智淑亞

(金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南京 211169)

基于LonWorks技術(shù)的智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智淑亞

(金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南京 211169)

針對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)控制系統(tǒng)的不足，利用LonWorks技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于LonWorks MIO智能節(jié)點(diǎn)的空調(diào)控制系統(tǒng)。提出了空調(diào)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的方法，利用Delphi開發(fā)監(jiān)控界面，為用戶提供了一個(gè)方便實(shí)用的圖形界面編輯工具，表明了該方法的有效性和實(shí)用性。

LonWorks;空調(diào)系統(tǒng);智能節(jié)點(diǎn);模塊

美國(guó)Echelon公司的LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線以其出色的開放性、互操作性，逐漸成為目前最具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。該技術(shù)提供了構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完整平臺(tái)，它通過Neuron Chip單片機(jī)、Lon-Talk協(xié)議、LonWorks收發(fā)器、LonBuilder和 Node-Builder開發(fā)工具包、LonWorks網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系架構(gòu)LNS、Neuron C編程語言和LonMark互操作性標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)品開發(fā)者、系統(tǒng)集成商和最終用戶提供了用于研制、構(gòu)造、安裝和維護(hù)控制網(wǎng)絡(luò)所需要的全部技術(shù)［1］，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了極大便利。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(Building Automation System，BAS)是智能建筑的重要組成部分，而空調(diào)系統(tǒng)又是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中最重要的一個(gè)子系統(tǒng)。目前市場(chǎng)有多種品牌的樓宇自控空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)品，各有特色，但大都存在中間環(huán)節(jié)過多、安裝調(diào)試不便以及不能自主雙向通信等缺點(diǎn)。而LonWorks技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)分層控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)的控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)平面式結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)LonWorks的最關(guān)鍵技術(shù)在于LonWorks的網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。本文基于LonWorks智能節(jié)點(diǎn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)及監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)控制的不足，安裝、調(diào)試更方便，且能對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，整體性能大大提高。

1 空調(diào)系統(tǒng)控制原理

本文設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)是指應(yīng)用于現(xiàn)代化辦公、金融等智能建筑中，對(duì)環(huán)境溫濕度的控制精度要求不是很高，一般含有進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、空氣過濾、空氣加濕處理、空氣輸送等。在正常工作過程中，新風(fēng)與回風(fēng)混合，經(jīng)過濾器過濾后，混合空氣與風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)的冷/熱水進(jìn)行換熱，再由加濕器對(duì)混合空氣進(jìn)行加濕處理，最后由送風(fēng)機(jī)將處理后的空氣送到各個(gè)房間內(nèi)。其原理示意圖如圖1所示。

圖1 空調(diào)原理示意圖

對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其控制功能主要是:

a.溫濕度控制。對(duì)新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行溫濕度控制，為系統(tǒng)溫濕度的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

b.風(fēng)閥的控制。對(duì)新風(fēng)閥門和回風(fēng)閥門進(jìn)行開關(guān)量的控制或模擬量的調(diào)節(jié)。

c.對(duì)加濕閥的控制。在空氣濕度低于設(shè)定的下限或者超過上限時(shí)，分別控制加濕閥的打開與關(guān)閉。

d.冷 /熱水閥門的調(diào)節(jié)。根據(jù)測(cè)量溫度和設(shè)定溫度之間的溫差來調(diào)節(jié)閥門的開度，使溫差值在精度范圍內(nèi)。

e.風(fēng)機(jī)控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟?？刂苹蛘咦冾l調(diào)速控制。

2 空調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所述空調(diào)系統(tǒng)是以LonWorks技術(shù)的MIO模塊為核心，主要分為PC監(jiān)控、LON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能閥門及溫濕度控制器等。

2.1 MIO模塊設(shè)計(jì)

LonWorks MIO節(jié)點(diǎn)屬于基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)類型，由包含神經(jīng)元芯片的TP/FT－10F閃控模塊和AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成，且可靈活配置擴(kuò)展I/O模塊。TP/FT－10F閃控模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)與LonWorks網(wǎng)絡(luò)間的連接和通信，AT89C2051單片機(jī)作為主處理器，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理。兩者通信采用神經(jīng)元芯片的串行Neurowire模式實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 核心模塊設(shè)計(jì)

