LonWorks技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

何麗莉

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

智能建筑是現(xiàn)代科技的產(chǎn)物，包含各種樓宇自控設(shè)備和不同功能的子系統(tǒng)。本著節(jié)能、減排、低碳的原則，世界各地的大廈管理部門都在環(huán)境質(zhì)量和管理水平等方面不斷找尋新的控制辦法。通過(guò)系統(tǒng)的集成，把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)地融合在一起。利用軟件平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控、對(duì)信息資源進(jìn)行有效管理以及對(duì)使用者服務(wù)的提升優(yōu)化，使整個(gè)系統(tǒng)處于高性能、高效率、低維護(hù)的工作狀態(tài)，為業(yè)主提供一個(gè)安全、舒適、高效、節(jié)能的環(huán)境[1]。

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS作為智能建筑非常重要的組成部分，集供配電、空調(diào)通風(fēng)、電梯、電力照明、給排水等系統(tǒng)為一體，擔(dān)負(fù)著對(duì)建筑物內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)和控制，保證所有設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

BAS是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，采用先進(jìn)的多層次、多用戶、多任務(wù)、可獨(dú)立工作的集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，來(lái)完成各種樓宇設(shè)備自控功能。整個(gè)系統(tǒng)中分散的控制單元的操作是高度自治的，并不依賴中央操作站。當(dāng)系統(tǒng)通信故障時(shí)，控制單元仍然能正常完成監(jiān)測(cè)和調(diào)控的功能，實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制，使建筑物的環(huán)境滿足業(yè)主所需的要求[2]。

1 LonWorks總線技術(shù)

1.1 LonWorks技術(shù)概述

LonWorks技術(shù)起源于二十世紀(jì)九十年代，是美國(guó)Echelon公司推出的一種新的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，是開(kāi)放系統(tǒng)的一種完整的解決方案[3]。LonWorks網(wǎng)絡(luò)由通信協(xié)議LonTalk、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器等組成[4]。LonTalk是Lon?Works網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，LON總線的網(wǎng)絡(luò)通信功能都通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 神經(jīng)元芯片Neuron

神經(jīng)元芯片Neuron是LonWorks技術(shù)的核心，在完成通信處理的同時(shí)，還具有數(shù)據(jù)采集與控制功能。Neuron芯片其實(shí)是一種嵌入式系統(tǒng)，它的優(yōu)越在于其完整性，芯片內(nèi)置通信協(xié)議和處理器免除了在這些方面的任何開(kāi)發(fā)和編程。Neuron芯片提供了ISO/OSI模型的前面六個(gè)協(xié)議層，只需要給定應(yīng)用層編程和配置，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)。

每一個(gè)Neuron芯片都被賦予了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的、永久保存的48位標(biāo)識(shí)碼，稱為Neuron ID。根據(jù)是否支持外部存儲(chǔ)器，分成64腳的3150和32腳的3120兩大類。該芯片集成度高，通過(guò)三個(gè)八位處理器，以及RAM、ROM、通信和輸入輸出設(shè)備，完成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的固化、用戶控制要求的程序?qū)崿F(xiàn)等功能。

1.3 智能節(jié)點(diǎn)

在Lonwork測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中，采用了具有分布控制和通信網(wǎng)絡(luò)功能的智能測(cè)控單元（節(jié)點(diǎn)），一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)包括CPU、I/O單元、通信處理、收發(fā)器和電源。以Neuron芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)包括Neuron芯片、傳感器、電源、控制設(shè)備和收發(fā)器等。網(wǎng)絡(luò)功能是芯片本身自帶的，它易于組成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，從而將測(cè)控和組網(wǎng)統(tǒng)一，融為一體。

Neuron智能節(jié)點(diǎn)分為兩類，第一類是基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)通信管腳與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，完成用戶程序。節(jié)點(diǎn)中不再出現(xiàn)其他處理器，通常適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；還有一類是基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用管腳與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，還有其他的處理器完成用戶程序，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的復(fù)雜控制系統(tǒng)[5]。

1.4 LonTalk協(xié)議

LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議LonTalk面向?qū)ο?，支持ISO/OSI模型的全部七層標(biāo)準(zhǔn)。在該協(xié)議下，以往的“孤島”可以形成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。不同的設(shè)備間控制信息狀態(tài)交換，需要一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，而LonTalk協(xié)議正是提供了這樣一個(gè)信息平臺(tái)，它可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信，通信方式面向?qū)ο?，是一套安全、完整、有效的系統(tǒng)[6]。

LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址包含域 （Domain）、子網(wǎng)(Subnet)和節(jié)點(diǎn)(Node)三層結(jié)構(gòu)。其中域是第一層，它保證了各個(gè)域獨(dú)立通信，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。子網(wǎng)是第二層，通常一個(gè)域中的所有節(jié)點(diǎn)分配在相同的子網(wǎng)中，每個(gè)域可以有255個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)間的連接可由路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)是第三層，每個(gè)子網(wǎng)最多可接127個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以一個(gè)域最多可以有32 385個(gè)節(jié)點(diǎn)。

