)據(jù)。

種子（P212B）是ODMA接入模塊的核心設(shè)備，種子具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，通過交叉網(wǎng)線與控制電路RJ-45接口相連。嵌入固定的IP地址，有13個(gè)工作子信道可選，傳輸速率為0～3.5 Mbyte/s。種子具有無線中繼的功能，可通過增加種子的數(shù)量來擴(kuò)大ODMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。同時(shí)種子也可以作為無線接入點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入ODMA網(wǎng)絡(luò)[7]。

在系統(tǒng)中，溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)并通過單總線把數(shù)據(jù)傳給W7100A控制模塊，W7100A控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過網(wǎng)線將其傳給種子，最后數(shù)據(jù)通過種子被傳到ODMA網(wǎng)絡(luò)中。

2.2 智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括W7100A初始化、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集。該部分的軟件編程采用單片機(jī)編程，在Keil環(huán)境下完成。

W7100A初始化分3個(gè)步驟：設(shè)置8051MCU，網(wǎng)絡(luò)信息和內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)器。

8051MCU設(shè)置包括開中斷、定時(shí)器設(shè)置、存儲(chǔ)器訪問時(shí)間設(shè)置和將全部I/O置高電平等。定時(shí)器模式設(shè)置如下：

網(wǎng)絡(luò)信息主要包括智能節(jié)點(diǎn)和目的主機(jī)的IP地址、端口號(hào)、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)對應(yīng)唯一的IP地址。由于W7100A芯片嵌入了硬件的TCP/IP協(xié)議棧，不需要編寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需調(diào)用相應(yīng)的寄存器就可完成網(wǎng)絡(luò)信息的設(shè)置。內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)器大小采用默認(rèn)設(shè)置，即2 kbyte。

數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、將智能節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到目的主機(jī)的功能。本系統(tǒng)采用UDP的通信模式，UDP是一種不面向連接的、不可靠的通信協(xié)議，但是它傳輸速度快、傳輸實(shí)時(shí)性高。通過設(shè)置標(biāo)記符可有效解決其傳輸不可靠的問題。接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)首先存入TCP/IP內(nèi)核的RX存儲(chǔ)器中，然后調(diào)用wizmemcpy函數(shù)將數(shù)據(jù)存入到外部存儲(chǔ)器中，wizmemcpy函數(shù)用于快速處理數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在TX/RX和MCU內(nèi)核之間的傳送。MCU內(nèi)核接收命令采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給TCP/IP內(nèi)核的TX存儲(chǔ)器，TCP/IP內(nèi)核再將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到目的主機(jī)。函數(shù)類型如下：

void wizmemcpy（unsigned long fsrc，unsigned long fdst，unsigned int len）；

數(shù)據(jù)采集功能由DS18B20完成，工作時(shí)鐘采用12 MHz，溫度采集程序流程圖如圖3所示。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)提供9位（二進(jìn)制）溫度讀數(shù)，經(jīng)過單總線接口與主機(jī)CPU進(jìn)行信息交換。每一個(gè)DS18B20的應(yīng)用程序首先要初始化，然后主機(jī)CPU進(jìn)行設(shè)備搜索，記錄每個(gè)DS18B20的序列號(hào)。如果總線上有多個(gè)DS18B20，主機(jī)CPU需要每次使用序列號(hào)識(shí)別設(shè)備。在該智能節(jié)點(diǎn)中，DS18B20的初始化是通過W7100A芯片的MCU內(nèi)核發(fā)布復(fù)位命令實(shí)現(xiàn)的。由于該節(jié)點(diǎn)中只有一個(gè)溫度傳感器，因此不需要序列號(hào)的識(shí)別而直接發(fā)送轉(zhuǎn)換命令。

圖3 溫度采集程序流程圖

2.3 PC控制端軟件設(shè)計(jì)

PC控制端的軟件采用Windows套接字（Socket），UDP工作模式，在VC++環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)。套接字最早是由美國伯克利大學(xué)推出的，是一種用于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的非常有效快捷的工具[8]。

PC控制端應(yīng)用程序使用套接字完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。該程序通過套接字與網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序連接，首先在應(yīng)用程序中創(chuàng)建套接字。然后通過綁定本機(jī)IP地址和端口號(hào)與驅(qū)動(dòng)程序建立聯(lián)系。應(yīng)用程序把數(shù)據(jù)送給套接字，由套接字交給驅(qū)動(dòng)程序并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。同理，計(jì)算機(jī)從網(wǎng)絡(luò)上收到與套接字綁定的IP地址和端口號(hào)的數(shù)據(jù)后，由驅(qū)動(dòng)程序交給套接字，應(yīng)用程序便可從該套接字中接收數(shù)據(jù)。最后實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能并關(guān)閉套接字。

首先PC控制端發(fā)給智能節(jié)點(diǎn)一個(gè)命令標(biāo)記符（本程序中命令標(biāo)記符為“0”），然后智能節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)為“0”，則判斷是來自PC控制端的命令，采集數(shù)據(jù)并傳給PC控制端；如果不為“0”，則繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。

