基于LonWorks技术的智能楼宇空调系统设计

智淑亚

(金陵科技学院机电工程学院，江苏南京 211169)

基于LonWorks技术的智能楼宇空调系统设计

智淑亚

(金陵科技学院机电工程学院，江苏南京 211169)

针对传统空调控制系统的不足，利用LonWorks技术的优势，设计了一种基于LonWorks MIO智能节点的空调控制系统。提出了空调系统硬件和软件设计的方法，利用Delphi开发监控界面，为用户提供了一个方便实用的图形界面编辑工具，表明了该方法的有效性和实用性。

LonWorks;空调系统;智能节点;模块

美国Echelon公司的LonWorks现场总线以其出色的开放性、互操作性，逐渐成为目前最具有竞争力的现场总线之一。该技术提供了构造网络系统的完整平台，它通过Neuron Chip单片机、Lon-Talk协议、LonWorks收发器、LonBuilder和 Node-Builder开发工具包、LonWorks网络服务体系架构LNS、Neuron C编程语言和LonMark互操作性标准，为产品开发者、系统集成商和最终用户提供了用于研制、构造、安装和维护控制网络所需要的全部技术［1］，为设计和生产提供了极大便利。楼宇自动化系统(Building Automation System，BAS)是智能建筑的重要组成部分，而空调系统又是楼宇自动化系统中最重要的一个子系统。目前市场有多种品牌的楼宇自控空调系统产品，各有特色，但大都存在中间环节过多、安装调试不便以及不能自主双向通信等缺点。而LonWorks技术彻底改变了传统分层控制系统的结构，使得整个控制系统内的控制节点构成一个平面式结构。实现LonWorks的最关键技术在于LonWorks的网络控制节点设计。本文基于LonWorks智能节点对空调系统进行硬件设计及监控软件设计，解决了传统控制的不足，安装、调试更方便，且能对采集数据实时监控，整体性能大大提高。

1 空调系统控制原理

本文设计的空调系统是指应用于现代化办公、金融等智能建筑中，对环境温湿度的控制精度要求不是很高，一般含有进风、回风、空气过滤、空气加湿处理、空气输送等。在正常工作过程中，新风与回风混合，经过滤器过滤后，混合空气与风机盘管内的冷/热水进行换热，再由加湿器对混合空气进行加湿处理，最后由送风机将处理后的空气送到各个房间内。其原理示意图如图1所示。

图1 空调原理示意图

对空调系统进行控制，其控制功能主要是:

a.温湿度控制。对新风、回风和排风进行温湿度控制，为系统温湿度的调节提供依据。

b.风阀的控制。对新风阀门和回风阀门进行开关量的控制或模拟量的调节。

c.对加湿阀的控制。在空气湿度低于设定的下限或者超过上限时，分别控制加湿阀的打开与关闭。

d.冷 /热水阀门的调节。根据测量温度和设定温度之间的温差来调节阀门的开度，使温差值在精度范围内。

e.风机控制。实现对风机的启停控制或者变频调速控制。

2 空调系统硬件设计

本文所述空调系统是以LonWorks技术的MIO模块为核心，主要分为PC监控、LON网络系统、智能阀门及温湿度控制器等。

2.1 MIO模块设计

LonWorks MIO节点属于基于主机的节点类型，由包含神经元芯片的TP/FT－10F闪控模块和AT89C2051单片机构成，且可灵活配置扩展I/O模块。TP/FT－10F闪控模块负责单片机与LonWorks网络间的连接和通信，AT89C2051单片机作为主处理器，负责对现场设备的数据采集和处理。两者通信采用神经元芯片的串行Neurowire模式实现。

2.1.1 核心模块设计

核心模块由 Neuron 3150芯片、EPROM或FLASH存储槽(TP/FT－10F和TP/XF－78F)的小型电路板、通讯收发器、电源、I/O口及网络连接件组成。存储器采用ATMEL公司的AT29C512与3150的时序配合最为合适，存储空间以64K为首选，它能够在掉电的情况下保证数据不丢失，同时在上电的情况下还能够对它进行有限次数的数据写操作。神经元芯片的存储器扩展电路如图2所示［2］。

图2 存储器扩展电路

74F00为“与非门”，74F32是“二输入或门”，它们一方面是为了实现逻辑功能，又因为传送给EPROM或FLASH的控制引脚的电平信号是3150的E、R/W和A15的逻辑组合，系统硬件电路也必须添加部分门电路，使地址时序和指令的时序能够合理协调，系统才能正常工作。

