徐月華,劉桂雄

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技處，廣東 廣州 510515；2.華南理工大學(xué)機(jī)電工程研究所，廣東 廣州 510640）

基于Pyxos技術(shù)的樓宇傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

徐月華1,劉桂雄2

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技處，廣東 廣州 510515；2.華南理工大學(xué)機(jī)電工程研究所，廣東 廣州 510640）

針對樓宇系統(tǒng)中傳感器的分散分布給施工帶來困難和其非網(wǎng)絡(luò)化對樓宇監(jiān)控系統(tǒng)的信息化特性及推廣的阻礙，該文引入Pyxos技術(shù)，將傳感器中的敏感元件、轉(zhuǎn)換電路和變送器進(jìn)行集成網(wǎng)絡(luò)化硬件、軟件設(shè)計，構(gòu)建具有Pyxos檢測層、LonWorks控制層和Internet數(shù)據(jù)層的教室綜合用電監(jiān)控系統(tǒng)。測試結(jié)果表明：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以與控制網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行通信，具有獨立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組態(tài)性和可操作性；嵌入式Pyxos控制網(wǎng)和LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)以及Internet能無縫集成，實現(xiàn)控制系統(tǒng)底層與上層數(shù)據(jù)的融合與表示，改變傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的格局，而且開發(fā)時間短、性能穩(wěn)定可靠、施工方便。

Pyxos技術(shù)；傳感器；LonWorks協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

0 引 言

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是智能樓宇系統(tǒng)中信息轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)代測控系統(tǒng)最基本的“皮膚”感知元件。然而傳感器體積小，單個傳感器的可用資源十分有限，處理器處理能力、存儲器容量、電能供應(yīng)、通信帶寬都有限，急需一種性價比高、方便現(xiàn)場接線、易于控制的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。美國埃施朗（Echelon）公司推出Pyxos技術(shù)，是專為I/O網(wǎng)絡(luò)量身定做的平臺，具有低成本和小尺寸，高速度短距離運(yùn)行，與TCP/IP技術(shù)、LonWorks無縫集成等優(yōu)點，用戶可以非常方便

地將其開發(fā)成小而廉價的節(jié)點。目前國內(nèi)外研究傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的成果較多，但基于Pyxos總線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點研究很少，例如薛嵐等[2]設(shè)計Pyxos嵌入式網(wǎng)絡(luò)中鏈路電源模塊；謝雨業(yè)等[3]開發(fā)基于Pyxos總線的智能家居控制系統(tǒng)及徐月華等[4-5]利用Pyxos技術(shù)構(gòu)建實訓(xùn)室用電監(jiān)控系統(tǒng)。利用Pyxos總線能減少智能樓宇系統(tǒng)工程中傳感器、控制器的分散施工困難，節(jié)約傳感器本身資源，提高整個樓宇系統(tǒng)的智能化程度[6]，降低將LonWorks技術(shù)中的Neuron芯片嵌入到每個傳感器中帶來的成本，在短距離內(nèi)增強(qiáng)信息的轉(zhuǎn)換速度，有效提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性。因此，本文重點研究基于Pyxos技術(shù)的樓宇傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

1 Pyxos網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作機(jī)理

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的主要任務(wù)是將傳統(tǒng)的傳感器改成具有網(wǎng)絡(luò)接口的傳感器，使其具有檢測、控制、?通信等網(wǎng)絡(luò)要求的多種功能。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和協(xié)議處理等模塊。

圖1為Pyxos芯片結(jié)構(gòu)圖，集成專門用來采集數(shù)據(jù)的I/O網(wǎng)絡(luò)總線，包括DSP協(xié)議處理器、控制寄存器、通信驅(qū)動器、I/O接口、時間槽存儲器、時鐘和復(fù)位電路等組成部分。其中，DSP協(xié)議處理器是完成Pyxos FT協(xié)議的主處理器，控制寄存器處理控制Pyxos FT芯片的I/O接口，通信驅(qū)動器作為Pyxos網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器完成數(shù)據(jù)收發(fā)，I/O接口可設(shè)置為通用數(shù)字輸入輸出接口或SPI通信接口，時間槽存儲器有1kB靜態(tài)RAM，時鐘和復(fù)位電路用于提供片內(nèi)時鐘及上電復(fù)位信號。

針對I/O點數(shù)少于5個的情況，為傳感器、控制器加裝一顆Pyxos芯片，不需任何處理器便可構(gòu)成Pyxos節(jié)點提供4路通用的數(shù)字I/O和一路數(shù)字輸入；若I/O點數(shù)比較多，增加一個微處理器構(gòu)成功能復(fù)雜的節(jié)點[7]。其中Pyxos芯片包含了通信協(xié)議并嵌入網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，無需任何微處理器可直連簡單的數(shù)字I/O，或通過SPI連接其他主處理器實現(xiàn)復(fù)雜的I/O應(yīng)用，從而完成開發(fā)應(yīng)用。

