場館多種類設備設施監測系統方案研究

羅進 張威

一、 前言

自國家體育總局提出“科技興體”戰略以來，我國高度重視冬奧會科技服務工作的開展。早在2009年，國家體育總局冬季運動管理中心就開始牽頭，開展實施國家科技支撐計劃項目。此次課題研究總共設立7個子課題，分別由北京北控京奧建設有限公司、北京北控智慧城市科技發展有限公司、北京工業大學等部門承擔，參與研究的子課題承擔單位共計12個。課題緊緊圍繞我國冬奧備戰、冬奧會的目標和任務，冬奧項目的制勝規律等關鍵問題展開，特別是制約我國冬奧項目發展的瓶頸問題，進行系統、深入、創新性的研究。該項目的組織實施，充分調動了我國體育科研人員的積極性，為冬季項目科學研究提供了廣闊的舞臺，有效的提升了我國冬季項目科研服務水平。

本項目采用多種傳感技術及數據傳輸方式，采集體育館內多類別的設備設施數據，結合BIM模型，實現場館設備設施動態可視化展示和管理。

本文提供一套技術方案，通過研究多種傳感器及數據傳輸方案，結合場館GIS/BIM模型數據，構建覆蓋場館各類設備設施運行狀況的監測系統。實現精準采集不同季節運行的設備設施運行數據，實現各種設備設施復雜狀態可視化，為場館運營提供可靠的數據依據。

二、關鍵技術研究

（一）技術方案

目前對于體育館及大型樓宇的監控，較多的使用 BAS（Building Automation System，樓宇自動化系統）監測和定位設備。雖然 BAS 系統能夠監控冷水機組、空調機組等大型設備的運行狀況，這些設備發生故障時系統會自動報警，然而 BAS 系統在實際操作中帶來的便利程度并不高。另一方面 BAS 系統信息集成化程度低，一些設備和構件的屬性信息，如故障地點周邊環境，散布在各種文件中。當故障發生后，檢修人員或憑對系統熟悉記憶或查閱設施檔案資料，才能確定故障點位置、獲取故障設備信息，這一過程比較耗費時間，并很容易受過時信息的影響。依據BAS 系統，利益相關人在對故障分析、決策和實施過程中的溝通交流質量和效率不高。

參考智能工廠中廣泛采用的現場總線技術，尤其以我國廣泛使用的LonWorks總線技術為準。Lonworks（LocalOperatingNetwork，局部操作網絡）是一個開放的、全分布式監控系統專用網絡平臺技術，以其獨特的特點已成為目前所有現有的現場總線網絡功能最為強大，市場效率最高的總線之一。它使用了具有分布控制與通信聯網功能的大規模集成的神經元芯片（neuronchips）構成各個智能監控節點（node），通過網絡收發器（TranReceiver）及網絡通信媒體將各節點構成全分布式局部操作網絡（簡稱LON網）。但Lonworks技術成本普遍偏高，不利于大范圍的體育場館布設。

針對以上情況，本文提出了一種融合Lonworks現場總線、RS485網絡技術、NB-IoT技術等多種工控技術的系統監測方案。該方案采用分層逐級管理的機制，底層采用扁平式RS485拓撲結構的網絡架構、NB-IoT網絡架構、部分設備總控接口傳輸的方式。中間層采用Lonworks現場總線對各種網絡進行組網，最終由中央監控主機負責整個監控系統的數據處理及可視化展示。其原理如圖 1所示。

（二） Lonworks神經元節點結構

Lonworks的核心技術是具有3個8位的CPU神經元芯片（Neuron Chip），同時具備通信與控制功能，并且固化了Lontalk協議，以及34種常見的I/O控制對象。它采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協議，采用了面向對象的設計方法，Lonworks技術將其稱之為“網絡變量”，使網絡通信的設計簡化成為參數設置。這樣，不但節省了大量的設計工作量，同時增加了通信的可靠性。如圖 2所示。

（三）RS485協議設備與Lonworks總線連接方法

RS485轉換模塊由3個部分組成，包括由Lon網數據采集收發模塊、Lon網協議和RS485協議轉換模塊和以RS485通訊模塊結構框圖如圖3所示。

協議轉換模塊是整個系統的核心，其不僅包括網絡協議轉換功能，而且完成系統其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為海思公司生產，基于國際先進的LonWorks控制網絡技術，組網靈活、擴展方便、互操作性好；提供LonWorks雙絞線多種收發器接口類型，通訊速率為78kbps；1路光電隔離的串口通訊RS485接口，可在線編程；LonWorks雙絞線接口采用Neuron FT5000芯片，支持多達254個網絡變量； AC220V供電，具有過電壓保護功能，可選DC24V供電 ；LonWorks網絡通訊協議為LonTalk協議；RS485通訊協議為ModBus RTU協議或其它自定義協議；通過LonWorks訪問MODBUS設備 ；通過 MODBUS訪問LonWorks設備 ；作為LonWorks總線主站時，海思首創的自綁定技術，可與LonWorks總線上的節點設備自動綁定LonWorks網絡變量，無需調試人員復雜的手動綁定作業；實時時鐘，掉電存儲，鐵電可擦寫45億次；采用多種抗干擾技術，在強電磁干擾環境中可穩定、可靠地工作。