綜合LonWorks總線的軟硬件技術(shù)，恰好能解決樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)控制點(diǎn)較分散、控制器要求安裝方便、可互操作性要求較高、集成周期較短等要求，為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的集成提供了一個(gè)徹底的解決方案。

2 LonWorks技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著智能樓宇自控系統(tǒng)不斷取得新的成績(jī)，被人們逐漸地接受并重視，開(kāi)始大力推進(jìn)對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和宣傳。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)信息管理層和控制層實(shí)現(xiàn)底層建筑物現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備和能源的自動(dòng)化、智能化監(jiān)控管理模式。它以建筑物內(nèi)各子系統(tǒng)為核心環(huán)節(jié)，集中管理，分散控制，使各子系統(tǒng)設(shè)備始終能以有條不紊、協(xié)同一致、高效節(jié)能的狀態(tài)運(yùn)行[7]。

一個(gè)典型的BAS主要由供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和物管系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成[8]。各子系統(tǒng)均處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，保證工作環(huán)境的安全性、高效性和舒適性。圖1是基于LonWorks總線技術(shù)的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖。

根據(jù)我國(guó)《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，BAS包括兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)是設(shè)備運(yùn)行管理與監(jiān)控系統(tǒng)，另一個(gè)是消防與安全防范系統(tǒng)。一般情況下BAS要統(tǒng)一考慮這兩個(gè)子系統(tǒng)，即便是分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置，也必須構(gòu)建兩個(gè)子系統(tǒng)間的通信與聯(lián)系，保證有緊急情況出現(xiàn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)控制，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)或聯(lián)動(dòng)，并能夠按照約定轉(zhuǎn)移操作權(quán)，以便各個(gè)子系統(tǒng)能有機(jī)地集成在一起，共同構(gòu)成建筑物的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

圖1 樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

3 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的集成

隨著智能建筑的規(guī)模越來(lái)越大，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)模都在持續(xù)增加。針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行信息的統(tǒng)一管理，確保信息交換順暢，使其能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同運(yùn)行，已成為智能樓宇自動(dòng)化發(fā)展的主要方向。

BAS集成的目標(biāo)主要如下。

（1）集成各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、控制和管理的信息，將目前由不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的各類樓宇控制設(shè)備子系統(tǒng)，由網(wǎng)絡(luò)集成在一起，如圖2所示。通過(guò)樓宇網(wǎng)絡(luò)中心能夠?qū)@些控制設(shè)備子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)、控制和管理，同時(shí)要求有一個(gè)操作方便、合理適用的軟件平臺(tái)，來(lái)展示智能樓宇中管理者應(yīng)該獲取的各種信息。

（2）建立各設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，使各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地集成在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理與協(xié)調(diào)。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)集成后，各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)或聯(lián)動(dòng)，相互協(xié)調(diào)，具有互操作性。例如：當(dāng)消防系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警時(shí)，智能控制中心首先要對(duì)接收到的火災(zāi)報(bào)警進(jìn)行核實(shí)，如果是“虛”報(bào)警，則撤銷報(bào)警。若確實(shí)發(fā)生火災(zāi)，則要同時(shí)控制照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)和空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的通風(fēng)設(shè)備，轉(zhuǎn)入火災(zāi)運(yùn)行模式，使得消防自動(dòng)控制得到有效的應(yīng)用，保證安全[7]。各個(gè)子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了跨系統(tǒng)控制，大大提高了樓宇的智能水平。集成后的系統(tǒng)，在系統(tǒng)的安全性、快速性方面有了較大的改善、提升了樓宇管理的品質(zhì)和水平。

圖2 LonWorks技術(shù)集成的BAS結(jié)構(gòu)圖

（3）開(kāi)放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了信息資源的共享。樓宇網(wǎng)絡(luò)中心可以建立一個(gè)采集和轉(zhuǎn)換各子系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、數(shù)據(jù)信息的軟件平臺(tái)。在這個(gè)統(tǒng)一開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以及時(shí)溝通信息，共享網(wǎng)絡(luò)資源，為管理運(yùn)行提供開(kāi)放的、最佳的服務(wù)。

（4）實(shí)現(xiàn)高效管理，節(jié)約能源，降低建筑物維護(hù)、運(yùn)行成本。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)集成后，可充分發(fā)揮各設(shè)備子系統(tǒng)的功能，減少硬件設(shè)施，節(jié)約投資，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。例如：利用智能化溫度傳感器不僅可以檢測(cè)所控制地區(qū)的溫度，還可以用作火災(zāi)探測(cè)器；視頻監(jiān)控器不僅可以用于安全保衛(wèi)，還可在火災(zāi)時(shí)作為監(jiān)控火災(zāi)區(qū)域的有效設(shè)備[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，很大程度上節(jié)約了人力、物力資源，減少事故的發(fā)生，提高了運(yùn)作管理水平。智能建筑的概念必將發(fā)生新的變化，期待著它能帶給我們更美好的生活。

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