2 Pyxos傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與開發(fā)

應(yīng)用于智能樓宇中的傳感器種類較多，包括門磁開關(guān)、紅外傳感器、溫度傳感器等，可依據(jù)輸出信號分類為開關(guān)量和模擬量。紅外傳感器是智能樓宇中

來用實現(xiàn)報警功能的常用器件，溫度傳感器用來檢測室內(nèi)溫度，是節(jié)能降耗不可缺少的檢查元件。本文選用這兩個傳感器來說明數(shù)字量、模擬量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計方法。

2.1 Pyxos傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與開發(fā)

紅外探測器常用于智能樓宇探測區(qū)域中人員出入情況的判斷。當(dāng)人體進(jìn)人探測區(qū)時，紅外探測器感應(yīng)到移動人體溫度與背景溫度的差異信號并作為報警信號依據(jù)[8]，報警控制器接收各探測器發(fā)出的報警信號，驅(qū)動現(xiàn)場警號報警，并通過網(wǎng)絡(luò)傳遞警情，及時保護(hù)人身及財產(chǎn)安全。

圖2為基于Pyxos技術(shù)紅外探測器的節(jié)點電路圖，包括紅外探測器、低頻信號放大電路、信號處理與保持電路、Pyxos等電路模塊。紅外探測器電路工作步驟為：（1）紅外探測器檢測到信號，經(jīng)R1傳遞到雙運(yùn)算放大器U1A中；（2）U1A輸出后分兩路，一路送至信號處理電路（U1B、U2A）進(jìn)行信號處理，一路送至比較器U2B（LM339）中，方便調(diào)試時檢測。其中，R18、U1B、U2A等組成信號處理電路，U1B及其外圍電路構(gòu)成延時放大電路，放大交流信號，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，防止誤報警并適應(yīng)環(huán)境溫度變化。信號保持電路由R7、運(yùn)放U2C、U2D（兩個LM339接成比較器）和二極管D6組成，起到保持信號穩(wěn)定的作用。U2C、U2D的輸出信號連接到Pyxos芯片的IO腳，Pyxos芯片采集到紅外信號后將紅外狀態(tài)通過Pyxos網(wǎng)絡(luò)傳送到其他節(jié)點。Pyxos內(nèi)部固化控制軟件，對于紅外探測器這種控制策略較為簡單的數(shù)字傳感器，加裝一顆Pyxos芯片，無需編程便可構(gòu)成Pyxos網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

2.2 Pyxos溫度傳感器節(jié)點設(shè)計

圖3為溫度采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖，由鉑電阻電橋測溫電路、模擬開關(guān)DG508、電壓放大器MAX478和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543組成。

鉑電阻直接檢測的信號微弱，阻值隨溫度變化不大，為提高測量精度，選用溫度系數(shù)好的精密電阻和鉑電阻組成電橋。在鉑電阻電橋測溫電路中，可檢測3路Pt電阻。電阻R64、R63及可調(diào)電阻R68構(gòu)成橋的參考臂。電阻R67、R71、R72及Pt電阻構(gòu)成橋的另一臂。通過Pt電阻采集的溫度信號有3路，經(jīng)DG508的A1、A0選擇一路后，與橋參考電壓同時輸入到MAX478電壓差分放大器，將Pt電阻產(chǎn)生的微弱信號放大成0～5V的電壓信號，經(jīng)A/D（TLC2543）轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，再由微處理器根據(jù)Pt電阻溫度特性采用專用算法計算成實際溫度[9]。

AD586可提供低噪聲、高精度（5.000 V）的單極性參考電壓源。它的低頻噪聲＜4μVp-p，高頻噪聲大約為200uVp-p。在芯片的Noise ReductI/On端與地之間連接一個1μF的電容，使該電容與內(nèi)置的電阻形成一個低通濾波器，從而進(jìn)一步降低噪聲。

TLC2543是可編程的12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括片選（CS），輸入/輸出時鐘（I/O CLOCK）和數(shù)據(jù)輸入端（DATA INPUT）3個控制輸入端。通過一個串行三態(tài)輸出端與主處理器或其外圍的串行口通信進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。除了高速轉(zhuǎn)換器和通用控制能力外，芯片具有11個模擬輸入通道，內(nèi)部帶有采樣-保持電路。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，輸出端變高指示轉(zhuǎn)換完成[10]，具有量化誤差小、系統(tǒng)I/O資源占用少的優(yōu)點。

3 軟件設(shè)計實現(xiàn)與應(yīng)用

基于Pyxos技術(shù)的溫度傳感器節(jié)點軟件包括系統(tǒng)初始化、時間讀取、溫度采集、溫度數(shù)據(jù)濾波、溫度報警及產(chǎn)生報警記錄、Pyxos網(wǎng)絡(luò)通信命令處理等模塊。室內(nèi)環(huán)境溫度一般不會出現(xiàn)快速變化，對溫度數(shù)

據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理，可以得到比較穩(wěn)定的溫度參數(shù)。圖4為參數(shù)測控軟件流程。