（四）NB-IoT設備與Lonworks總線連接方法

圖 1 設備設施監測原理圖

圖 2 神經元節點的結構框圖

圖 3 硬件系統結構圖

針對于纜車、造雪設備等大型或者移動型設備不便于監測和布設普通傳感器的設備，我們采用NB-IoT技術，利用其覆蓋能力強、功耗低、適用范圍廣、成本低廉、可直接利用普通3G、4G基站即可通信的優勢，將此類設備采集的設備信息最終保存至寬帶互聯網下，使其可以方便的接入Lonworks網絡中。信息采集后便是接入Lonworks的方式，針對此次方案中我們同樣設計了協議轉換芯片，使其可以方便的受控于Lonworks網路。硬件結構如圖4。

同樣協議轉換模塊也是整個系統的核心，包括網絡協議轉換功能，可以完成系統其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為NXP公司生產的LPC17 78，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲器、高達64 Kb的SRAM，系統時鐘頻率可高達 120 MHz，同時可內嵌操作系統。LPC1778內置外部總線控制器，通過總線方式讀寫雙口RAM，從而完成與數據采集收發模塊的高速數據交換。另外，嵌入式WEB服務器的架構需要大容量的存儲器，片上資源已不能夠滿足現有的需要，因此外部擴展一片16 Mb的FLASH SST25VF016B。

圖 4 硬件系統結構圖

三、系統方案設計

（一） 總體設計

場館多種類設備設施監測功能結構分為設備信息檔案建立、設備運行數據監測、數據融合、及可視化展示幾部分。其功能結構如圖 5所示。

設備檔案信息部分，是將監測設備的基本硬件參數錄入到三維模型中，包括設備型號、參數、位置信息、圖片等內容。

設備運行數據的收集即為本文的幾個關鍵技術點。通過各類傳感器將設備參數分別通過RS485、NB-IoT、接口等多種方式進行采集傳輸，經過不同的協議轉換過程，匯集到Lonworks網絡中，最終發送服務器進行統一處理。

圖 6 數據接入拓撲圖

數據融合部分是將采集到設備運行參數進行整理或轉換，以形成統一格式，方便的與三維BIM模型進行融合，以便實現可視化管理。信息融合采用標準的IFC數據標準，每個軟件都能導入、導出這種格式的工程數據。IFC標準整體的信息描述分為四個層次， 從下往上分別為資源層、核心層、共享層、領域層。每個層次又包含若干模塊， 相關工程信息集中在一個模塊里描述。從技術方法上分， IFC信息獲取可以有兩種手段，我們主要采用標準格式的程序接口訪問信息。

可視化展示部分是該系統應用的最終展示，在BIM模型中查看設備運行情況，實現智能管理，主要功能模塊有設備日常監測數據查看、設備報警信息、設備保養信息維護等。

（二） 數據接入層設計

通過不同的數據采集方式，最終將所有設備的參數收集至Lonworks下的神經元節點，神經元節點利用固化的LonTalk通信協議進行節點或總線間的數據傳輸，Lonworks總線通過專用路由器交換機最終將設備數據采集至服務器或中央監控主機，對數據進行統一的處理與融合。如圖 6所示。

（三） 可視化展示功能

此部分為系統的最終展示模塊，主要功能有設備日常監測數據查看、設備報警信息、設備保養信息維護等。

四、結語

通過整合現有的各類傳感技術，本文提出了一種利用多傳感技術監測傳輸設備運行參數，通過協議轉換統一管理收集設備參數的方法。

結合雪場GIS/BIM，可以實現對冬奧場館內的設備設施運行參數進行全天候、全方位、多角度、多維度地連續實時精準監測，并在三維BIM場景中進行仿真效果渲染，將傳感數據與建筑信息模型、地理信息模型的時空融合處理與計算方法，實現各種設備設施復雜狀態的可視化。

作者單位：北京北控京奧建設有限公司

基金項目：國家重點研發計劃科技冬奧專項“復雜山地條件下冬奧雪上場館設計建造運維關鍵技術”編號：2018YFF0300300