核心模塊由 Neuron 3150芯片、EPROM或FLASH存儲(chǔ)槽(TP/FT－10F和TP/XF－78F)的小型電路板、通訊收發(fā)器、電源、I/O口及網(wǎng)絡(luò)連接件組成。存儲(chǔ)器采用ATMEL公司的AT29C512與3150的時(shí)序配合最為合適，存儲(chǔ)空間以64K為首選，它能夠在掉電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)在上電的情況下還能夠?qū)λM(jìn)行有限次數(shù)的數(shù)據(jù)寫操作。神經(jīng)元芯片的存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如圖2所示［2］。

圖2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

74F00為“與非門”，74F32是“二輸入或門”，它們一方面是為了實(shí)現(xiàn)邏輯功能，又因?yàn)閭魉徒oEPROM或FLASH的控制引腳的電平信號(hào)是3150的E、R/W和A15的邏輯組合，系統(tǒng)硬件電路也必須添加部分門電路，使地址時(shí)序和指令的時(shí)序能夠合理協(xié)調(diào)，系統(tǒng)才能正常工作。

2.1.2 核心模塊與擴(kuò)展模塊通信

核心模塊和擴(kuò)展模塊的通信，即神經(jīng)元芯片與2051芯片通信接口采用SPI方式。

由于神經(jīng)元芯片的I/O口不多，故選用串行方式。SPI接口是一種同步全雙工串行外圍接口，其突出優(yōu)點(diǎn)是，在使用最少的微控制器引腳的前提下，實(shí)現(xiàn)相對(duì)高速的短程通信。神經(jīng)元芯片提供Neurowire對(duì)象，以實(shí)現(xiàn) SPI方式通信。I/O8、I/O9、I/O10分別是同步時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出、輸入;I/O0～I(xiàn)/O7任意一個(gè)可作為片選信號(hào)或時(shí)間溢出信號(hào)引腳。神經(jīng)元芯片工作在主方式，I/O1、I/O2、I/O3作為片選引腳。I/O8作為主控時(shí)鐘輸出，驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展模塊的時(shí)鐘［3］。

2.2 智能閥門設(shè)計(jì)

智能閥門直接通過LON總線接收閥門開度命令，該命令以網(wǎng)絡(luò)變量形式體現(xiàn)。收發(fā)器采用FTT－10A自由拓?fù)涫瞻l(fā)器，電源使用LM2575芯片，濾波后能夠得到比較穩(wěn)定的+5V電壓。智能閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能閥結(jié)構(gòu)圖

2.3 溫濕度控制器設(shè)計(jì)

溫濕度控制器主要由Neuron芯片、D/A轉(zhuǎn)換電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路組成。D/A轉(zhuǎn)換電路包括MAX7228及其相應(yīng)的外圍電路。顯示電路包括MAX7219及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)放大電路。執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路包括AD694及其相關(guān)的外圍電路［4］，如圖4所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為兩種:一種是直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)用于回風(fēng)、送風(fēng)、新風(fēng)等閥門的控制;另一種是角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)用于熱、冷水閥控制。

圖4 溫濕度控制器結(jié)構(gòu)

3 空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

在一個(gè)基于LonWorks技術(shù)的控制節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)軟件包括LonTalk協(xié)議、操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)庫(kù)、I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和用戶編制的控制軟件。前4部分是由LonWorks固件提供的，不需要用戶編程。Lon-Talk協(xié)議提供了開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型定義的全部7層協(xié)議，為控制網(wǎng)絡(luò)提供了所有的服務(wù)。操作系統(tǒng)是應(yīng)用于神經(jīng)元芯片中3個(gè)CPU的系統(tǒng)軟件，包括一個(gè)為用戶的控制算法提供服務(wù)的調(diào)度機(jī)制。I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)器是為神經(jīng)元芯片的11個(gè)I/O管腳設(shè)計(jì)的34個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，為串行、并行、位、字節(jié)或其他傳感器、執(zhí)行器硬件提供了容易使用的接口［4］。