3 Dongle工作信道自動(dòng)匹配軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)通過Dongle接入ODMA網(wǎng)絡(luò)，控制智能節(jié)點(diǎn)采集溫度參數(shù)。Dongle有13個(gè)工作子信道，只有保證其工作信道與ODMA網(wǎng)絡(luò)在同一通信信道中，才能實(shí)現(xiàn)PC端的控制功能。在系統(tǒng)中，同樓層有多個(gè)ODMA子網(wǎng)（工作信道不同），PC控制端采用分時(shí)機(jī)制，通過改變Dongle（ODMA設(shè)備）工作信道來控制各子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)。一般通過人工配置工作信道，配置工作繁瑣。本文設(shè)計(jì)了Dongle信道自動(dòng)匹配的程序，該程序通過自動(dòng)搜索ODMA子網(wǎng)的工作信道并與之匹配，信道匹配靈活且大大減少了工作量，程序流程如圖4所示。

圖4 信道匹配程序流程圖

該程序通過MFC中的注冊表相關(guān)庫函數(shù)和基于ICMP協(xié)議的套接字編程實(shí)現(xiàn)。 首先，調(diào)用的Registry Functions函數(shù)查詢本機(jī)的IP地址，Dongle工作子信道。用到的函數(shù)有：RegOpenKeyEx（），RegQueryValueEx（），RegSetValueEx（）等。然后，執(zhí)行Ping指令過程。

創(chuàng)建原始套接字，可通過以下語句實(shí)現(xiàn)：

socket（AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_ICMP）；

設(shè)置目的套接字地址，初始化ICMP報(bào)頭，向目的地址循環(huán)發(fā)送32個(gè)ICMP數(shù)據(jù)包（sendto），并等待接收目的端返回的報(bào)文（recvfrom）。如果收到目的端返回的報(bào)文，則說明Dongle與ODMA網(wǎng)絡(luò)已連通，該Dongle的工作信道即為ODMA網(wǎng)絡(luò)的信道。如果Ping不同，則修改注冊表中Dongle的工作子信道（信道依次遞增），繼續(xù)執(zhí)行Ping指令，直到Ping通為止，最終確定ODMA網(wǎng)絡(luò)的工作信道。

4 組網(wǎng)與測試

測試地點(diǎn)選在河北大學(xué)電信學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓的103，237，239和337室，按圖1進(jìn)行組網(wǎng)，使用PC端控制軟件和Dongle信道匹配軟件對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

在測試中，同一樓層組建2個(gè)ODMA子網(wǎng)，不同樓層間的2個(gè)ODMA子網(wǎng)分別通過L-PLC和以太網(wǎng)連接。選定9：00～9：30，15：00～15：30和21：00～21：30這3個(gè)時(shí)間段（各時(shí)間段室內(nèi)溫度依次為：15℃，22℃，10℃），分別進(jìn)行100次測試，通信成功率達(dá)到100%，溫度采集誤差為0.5℃（由于系統(tǒng)針對樓宇進(jìn)行溫度采集，對溫度精度要求不高，故采集的溫度只保留整數(shù)位，小數(shù)點(diǎn)后四舍五入），傳輸延時(shí)約為50 ms。15：00～15：30時(shí)間段采集到的溫度數(shù)據(jù)在管理PC機(jī)端上的顯示如圖5所示，“0”為命令標(biāo)記符，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)1次連續(xù)采集5個(gè)溫度值（22℃）傳給PC控制端。結(jié)果表明該系統(tǒng)可以完成既定的控制任務(wù)。

圖5 控制端應(yīng)用軟件溫度采集（截圖）

5 小結(jié)

本文提出一種基于ODMA、低壓電力線和以太網(wǎng)技術(shù)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案成本低、網(wǎng)絡(luò)易擴(kuò)展、無須重新布線，且數(shù)據(jù)傳輸可靠性高。利用W7100A芯片設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信的智能節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)能夠采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)Dongle工作信道與所接入的ODMA網(wǎng)絡(luò)信道自動(dòng)匹配的功能。經(jīng)過對系統(tǒng)進(jìn)行測試，證明該技術(shù)方案可行，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1] 王振朝，馬金龍，薛文玲，等.基于LonWorks和L-PLC的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2009（6）：22-26.

[2] CHENG R G，CHENG S M，LIN P.Power-efficient routing mechanism for ODMA systems[J].IEEE Trans.Vehicular Technology，2006，55（4）：1131-1139.

[3] Opportunity driven multiple access[EB/OL].[2012-10-25].http://en.wikipedia.org/wiki/Opportunity_Driven_Multiple_Access.

[4] 王振朝，侯慧然，甘玉濤.基于混沌理論的低壓電力線通信信道建模研究[J].電測與儀表，2007（8）：20-24.

[5] 王振朝，張俊林，師潔.低壓PLC信道特性研究與新型調(diào)制解調(diào)算法探討[J].電測與儀表，2006（6）：5-8.

[6] 成都浩然電子有限公司.W7100A數(shù)據(jù)手冊（中文版）[EB/OL].[2012-10-16].http：//www.hschip.com/down.

[7] PARROT 212B Datasheet[EB/OL].[2012-10-18].http：//www.iwics.com/Technology/PARROTS/P212B.shtml.

[8] 孫鑫，于安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：529-530.