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試，基于Pyxos技術(shù)的傳感器節(jié)點可以獨立地與控制網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備如LonWorks控制點等進(jìn)行通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、圖片等信息的高效轉(zhuǎn)化和無縫網(wǎng)絡(luò)集成，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低組網(wǎng)成本及維護(hù)成本。

4 應(yīng) 用

實際應(yīng)用中，由門磁節(jié)點、紅外節(jié)點、開關(guān)節(jié)點、照明控制節(jié)點、溫度測量節(jié)點等組成樓宇Pyxos傳感器網(wǎng)，與LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)集成后，組成Pyxos檢測層、LonWorks控制層及Internet數(shù)據(jù)層的樓宇用電監(jiān)控系統(tǒng)。利用溫度傳感器節(jié)點軟件對樓宇內(nèi)照明、風(fēng)扇等用電設(shè)備進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程控制，對用電量、室內(nèi)溫度等參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化集中管理，實現(xiàn)對開關(guān)門、人員進(jìn)出入等網(wǎng)絡(luò)報警燈等功能。圖5為軟件運(yùn)行曲線顯示結(jié)果，其中溫度組件顯示歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)曲線平滑，較好地反映了實際情況，此系統(tǒng)實現(xiàn)對樓宇內(nèi)溫度、開關(guān)門、人員進(jìn)出、燈光、風(fēng)扇等使用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與顯示，系統(tǒng)開發(fā)簡單，安裝操作方便，性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

（1）基于Pyxos技術(shù)的傳感器節(jié)點可以獨立地與控制網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行通信，具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的特性，使傳統(tǒng)的傳感器升級為集檢測、邏輯編程運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信等功能于一身的智能化控制器，突破傳統(tǒng)紅外探測器使用局限，擴(kuò)展紅外探測器的功能。

（2）基于Pyxos技術(shù)的傳感器節(jié)點借助現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，改變傳統(tǒng)傳感器、控制器、執(zhí)行器之間復(fù)雜的現(xiàn)場聯(lián)接方式，實現(xiàn)控制系統(tǒng)底層與上層數(shù)據(jù)的融合與表示，真正達(dá)到測控的一體化和分散化，增強(qiáng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)能力，提高測控系統(tǒng)智能化程度。

[1]徐月華，劉桂雄.利用Pyxos技術(shù)的實訓(xùn)室用電監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程，2010（7）：143-146.

[2]薛嵐，楊帥，史宜巧，等.Pyxos嵌入式網(wǎng)絡(luò)中鏈路電源模塊的設(shè)計[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（166）：44-47.

[3]謝雨業(yè)，曾珞亞，許錦標(biāo).基于Pyxos總線的智能家居控制系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)報，2012（4）：69-71.

[4]陳志忠，徐月華.基于Pyxos技術(shù)的樓字用電監(jiān)控系統(tǒng)[J].建筑電氣，2010（6）：17-19.

[5]陳志忠，徐月華.計量芯片ADE7758在三相多功能網(wǎng)絡(luò)電能表中的應(yīng)用[J].自動化與信息工程，2010（1）：26-29.

[6]Wang S Q，Xing H S，Xing J C，et al.Research on the reliability of the Pyxos network[C]∥2010 International Conference on Electrical and Control Engineering，2010（443）：1802-1806.

[7]劉永生.PyxosTM技術(shù)介紹[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2007（2）：92-95.

[8]倪杰.基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統(tǒng)[J].中國安防，2008（6）：92-95.

[9]王延年.基于單片機(jī)的鉑電阻高精度溫度測控系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2006，29（4）：51-54.

[10]杜福嘉，汪達(dá)興.應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正鉑電阻溫度傳感器非線性的方法[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2006，23（2）：155-158.

Design of sensor network node for buildings based on Pyxos technology

XU Yue-hua1，LIU Gui-xiong2
（1.Office for Science and Technology，Guangdong Mechanical&Electrical College，Guangzhou 510515，China；2.Mechanical and Electrical Engineering Institute，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In building systems，it is difficult for the construction of scattered sensors，while nonnetworked sensors affect the popularity and information characteristics of building monitoring systems. So on the basis of Pyxos technique，the sensor sensitive components，conversion circuits and transmitter integrated networking hardware and software were designed.And the classroom integrated power monitoring system that has Pyxos detection layer and LonWorks control layer and data layer structures was set up.The experimental results show that the sensor network nodes can communicate with other devices on the control network，with the configuration and operational independence of network nodes.Pyxos embedded control network and LonWorks control networks and the Internet can be seamlessly integrated to achieve representation of the control system with the upper ground floor data with short time and stable performance and low price，which change the traditional pattern of measurement and control systems.

Pyxos technology；sensor；LonWorks network；network node

TU972；TP212；TP393.032；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）04-0071-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.018

2014-03-04；

：2014-05-07

廣東省科技廳科技計劃項目（2012B010100046）

徐月華（1965-），女，湖南益陽市人，教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)化測控研究。