基于局域網(wǎng)的校園節(jié)能控電系統(tǒng)

高強(qiáng) 郭娟 郝建

摘要：該系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性及設(shè)備端口、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園用電的遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制，降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約管理成本，促進(jìn)節(jié)能型校園的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：雙層網(wǎng)絡(luò)；控制；節(jié)能型校園隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各部門對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而能源價(jià)格也在不斷的上漲。但是用電的占據(jù)了很大一部分的電能消耗。尤其是照明時(shí)間較長(zhǎng)、照明場(chǎng)所較多的機(jī)構(gòu)，比如高等學(xué)校。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實(shí)施校園節(jié)能控電措施，這不僅可以節(jié)約能源，而且也會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種校園節(jié)能控電裝置，適用于教室、圖書館閱覽室等大面積室內(nèi)場(chǎng)所和室外廣場(chǎng)或道路的照明控制，可以有效地對(duì)照明燈具進(jìn)行節(jié)能控制。

通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架及其實(shí)現(xiàn)是校園節(jié)能控電系統(tǒng)的重要組成部分之一。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成功與否起著決定性的作用。合適的網(wǎng)絡(luò)不但能夠保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的高性能，還能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性及設(shè)備端口、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的擴(kuò)展性，同時(shí)還具有較優(yōu)的性能價(jià)格比。

1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定

總線形局域網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分散終端集中控制領(lǐng)域，并且日益發(fā)展成為一種成熟的應(yīng)用技術(shù)，被譽(yù)為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)[1]。在總線形拓?fù)渲校瑐鬏斀橘|(zhì)是一條總線，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有分布式網(wǎng)絡(luò)終端都可通過(guò)相應(yīng)的硬件接口接至總線上。因此安裝費(fèi)用低，擴(kuò)展和維護(hù)都很方便，某個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端的故障不會(huì)影響總線上的其它終端通信，可靠性高；只要正確解決對(duì)總線的介質(zhì)訪問(wèn)，所有網(wǎng)絡(luò)終端之間可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)延遲小，而且方便實(shí)現(xiàn)廣播通信。通過(guò)總線形網(wǎng)絡(luò)，分散的網(wǎng)絡(luò)終端可以很方便地共享控制信息，同時(shí)用戶還可以實(shí)時(shí)查詢分散網(wǎng)絡(luò)終端的運(yùn)行狀態(tài)，從而可以更好的對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案的選擇

智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由基于RS232C總線通訊、基于RS485總線通訊和基于CAN總線的通訊幾種方式。以下將分別介紹和比較RS232C、RS485及CAN總線在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

2.1 RS232C串行總線接口

RS232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(Electronic Industry Association)與BELL等公司一起于1962年制定并于1969年最后一次修訂而成的一種串行總線的物理接口標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了串行傳輸中，主控模板與從屬模塊間的連接電纜和機(jī)械特性、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程，兩端都必須遵循的共同約定。

RS232C的標(biāo)準(zhǔn)總線為25線，不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中RS232C的25條引線中有許多是很少使用的，在計(jì)算機(jī)與終端通訊中一般只使用3～9條引線。RS232C中常用的信號(hào)線只有9條。計(jì)算機(jī)一般使用的都是9芯插座異步通信的連接器[2]。RS232C標(biāo)準(zhǔn)功能如圖：

由上圖可見(jiàn)，RS232C標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)地。一個(gè)是保護(hù)地PG，它直接連到系統(tǒng)的屏蔽罩上，如果保護(hù)地連在一起是安全的場(chǎng)合，那么兩個(gè)設(shè)備的保護(hù)地才能連到一起。另一個(gè)是信號(hào)地GND，對(duì)所有其他信號(hào)提供一個(gè)公共參考點(diǎn)。由于信號(hào)地不一定與保護(hù)地絕緣，因此信號(hào)地必須連接起來(lái)，這是RS232C存在的一個(gè)固有潛在接地回路的問(wèn)題。此外，由于RS232C接口標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送器和接收器之間有公共信號(hào)地，不可能使用兩端信號(hào)，從而導(dǎo)致共模噪聲會(huì)固有的耦合到信號(hào)傳輸系統(tǒng)中。傳輸距離越長(zhǎng)，干擾就越嚴(yán)重。因此，為了可靠的傳輸信息，不得不增大電壓擺幅。可見(jiàn)，RS232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短距離通訊是很有用的，但對(duì)長(zhǎng)距離通訊不可靠，并會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。而且RS232C是數(shù)據(jù)設(shè)備以相對(duì)較慢的數(shù)據(jù)速率(20Kbs)在較短的距離內(nèi)(典型值為15m)進(jìn)行單端數(shù)據(jù)傳輸定制的。因此目前在智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中趨于淘汰。