2.1.2 核心模块与扩展模块通信

核心模块和扩展模块的通信，即神经元芯片与2051芯片通信接口采用SPI方式。

由于神经元芯片的I/O口不多，故选用串行方式。SPI接口是一种同步全双工串行外围接口，其突出优点是，在使用最少的微控制器引脚的前提下，实现相对高速的短程通信。神经元芯片提供Neurowire对象，以实现 SPI方式通信。I/O8、I/O9、I/O10分别是同步时钟、数据输出、输入;I/O0～I/O7任意一个可作为片选信号或时间溢出信号引脚。神经元芯片工作在主方式，I/O1、I/O2、I/O3作为片选引脚。I/O8作为主控时钟输出，驱动扩展模块的时钟［3］。

2.2 智能阀门设计

智能阀门直接通过LON总线接收阀门开度命令，该命令以网络变量形式体现。收发器采用FTT－10A自由拓扑收发器，电源使用LM2575芯片，滤波后能够得到比较稳定的+5V电压。智能阀的结构如图3所示。

图3 智能阀结构图

2.3 温湿度控制器设计

温湿度控制器主要由Neuron芯片、D/A转换电路、执行机构驱动电路和显示电路组成。D/A转换电路包括MAX7228及其相应的外围电路。显示电路包括MAX7219及相关的驱动放大电路。执行机构驱动电路包括AD694及其相关的外围电路［4］，如图4所示。执行机构分为两种:一种是直行程电动执行机构，应用于回风、送风、新风等阀门的控制;另一种是角行程电动执行机构，应用于热、冷水阀控制。

图4 温湿度控制器结构

3 空调系统监控软件设计

在一个基于LonWorks技术的控制节点中，节点软件包括LonTalk协议、操作系统、实时库、I/O设备驱动器和用户编制的控制软件。前4部分是由LonWorks固件提供的，不需要用户编程。Lon-Talk协议提供了开放系统互联(OSI)参考模型定义的全部7层协议，为控制网络提供了所有的服务。操作系统是应用于神经元芯片中3个CPU的系统软件，包括一个为用户的控制算法提供服务的调度机制。I/O设备驱动器是为神经元芯片的11个I/O管脚设计的34个驱动程序，为串行、并行、位、字节或其他传感器、执行器硬件提供了容易使用的接口［4］。

监控软件采用Delphi语言编写。Delphi以其强大的数据库管理及组件功能，为用户提供一个图形界面的编辑工具。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，并将其变为特定方式的数据表传送到控制器中。冷水系统监控界面如图5所示。

图5 冷水系统监控界面

通信模块使用DDE协议。DDE是在Windows下多个程序间交换数据的一种方式。利用DDE协议，可在多个应用程序间以Client端和Server端的方式建立一条动态数据链，使得多个程序间分享和交换数据。本文利用DDE技术在监控界面软件与控制装置之间建立了链接关系，可实现两大支撑技术即LonWorks技术和Delphi技术之间的软硬对接［5］。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功能实现与LON网络的DDEServer连接，从而完成数据动态交换［6］。

温湿度采集模块:应用程序采集的空调系统送风口温湿度，一方面为冷/热水阀门的连续调节提供了重要依据，另一方面它以网络变量的形式返回到管理中心监控计算机的人机界面上。在采集过程中，采用了数字滤波的方法，即多次采集，去掉最大和最小值，求平均值的方法，提高了系统的抗干扰性。

冷/热水阀门连续调节模块:为了保持空调系统的送风温度在设定范围内，需要根据实际温度与设定温度之间的偏差连续调节冷/热水阀门的开度，以改变流过盘管的冷/热水流量，从而调节送风口的空气温度。

4 结束语

基于LonWorks技术的MIO节点的自控空调系统，能有效解决传统控制的弊端，不仅可以实现动态的温湿度调节，监视和记录各设备的状态、送风压力、流量、阀门开度等参数，而且可以控制分散在不同区域的空调设备，且规模扩展灵活，可通过网关接口及串行接口与楼宇设备自控系统或消防系统、保安系统等控制系统相连接，构成功能更加强大的控制系统。目前，国际和国内都有成功的应用案例。实际应用表明，该系统数据传输可靠，运行稳定，节能效果显著，且便于管理、维护和扩展。

［1］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，2003:125－136.

［2］张广川，高安邦.基于LonWorks多输入输出节点的空调系统设计［J］.电脑学习，2008(4):12－14.

［3］陈涛.基于LonWorks的智能楼宇控制器功能和技术参数设计［J］.电脑知识与技术，2011，11(21):92 －95.

［4］齐维贵.基于LonWorks技术的智能楼宇空调系统设计［J］.暖通空调，2002，32(4):70 －72.

［5］凌志浩.从神经元芯片到控制网络［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003:87－98.

［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，2010，16(10):23 －24.

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

金陵科技学院基金资助项目(jit－n－201106)

智淑亚(1968—)，女，山东济宁人，金陵科技学院副教授，硕士，主要研究方向为机电工程/LON技术开发应用。