智能建筑(Intelligent Buildings)是建筑技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是未來建筑發(fā)展的方向,。智能建筑主要由樓宇自動化系統(tǒng)(Building AutomationSystem,，BAS)通信自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)組成。樓宇自動化系統(tǒng)是利用計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)建的綜合管理和控制系統(tǒng),。
1 智能大廈自動化領(lǐng)域的幾種現(xiàn)場總線
上個世紀80年代，隨著計算機可靠性提高,，價格大幅下降,，出現(xiàn)了由多個計算機構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,，DCS),。DCS是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作,、管理和分散控制的一種綜合控制系統(tǒng),。它的測量變送儀表一般是模擬儀表，因此屬于一種模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng),。
90年代,，隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù),、通信技術(shù)的發(fā)展,，出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)(Field ControlSystem，F(xiàn)CS),。FCS是一種全數(shù)字化,、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng),，具有可靠性高,、可維護性好、成本低,、實時性強,、實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點。現(xiàn)場總線開創(chuàng)了工業(yè)自動控制的新紀元,，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng),。鑒于FCS的許多優(yōu)點，其已被廣泛應(yīng)用到BAS控制領(lǐng)域,，其中比較有代表性的現(xiàn)場總線有LonWorks,，BACnet，CAN,，EIB等,。
(1)LonWorks
LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司1991年推出的局域操作網(wǎng)，具有完整的開發(fā)系統(tǒng)平臺,，包含所有設(shè)計,、配置和支持控制網(wǎng)的元素，是目前最為先進的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。
(2)BACnet
BACnet是世界上第一個面向樓宇自動控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,，代表了智能建筑發(fā)展的主流趨勢。它詳細闡述了系統(tǒng)組成單元相互分享數(shù)據(jù)實現(xiàn)的途徑,、使用的通信介質(zhì),、可以使用的功能以及信息如何翻譯的全部規(guī)則。它的最大優(yōu)點是可以與Ethernet,、LonWorks等網(wǎng)絡(luò)進行無縫集成,，以解決不同廠家的樓宇自控系統(tǒng)相互間的通訊問題，故其不太適用于智能傳感器,、執(zhí)行器等末端設(shè)備,。
(3)CAN
CAN總線最初是德國Bosch公司為設(shè)計汽車監(jiān)控控制系統(tǒng)而提出的，現(xiàn)在它已經(jīng)成為一種國際標準,，在電力,、石化、空調(diào),、建筑等行業(yè)均有應(yīng)用,。CAN的主要優(yōu)點在于：采用8．B的短幀傳送；具有多種錯誤校驗方式,；采用無損壞的仲裁技術(shù),；CAN芯片不但價格低而且供應(yīng)商多,。CAN的主要缺點在于其支持的節(jié)點數(shù)較少。
(4)EIB
歐洲安裝總線(European Installation Bus,，EIB)1990年被提出,，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已成為歐洲最有影響的建筑智能化現(xiàn)場總線標準,。1999年EIB被引進中國的智能化建筑領(lǐng)域,，并在上海同濟大學(xué)建立了EIB認證技術(shù)培訓(xùn)中心。
2 LonWorks技術(shù)的特點