2.2 RS485標(biāo)準(zhǔn)

在智能教室底層網(wǎng)絡(luò)中，為了減少系統(tǒng)由于布線帶來(lái)的成本，采用基于電力線載波布線，這樣信號(hào)和強(qiáng)電在同一根線上傳輸，傳輸過(guò)程中不可避免地存在強(qiáng)電場(chǎng)的干擾，信號(hào)的可靠性受到影響，而且隨著傳輸距離的增大，信號(hào)的衰減較快，我們已知RS232C總線存在可靠性、速率和傳輸距離等因素，所以一般不予采納RS232C總線。基于RS485的教室控制系統(tǒng)是較為理想的一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，良好的抗噪聲干擾性、長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)，它采用主從式的通信方式，任何時(shí)候只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以RS485采用的主從結(jié)構(gòu)命令型通信方式可以防止數(shù)據(jù)通訊故障，數(shù)據(jù)通信時(shí)必須由主節(jié)點(diǎn)接收到管理主機(jī)的命令，然后由主節(jié)點(diǎn)向各個(gè)從節(jié)點(diǎn)傳達(dá)命令，從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)依次送到主節(jié)點(diǎn)，最后再由主節(jié)點(diǎn)將各從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理主機(jī)。

但是，RS485只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性而沒(méi)有規(guī)定接插件傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議，使用時(shí)存在總線效率低、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差、通訊的可靠性低、后期維護(hù)成本高、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點(diǎn)少、應(yīng)用不靈活等缺點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)的容錯(cuò)沒(méi)有考慮，其容錯(cuò)和應(yīng)用層的協(xié)議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統(tǒng)通訊軟件的負(fù)擔(dān)。RS485總線多采用單主機(jī)的工作方式[3]，若令其工作在多主機(jī)方式，則其通訊的可靠性與通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷量成反比。特別是當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作在多種通訊模式下時(shí)，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量的增長(zhǎng)而成倍增長(zhǎng)，如果主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)會(huì)陷入癱瘓狀態(tài)。此外，RS485收發(fā)器件中收發(fā)緩沖區(qū)比較小，這也不利于由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期處于長(zhǎng)子串或連續(xù)的收發(fā)狀態(tài)。不過(guò)，由于RS485具有相當(dāng)高噪聲抑制、相對(duì)高的傳輸速率、傳輸距離較遠(yuǎn)和寬共模范圍的通信平臺(tái)，因此在小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛的應(yīng)用。

2.3 CAN總線

基于RS232C和RS485總線技術(shù)的缺陷，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成數(shù)字化、開(kāi)放式、多點(diǎn)通訊的底層網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)代教室智能化系統(tǒng)的一種趨勢(shì)。而面對(duì)種類繁多的現(xiàn)場(chǎng)總線，如何選擇一種技術(shù)先進(jìn)，有發(fā)展前途，將來(lái)不會(huì)被迅速淘汰，同時(shí)也能達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求并且價(jià)格適中的總線呢？經(jīng)過(guò)參閱大量國(guó)內(nèi)外資料，發(fā)現(xiàn)CAN總線擁有很多其他總線所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，我們最后決定采用CAN總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)樓層控制器與主控上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)模型。

CAN屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)[4]，由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線突出的優(yōu)越性主要表現(xiàn)為：CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不分主從，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)，可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)別低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而有效地避免了總線沖突，使信息和時(shí)間均無(wú)損失；CAN節(jié)點(diǎn)只需通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的平等式通信方式，即使主機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)其余部分仍然可運(yùn)行；CAN總線較為寬松的電氣特性，使靈活的配置多種介質(zhì)物理層成為可能，也使CAN總線在這方面的應(yīng)用范圍更加廣泛。此外，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)廉價(jià)，其單元節(jié)點(diǎn)百元的成本，以及其相對(duì)較低的技術(shù)層次和技術(shù)難度，決定了CAN總線必定會(huì)有廣大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。

2.4 CAN和RS485

針對(duì)它們各自的特點(diǎn)，我們采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898的CAN總線技術(shù)和目前自動(dòng)化裝置常用的RS485總線構(gòu)成雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地解決了系統(tǒng)的建設(shè)成本高、數(shù)據(jù)管理困難、可靠性不高以及擴(kuò)展性能差等問(wèn)題。

由于教室采集器的工作環(huán)境不算惡劣，所以本系統(tǒng)下層網(wǎng)絡(luò)采用RS485總線，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)布線要求不高的特點(diǎn)；而且RS485總線在9600bps下最遠(yuǎn)傳輸距離可以達(dá)到1200米，完全能夠完成一層教學(xué)樓中教室控制器與樓層控制器遠(yuǎn)程通訊的距離需求；再加上它們之間的通訊數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以RS485總線能夠可靠地完成下層數(shù)據(jù)采集的需要。上層網(wǎng)絡(luò)采用兼容性能好、可靠性能高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)的CAN總線。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低；有CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)標(biāo)定能力；而且具有故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)脫離CAN總線等功能，特別適合數(shù)據(jù)交換頻繁的樓層控制器與主控上位機(jī)之間的通信。經(jīng)過(guò)實(shí)際工作證明，本方案彌補(bǔ)了單獨(dú)的RS485網(wǎng)絡(luò)或CAN網(wǎng)絡(luò)各自的缺點(diǎn)，充分利用了兩者的性能優(yōu)勢(shì)。其中RS485網(wǎng)絡(luò)是完成教室控制器與樓層控制器之間的通訊，CAN網(wǎng)絡(luò)則完成樓層控制器與主控上位機(jī)之間大量的數(shù)據(jù)交換。為了降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，RS485與CAN皆采用價(jià)格低廉的雙絞線連接。

3結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園用電的遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制。本系統(tǒng)的運(yùn)用，避免了“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象，減少了人為浪費(fèi)，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約了管理成本，適合現(xiàn)代化校園的節(jié)能控電系統(tǒng)。

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