監(jiān)控軟件采用Delphi語言編寫。Delphi以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理及組件功能，為用戶提供一個(gè)圖形界面的編輯工具。用戶可以使用該工具隨意構(gòu)造出各種控制方式，然后編譯軟件模塊，并將其變?yōu)樘囟ǚ绞降臄?shù)據(jù)表傳送到控制器中。冷水系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 冷水系統(tǒng)監(jiān)控界面

通信模塊使用DDE協(xié)議。DDE是在Windows下多個(gè)程序間交換數(shù)據(jù)的一種方式。利用DDE協(xié)議，可在多個(gè)應(yīng)用程序間以Client端和Server端的方式建立一條動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈，使得多個(gè)程序間分享和交換數(shù)據(jù)。本文利用DDE技術(shù)在監(jiān)控界面軟件與控制裝置之間建立了鏈接關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)兩大支撐技術(shù)即LonWorks技術(shù)和Delphi技術(shù)之間的軟硬對(duì)接［5］。高級(jí)語言VC++具有DDE設(shè)計(jì)功能，可以在PC監(jiān)視節(jié)點(diǎn)中利用VC++的DDE功能實(shí)現(xiàn)與LON網(wǎng)絡(luò)的DDEServer連接，從而完成數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換［6］。

溫濕度采集模塊:應(yīng)用程序采集的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)口溫濕度，一方面為冷/熱水閥門的連續(xù)調(diào)節(jié)提供了重要依據(jù)，另一方面它以網(wǎng)絡(luò)變量的形式返回到管理中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面上。在采集過程中，采用了數(shù)字濾波的方法，即多次采集，去掉最大和最小值，求平均值的方法，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

冷/熱水閥門連續(xù)調(diào)節(jié)模塊:為了保持空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，需要根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的偏差連續(xù)調(diào)節(jié)冷/熱水閥門的開度，以改變流過盤管的冷/熱水流量，從而調(diào)節(jié)送風(fēng)口的空氣溫度。

4 結(jié)束語

基于LonWorks技術(shù)的MIO節(jié)點(diǎn)的自控空調(diào)系統(tǒng)，能有效解決傳統(tǒng)控制的弊端，不僅可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的溫濕度調(diào)節(jié)，監(jiān)視和記錄各設(shè)備的狀態(tài)、送風(fēng)壓力、流量、閥門開度等參數(shù)，而且可以控制分散在不同區(qū)域的空調(diào)設(shè)備，且規(guī)模擴(kuò)展靈活，可通過網(wǎng)關(guān)接口及串行接口與樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)或消防系統(tǒng)、保安系統(tǒng)等控制系統(tǒng)相連接，構(gòu)成功能更加強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都有成功的應(yīng)用案例。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，且便于管理、維護(hù)和擴(kuò)展。

［1］馬莉.智能控制與Lon網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:125－136.

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［3］陳濤.基于LonWorks的智能樓宇控制器功能和技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，11(21):92 －95.

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［5］凌志浩.從神經(jīng)元芯片到控制網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:87－98.

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Design of Air－condition System Based on LonWorks Technology

ZHI Shuya
(Jingling Institute of Technology，Jiangsu Nanjing，211169，China)

Aiming at the shortage of the traditional air-conditioner control system，it takes advantage of the LonWorks technology，designs a kind of air-conditioner control system based on MIO intelligent node.It proposes the air-conditioner system of hardware and software design method，uses Delphi to develop monitor interface.This provides a convenient and practical graphical interface editing tools，shows that the method is effective and practical.

LonWorks;Air-condition System;Intelligent Node;Modular

TP273

A

2095－509X(2013)04－0059－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.014

2012－10－10

金陵科技學(xué)院基金資助項(xiàng)目(jit－n－201106)

智淑亞(1968—)，女，山東濟(jì)寧人，金陵科技學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電工程/LON技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。