基于LonWorks技术的智能建筑楼宇自动化系统的研究

马占敖

（吉林建筑工程学院，长春 130021）

0 引言

智能建筑是科学技术快速发展和人类社会不断进步的产物，它在信息化社会中发挥了巨大的作用，使人们的生产、生活环境和生产方式发生了翻天覆地的变化。所谓智能建筑[1]是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。

LonWorks现场总线[2]技术作为最早应用于建筑物设备自动化系统中的总线技术之一，其显著的开放性、可靠性和灵活性，使其无论在工业网络控制，还是在智能楼宇和家庭智能化方面均有着得天独厚的优势。因此，对基于LonWorks现场总线的楼宇自动化系统的研究在学术研究方面和实际工程建设中都具有很强的现实意义。

1 LonWorks总线技术

1.1 LonWorks技术概述

LonWorks由美国Echelon公司推出的一种全面的测控网络技术。因为，LonWorks网络控制技术在控制系统中引入了网络的概念，在该技术的基础上，可以方便的实现分布式的网络控制系统。并使得系统更高效、更灵活、更易于维护和扩展。所以，使得LonWorks无论在工业网络控制还是在智能建筑方面都得到了广泛的应用。

1.2 Neuron芯片

Lonworks技术的核心是Neuron芯片，Neuron芯片由3个8位微处理器、随机存储RAM、只读存储ROM以及通信和I/O接口组成。ROM中驻存一个操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。LonTalk通信协议，可以确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作。Neuron芯片也可直接与它所监视的传感器和控制设备连接，来传输传感器或控制设备的状态，从而执行控制算法来实现和其它的Neuron芯片进行数据交换等。

1.3 LonTalk协议

LonWorks协议称为LonTalk协议和ANSI/EIA709.1控制网络标准，是LonWorks系统的核心。LonTalk[3]协议遵循由国际标准化组织(ISO)定义的开放系统互连(OSI)模型。为了确保满足控制网的可靠和鲁棒的通信标准，LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性的通信机制。

1.4 LonWorks控制网络结构

LonWorks控制网络结构主要包括五个部分：网络协议(LonTalk)、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件。其中，网络设备包括智能测控单元、路由器、网关等；执行机构包括传感器、执行器等；管理软件包括LonTalk开放式通信协议，并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。

2 楼宇自动化系统

楼宇自动化系统又称建筑设备自动化系统，它实质上是一套采用计算机、网络通讯和自动控制技术，对建筑物中的设备进行自动化监控管理的中央监控系统。该系统通过对建筑物内的各种设备实行综合自动化管理以达到舒适、安全、可靠、经济和节能的目的，为用户提供良好的工作和生活环境，并使系统中的各个设备经常处于最佳运行状态，从而保证系统运行的经济性和管理的智能化。通常，一个典型的楼宇自动化系统[4]通常包括供配电、给排水、暖通空调、照明、电梯、消防、安全防范、车库管理等子系统。

3 基于LonWorks的楼宇空调控制系统设计

基于LonWorks的楼宇空调控制系统结构图如图1所示。

图1 基于LonWorks的楼宇空调控制系统结构

3.1 空调控制系统原理

空调系统的工作原理：空气调节是指把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，将室内空气的温度、湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围内。空气调节的形式有集中式空调系统(又称中央空调)、独立式空调系统和混合式空调系统。集中式空调系统因为具有节能、卫生、噪音小、使用方便等优点，因此已被广泛采用。集中式空调系统通常采用一部分回风与新鲜空气相混合的方法，该方法既保证了室内空气新鲜，又利用了回风的能量，提高了设备运行的经济性。集中式空调系统一般含有进风、回风、空气过滤、空气加湿处理、空气输送等部分。

3.2 空调控制系统硬件设计

以某一居民小区为例，我们选用北京工业大学和北京自动化成套工程公司开发的LonBAC-3000控制系统构建空调控制系统[5]。LonBAC-3000系统是以LonWorks技术为基础，以神经元芯片为核心，专用于空调机组控制的现场总线系统。其结构如图2所示。

图2 LonBAC-3000基本结构图

其工作原理：温、湿度控制器测得温度和湿度后，通过运算获得阀门的调节输出。该输出通过LonWorks网络[6]送到智能阀，产生相应的阀门开度。智能阀的数量与空调系统结构有关。开关量控制器则用于启、停机组，监测空调状态及产生报警等。

该空调控制系统主要由PC机构成的操作与监控部分、LonWorks网络系统，智能阀门、温、湿度控制器和开关量控制器组成。

1）智能阀门。智能阀门直接连接在LonWorks网络上，直接通过LonWorks总线接收阀门开度命令，该命令以网络变量形式出现。智能阀门硬件的选择：（1）智能阀门要求的运算量以及存储容量少，因此选用3120芯片。（2）使用FTT-10A自由拓扑收发器。（3）电源部分使用LM2575芯片，滤波后能够得到比较稳定的+5V电压。（4）串行A/D采用TLCL549芯片(10位)，能够满足阀位开度控制的精度要求。（5）继电器为JGX-IF型固态继电器，驱动能力大，使用寿命长。

