建筑智能化控制系統(tǒng)設(shè)計與應用

林德輝

摘? ? 要：CAN總線是一種具有國際標準而且性價比又比較高的現(xiàn)場總線，利用其原理和特點研發(fā)設(shè)計的建筑智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑內(nèi)外高效、靈活的控制管理終端設(shè)備，達到節(jié)能、舒適的目的。

關(guān)鍵詞：CAN總線;模塊設(shè)備;控制管理;節(jié)能

1? 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，通信與信息、計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等技術(shù)也日新月異，智能化的概念滲透到人們生活、工作的方方面面。在日常的生活和工作中，人們對環(huán)境的舒適性以及各種設(shè)備管理的靈活性和高效性日益關(guān)注。本套建筑智能化控制系統(tǒng)正是基于這樣的背景而設(shè)計開發(fā)。它主要應用于建筑內(nèi)外的控制領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備高效、靈活的控制管理，進而達到節(jié)省能源的目的。本系統(tǒng)是自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的綜合應用。

2? 系統(tǒng)原理和背景

現(xiàn)場總線不僅是一種開放式的通信網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種新型全分布控制系統(tǒng)，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。

CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。從原理和實現(xiàn)的角度，只要有兩個CAN節(jié)點和通訊介質(zhì)就可以構(gòu)成一個CAN總線系統(tǒng)。多個CAN節(jié)點可以構(gòu)成較大的CAN總線系統(tǒng)。CAN節(jié)點按照不同的功能又可以分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點、傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點、監(jiān)控節(jié)點等。CAN總線系統(tǒng)與上位機連接，進而可以構(gòu)成一個更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：CAN總線系統(tǒng)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強;CAN的直接通信距離最遠最遠可以達到10km，通信速率最高可達1Mbps;報文傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低;CAN具有極好的檢錯效果;CAN的通信介質(zhì)可選擇雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活;CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能。

3? 建筑智能化控制系統(tǒng)的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)

本文所介紹的建筑智能化控制系統(tǒng)正是基于CAN總線的原理而設(shè)計和開發(fā)的。它將分散的、能夠完成多種功能的模塊設(shè)備，通過簡單的總線連接，進而完成比較復雜的系統(tǒng)功能。模塊設(shè)備之間可以進行信息交換。不同功能的模塊設(shè)備能夠以不同的方式與外界環(huán)境或外部設(shè)備進行信息交換：或采集外界環(huán)境信息，或向外部設(shè)備輸出系統(tǒng)的指令要求。系統(tǒng)可以對現(xiàn)場終端進行實時監(jiān)控和管理。每個模塊設(shè)備均內(nèi)置微處理器，運行參數(shù)被分散存儲在各個模塊設(shè)備中，即使系統(tǒng)斷電也不會丟失，通信速度快，運行效率高。

3.1? 系統(tǒng)的構(gòu)成

建筑智能化控制系統(tǒng)主要由上位機、干路管理器（BC）、支路管理器（LC）、模塊設(shè)備（DV，智能節(jié)點）、電源模塊等構(gòu)成。

上位機的主要作用是對系統(tǒng)進行程序設(shè)定和在線對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理。

模塊設(shè)備按照功能的不同又分為模擬量輸入模塊（Ai）、模擬量輸出模塊（Ao）、單值數(shù)字量輸入模塊（Sdi）、雙值數(shù)字量輸入模塊（Ddi）、數(shù)字量輸出模塊（Do）、定時器模塊等。

電源模塊主要用于給各個設(shè)備供電。

3.2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）模塊設(shè)備通過總線連接，由支路管理器統(tǒng)一管理，構(gòu)成一個支路系統(tǒng);一個支路管理器最多可以管理64個模塊設(shè)備;在系統(tǒng)中，不同的模塊設(shè)備以不同的地址加以區(qū)分，各個模塊設(shè)備通過現(xiàn)場總線進行信息交換。模塊設(shè)備與外部設(shè)備連接，或采集環(huán)境信息，或向外部設(shè)備輸出系統(tǒng)的指令要求。

（2）如果一個支路系統(tǒng)不能滿足使用的需要，兩個或多個支路，通過交換機（以太網(wǎng)）連接，由干路管理器統(tǒng)一管理，構(gòu)成一個干路系統(tǒng)，每個干路管理器最多可以管理63個支路。

