一種基于MCU系列的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 健，鈕瑞艷，程 飛

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）規(guī)劃建設(shè)處，266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），266580；3.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，200135）

一種基于MCU系列的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 健1，鈕瑞艷2，程 飛3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）規(guī)劃建設(shè)處，266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），266580；3.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，200135）

針對(duì)大型場(chǎng)館等樓宇自動(dòng)化控制的需求，結(jié)合MCU系列芯片的優(yōu)勢(shì)，提出一種用于大型場(chǎng)館的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)。根據(jù)大型場(chǎng)館建筑復(fù)雜的特點(diǎn)，提出采用分布式控制方法，以RS485總線和Modbus協(xié)議作為通信，以MCU系列中高性能的C8051F120單片機(jī)作為監(jiān)控部分的技術(shù)核心，最后利用組態(tài)王軟件對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控界面進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)館樓宇排水、消防、空調(diào)等不同系統(tǒng)的控制與監(jiān)控，對(duì)提高大型場(chǎng)館的自動(dòng)化管理水平具有很好的借鑒。

MCU芯片；Modbus協(xié)議；組態(tài)軟件；樓宇控制；監(jiān)控

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，智能建筑得到了飛快的發(fā)展，它是信息時(shí)代高科技與現(xiàn)代建筑的完美結(jié)合，其中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能建筑的關(guān)鍵技術(shù)。本文密切聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，以實(shí)際項(xiàng)目作為科研背景，根據(jù)某場(chǎng)館樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)需求，提出了一套可行性的自動(dòng)控制方案，并對(duì)方案的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1　樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1　樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)組成

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)建，其目的通常為創(chuàng)建一個(gè)安全、方便、舒適、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的工作和生活環(huán)境，為客戶提供周全、便利的服務(wù)，為公司提供一個(gè)現(xiàn)代化的管理系統(tǒng)，以提高工作效率、節(jié)省能源、增加附加值，適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。通過(guò)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部的暖通空調(diào)、變配電、給排水、照明、消防報(bào)警、安全防范、電梯系統(tǒng)、停車場(chǎng)管理等各子系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)之間最優(yōu)化的控制管理。本文以某大型場(chǎng)館為例，通過(guò)對(duì)其實(shí)際的調(diào)查，將該系統(tǒng)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)為如圖1所示。

2　分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)講，有著自身的鮮明特點(diǎn)，一是監(jiān)控點(diǎn)分散，從一部扶梯、一臺(tái)空調(diào)、一臺(tái)送風(fēng)機(jī)、一蓋電燈等，幾乎遍布于樓宇建筑內(nèi)的每一個(gè)角落；另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，被控設(shè)備的種類繁多，包括有新風(fēng)換氣機(jī)組、冷熱源機(jī)組、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、排水菜、空調(diào)機(jī)組、電梯和扶梯等大量的機(jī)電設(shè)備，而且這些機(jī)電設(shè)備往往自身還帶有著控制系統(tǒng)，因此，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)站房?jī)?nèi)所有機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面的協(xié)調(diào)控制，保證其安全可靠的運(yùn)行和科學(xué)高效的管理，為上車旅客、現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供一個(gè)舒適、健康、溫馨的工作環(huán)境，需要一種低成本、成熟、高可靠的控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)該構(gòu)想，提出一種基于分布式的架構(gòu)。分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，以下簡(jiǎn)稱DCS），行業(yè)內(nèi)稱之為4C技術(shù)，分別是Control控制技術(shù)、Computer計(jì)算機(jī)技術(shù)、Communication通信技術(shù)和CathodeRay Tube CRT顯示技術(shù)，是目前BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用最為廣泛的一種控制技術(shù)。其具體的設(shè)計(jì)則如圖2所示。