2）温、湿度控制器。温、湿度控制器在系统中作为主控制器使用。其中有8路模拟信号输入，可与温度变送器或其它仪表相连接，也可利用3路热敏电阻或热电阻输入直接测量温度，另外还有2路报警信号输出。温、湿度控制器硬件选择：（1）温、湿度控制器作为控制的主控制器，要求有较大的存储空间和处理能力，因此采用3150CPU模块。（2）电源部分使用MAX726芯片，滤波后能够得到稳定的+5V电压。（3）HD7279是一片具有串行接口、可驱动8位共阴式数码管，还可以连接64键的智能显示驱动芯片。（4）A/D芯片采用TLC2543，为11路模拟信道逐次逼近型12位串行AD，精度高，响应时间短，接线简单。（5）个按键，可进行手/自动切换和参数的直接修改。（6）继电器使用JGC-3FA，体积小，驱动能力大(可直接驱动380V交流设备)，使用寿命长。

3）开关量控制器。开关量控制器主要用于启、停空调机组，检测空调状态及产生报警。开关量控制器硬件选择：（1）同温、湿度控制器一样，选用了相同的CPU模板。（2）电源部分使用MAX727芯片，滤波后能够得到稳定的+5V电压。（3）继电器使用JGC-3FA,体积小，驱动能力大(可直接驱动380V交流设备)，使用寿命长。

4 空调控制系统软件实现

软件实现包括三方面：系统底层驱动程序设计、驻留在PC机内的通信程序设计和PC机组态管理软件的设计。

1）系统底层驱动程序。智能阀门控制程序实际上为一简单的闭环控制程序，即将读入的阀位值与给定值比较，根据比较结果，正反电机动作，使阀门定位在给定的正负误差范围内。

温、湿度控制器实现的功能主要有模拟量的采集、处理与显示；能够实现参数修改、运算及以网络变量形式输出运算结果到其它控制器或智能阀；根据设置条件进行报警处理；为上位机的组态提供丰富的功能等。

开关量控制器的程序主要包括：现场开关信号的读入与显示；根据设定条件进行相应的开关量输出；开关量输出的手/自动切换等。

2）PC机内的通信程序。LonWorks技术提供了 DDESever， DDEServer能够实现LonWorks网络和任何具有DDE功能的windows应用程序间交换网络变量和信息。高级语言VC++具有DDE设计功能，可以在PC监视节点中利用VC++的DDE功能实LonWorks网络的 DDEServer连接，从而完成数据动态交换。

3）PC机组态软件。PC机组态软件将为用户提供一个工程师级编辑、编译软件模块和一个操作员实时操作软件模块。组态程序编辑器为一个图形方式界面的编辑工具，用户可以使用该工具随意构造出各种控制方式，然后编译软件模块将其变为特定方式的数据表(程序链)送到控制器中。操作软件模块则为用户提供了丰富的显示画面和操作功能，内容包括文件操作、编辑处理、窗口设置、常用工具、在线帮助等。

4）系统仿真。我们对该小区楼宇自动化系统中的空调控制系统进行仿真分析，我们运行Visual Basic6.0软件，在Windows环境下进行仿真分析。从空调流程监控画面中可以了解空调机的当前详细的工作状态信息，包括空调机的工作状态、测点温湿度、电动调节阀的状态、电机的运行参数、过滤器的状态等重要运行参数。操作人员可以通过这些参数了解空调机的工况，并及时发现可能存在的故障。空调控制系统监控界面如图3所示。

图3 空调控制系统监控界面

5 结论

LonWorks技术的发展不仅符合国际发展潮流，适合我国国情，而且为智能建筑的系统一体化集成提供了强有力的技术平台。所有这些都表明，LonWorks技术[7]在智能建筑楼宇自动化等领域有着广泛的应用前景，而基于LonWorks技术的智能建筑楼宇自动化系统将是今后智能建筑控制系统的重要发展方向为了适应未来智能建筑的发展要求，对LonWorks技术以及对楼宇自动化系统进行深入研究，对我国的智能建筑发展具有一定的指导意义。

[1] 张瑞武.智能建筑的系统集成及工程实施[M].北京:清华大学出版社,2000.

[2] 邹益仁,马增良.现场总线控制系统的设计和开发[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3] 马莉.智能控制与Lon网络开发技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4] 卞玉刚,周齐国.总线控制技术及其在楼宇自控系统中的应用[J].建筑电气,2003,(5):34-36.

[5] 贺智修.我国对LonWorks技术的开发应用现状[J].城市建筑智能系统,2002(10).

[6] 谢凌广.LonWorks技术在楼宇自动化领域的应用[J].微计算机信息,2001(7):30-32.