（3）在同一個支路內(nèi)，支路管理器與任意模塊設(shè)備之間的最大距離不允許超過1000m，任意兩個模塊設(shè)備之間的最大距離不允許超過1000m。

（4）支路管理器可以通過交換機與上位機相連，由上位機集中監(jiān)控整個支路的模塊設(shè)備。干路管理器可以通過交換機與上位機連接，由上位機監(jiān)視控制整個干路系統(tǒng)的模塊設(shè)備。

4? 建筑智能化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

干路管理器和支路管理器硬件相同（軟件不同），采用64引腳STM32F103系列芯片作為微處理器，模塊設(shè)備則均采用48引腳STM32F103系列芯片作為微處理器;所有設(shè)備通信均采用CAN總線的方式，使用82C250芯片;干路管理器和支路管理器增加了以太網(wǎng)的通信方式，采用以太網(wǎng)芯片ENC28J60。

各模塊設(shè)備所使用其它主要芯片如下：模擬量輸入模塊使用了MAX485芯片，模擬量輸出模塊使用了TLC5615模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，單值數(shù)字量輸入模塊和定時器模塊

使用了觸摸芯片ST04D。

數(shù)字量輸出模塊使用了繼電器（HFE10-1/12HSL2和HF12FF012HS）。

各種設(shè)備均采用直流12V供電，有專門設(shè)計的電源模塊（交流220V輸入，直流12V輸出）。各種設(shè)備的硬件中均包含開關(guān)電源電路設(shè)計，將直流12V降壓為直流3.3V，用于給微處理器供電。

5? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本建筑智能化控制系統(tǒng)的軟件由上層管理系統(tǒng)軟件（上位機軟件）和現(xiàn)場控制系統(tǒng)軟件兩大部分構(gòu)成。

上位機軟件可以用VB制作，也可以使用組態(tài)軟件。上位機軟件即為上層監(jiān)控管理軟件，用以查看現(xiàn)場各智能節(jié)點的運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、報警顯示等。

現(xiàn)場控制系統(tǒng)軟件用C語言完成，即面向STM32芯片進行編程，使用庫開發(fā)的方式。不同功能的智能節(jié)點程序也不盡相同。主要包括通訊、顯示、控制、采集等功能程序。

6? 系統(tǒng)的功能特點

6.1? 功能

主動詢問功能：感知環(huán)境變化，采集各種數(shù)字量、模擬量數(shù)據(jù)，如觸摸開關(guān)、溫度、流量、濕度、照度、壓力等。

智能管理功能：個別控制、群組控制、模式控制，自動控制（定時器）;分散控制，集中管理，遠程監(jiān)控管理。

智能顯示功能：智能開關(guān)、集中監(jiān)控PC都能顯示監(jiān)控點狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

遠程維護功能：具備遠程對模塊設(shè)備進行參數(shù)設(shè)定和維護的功能。

系統(tǒng)擴展功能：自由按規(guī)則增加監(jiān)控站、增加控制點、增加其它系統(tǒng)控制功能和控制網(wǎng)絡(luò)。

故障報警功能：通信中斷等故障出現(xiàn)時，監(jiān)測中心有報警顯示，并顯示故障代碼。

6.2? 特點

本系統(tǒng)為多主式控制系統(tǒng)，安全穩(wěn)定，通信速度較快，運行效率較高;可以對多路信息進行采集，也可以控制大量的輸出點，不管控制形式如何復雜、控制點如何分散，都可以提供最優(yōu)的控制決策;不但可以分散、多地點控制，也可輕易做到集中監(jiān)控管理、遠程管理;提供了安全、高效、靈活、節(jié)能、便捷的環(huán)境;多樣的控制方式實現(xiàn)了多種控制效果;布線簡便;系統(tǒng)設(shè)定、管理、維護方便。

7? 系統(tǒng)的應用

建筑智能化控制系統(tǒng)可以廣泛應用于多個控制領(lǐng)域，如照明、空調(diào)、家用電器、通風、熱水、工業(yè)終端、溫度、濕度、壓力、流量等的控制管理;可以廣泛應用與多種場合，如賓館、辦公樓、展覽館、體育場館、醫(yī)院、工廠、學校、景觀園林、城市廣場、別墅等。實現(xiàn)了控制管理的“高效化、智能化”，達到了“節(jié)能、安全、環(huán)?！钡哪康?。

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