圖2　分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，該分布式系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)這三級(jí)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的主要任務(wù)是直接負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的控制，如控制現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備末端執(zhí)行器，或者對(duì)傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理等。監(jiān)控級(jí)主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的受控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，主要是由操作員通過(guò)人機(jī)友好界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)受控設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，由圖2可以看出，監(jiān)控級(jí)所能監(jiān)控到的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)量是有限的。從智能樓宇系統(tǒng)集成考慮，管理級(jí)是極為重要的一環(huán)，它可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)級(jí)所有的受控設(shè)備，它的主要任務(wù)是將管理部門(mén)的控制決策引入到監(jiān)控級(jí)的控制策略中，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與信息共享。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1芯片選擇。為實(shí)現(xiàn)圖2的分布式控制構(gòu)想，監(jiān)控模塊使用的單片機(jī)型號(hào)是C8051F20，該芯片是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字1/0引腳（100腳TQFP封裝），主要有如下特性：

（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（100MIPS）；

（2）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；

（3）真正12位、lOOksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān)；

（4）兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；

（5）2周期的16X16乘法和累加引擎；

（6）128KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；

（7）8448（8K+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM；

（8）可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；

（9）硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBUS/I2C和兩個(gè)UART串行接口；

（10）5個(gè)通用的16位定時(shí)器；

（11）具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；

（12）片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感。

3.2RS485總線通訊與ModBus規(guī)約通訊格式。當(dāng)前，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制通信，通常采用RS485總線通訊方式，同時(shí)使用的是Modbus通訊協(xié)議。對(duì)此，在采用Modbus通訊協(xié)議的時(shí)候，必須對(duì)其規(guī)約格式進(jìn)行說(shuō)明。

本文將設(shè)備默認(rèn)基地址為0，設(shè)備地址為主板上撥碼地址，默認(rèn)通訊速率9600（可以修改），數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位，奇偶校驗(yàn)無(wú)，停止位1位。FFH為廣播地址。

4　基于組態(tài)軟件的登錄界面開(kāi)發(fā)

根據(jù)工業(yè)控制的需求，選擇組態(tài)王軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。組態(tài)王kingview6.55是北京亞控科技根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，面向中低端自動(dòng)化市場(chǎng)及應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)開(kāi)發(fā)的一套產(chǎn)品。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為目標(biāo)，集成了對(duì)亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（KingHistorian）的支持，可以為企業(yè)提供一個(gè)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺(tái)，使企業(yè)能夠及時(shí)有效地獲取信息，及時(shí)地做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。組態(tài)王kingview6.55提供了豐富的、簡(jiǎn)捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫(kù)精靈，同時(shí)也為用戶創(chuàng)建圖庫(kù)精靈提供了簡(jiǎn)單易用的接口；該款產(chǎn)品的歷史曲線、報(bào)表及web發(fā)布功能進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，以C8051F120作為監(jiān)控開(kāi)發(fā)核心芯片，以RS485作為總線通訊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)從硬件、軟件到通信等方面的開(kāi)發(fā)，為樓宇自動(dòng)化的控制提供了基礎(chǔ)。

［1］鄭華，呂偉珍.基于組態(tài)王和Matlab的雙容水箱液位控制［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012，02：155-157.

［2］馮子陵，俞建新.RS485總線通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012，20：215-218.

［3］胡鵬飛，林志勇，周月賓，江道灼，梁一橋.適用于大規(guī)模MMC的分布式控制系統(tǒng)及兩級(jí)均壓策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，11：79-84.

李健，男，山東梁山縣人，1980年生，工程師，2003年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）土木工程專業(yè)，主要從事土木工程研究。

A building automation control system design based on MCU series

Li Jian1，Niu Ruiyan2，Cheng Fei3
（1.China University of Petroleum （East China） planning and Construction Office，266580；2.China University of Petroleum （East China），266580；3.China Construction Eighth Engineering Division.CORP.LTD，200135）

In view of the large shopping malls and other building automation control requirements，combined with the MCU series chip advantage，put forward a kind of control system for building automation of large shopping malls.According to the characteristics of shopping mall complex， put forward a distributed control method，as the communication with RS485 bus and Modbus protocol based on C8051F120 high performance MCU series as the core technology of monitoring part， finally to develop the system monitoring interface using configuration software to achieve the control and monitoring system for different building drainage，shopping malls fire and air conditioning，has a very good reference for improving the automation management level of large shopping malls.

MCU chip；Modbus protocol；configuration software；building control； monitoring

TU855

A