LonWorks技術(shù)是1991年由美國埃施朗(Eche—lon)公司推出的,，LonWorks技術(shù)所使用的標準通信協(xié)議是LonTalk協(xié)議,，該協(xié)議遵循國際標準化組織(ISO)1984年公布的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型的定義，它提供了(OSI)參考模型定義的全部7層協(xié)議,，通過變量直接面向?qū)ο笸ㄐ?，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放，可以實現(xiàn)互操作,。每一個域最多有255個子網(wǎng),，每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。所以,，一個域最多可以有255×127=32 385個子網(wǎng)。LonWorks技術(shù)是專門為實時控制而設(shè)計的,，在Lon網(wǎng)絡(luò)中大批設(shè)備(傳感器,、執(zhí)行器等)和Lon的控制節(jié)點相互配合，使用LonTalks協(xié)議,，經(jīng)過多種傳輸媒體進行節(jié)點之間的通信,，靈活組成各種各樣的分布式智能控制系統(tǒng)。LonWorks技術(shù)能在控制層提供互操作的Lon現(xiàn)場總線技術(shù),，其安裝的節(jié)點數(shù)遠遠超過了任何其他現(xiàn)場總線產(chǎn)品,，幾乎囊括了測控應(yīng)用的所有范疇。更準確地說,，LonWorks技術(shù)有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通信難題,。LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擁有諸多優(yōu)點，集中體現(xiàn)在：
(1)Neuron芯片是LonWorks技術(shù)的核心元件,，它內(nèi)部帶有3個8位微處理器：1個用于鏈路層的控制,；1個用于網(wǎng)絡(luò)層的控制；1個用于執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序,。該芯片還包括11個I／O口和完整的LonTalk通信協(xié)議,。包括神經(jīng)元芯片的Lon節(jié)點具有通信和控制功能，部分節(jié)點故障不會造成系統(tǒng)癱瘓,，對系統(tǒng)的調(diào)試,、維護和穩(wěn)定性都有著重要的意義,。
(2)LonWorks技術(shù)支持多種通信介質(zhì)(雙絞線、電力線,、電源線,、光纖、無線和紅外)和它們的互聯(lián),。
(3)由于LonWorks技術(shù)直接面向?qū)ο笸ㄐ?。開發(fā)人員只需將主要精力花在Lon節(jié)點應(yīng)用設(shè)計方面，而不需要專門去實現(xiàn)和測試傳輸線路和通信系統(tǒng),。
(4)LonWorks的微處理器接口程序,，即MIP軟件。用MIP軟件可以開發(fā)出各種低成本的網(wǎng)關(guān),，從而使各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)成為輕而易舉的事情,。
(5)提供LonBuilder，NodeBuilder,，Neuron C及LonManager等強有力的開發(fā)工具平臺,，給系統(tǒng)設(shè)計、維護和升級改造帶來極大的方便,。
3 基于LonWorks技術(shù)的樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計實例
某智能大廈系統(tǒng)總監(jiān)控點為1 240個,，其中數(shù)字量控制點：DI有625個，DO有358個,；模擬量控制點：AI有254個,，A0有3個。
系統(tǒng)采用美國埃施朗(Echelon)和先導(dǎo)公司(Ad—vanced Tech Inc．)以LonWorks技術(shù)為核心的EU—BAS樓宇自控系統(tǒng)作為大樓的樓宇監(jiān)控系統(tǒng),，而所有的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)則選定美國江森(Johnson con—tro1)公司的進口產(chǎn)品,，上層監(jiān)控軟件采用美國Wonder—ware公司的Intouch 7．O組態(tài)軟件開發(fā)。
3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
EU—BAS樓宇自動化系統(tǒng)是一種通過中央計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將分布在各監(jiān)測現(xiàn)場的區(qū)域智能節(jié)點連接起來的集散型控制系統(tǒng),，具有集中操作,、管理和分散控制的功能。按照分布式控制理論,，系統(tǒng)采用分層分布式控制結(jié)構(gòu),，由中央控制中心的操作站和各監(jiān)控現(xiàn)場的區(qū)域智能節(jié)點組成，系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點之間連接采用現(xiàn)場總線技術(shù)來實現(xiàn),。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成：信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、LonWorks采集控制網(wǎng)絡(luò),、上位監(jiān)控PC子系統(tǒng),。
系統(tǒng)中LonWorks現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)由三類節(jié)點組成：
(1)模擬量采集節(jié)點
主要由Neuron芯片、TP—FTl0自由拓撲收發(fā)器,、程序存儲器,、串行A／D芯片等組成,。可完成24路模擬量信號的數(shù)一模轉(zhuǎn)換,，采樣分辨率為10位,。
(2)開關(guān)量采集節(jié)點
主要由Neuron芯片、TP—FTlO自由拓撲收發(fā)器,、程序存儲器,、移位寄存器等組成?？山?4路開關(guān)量輸入,，信號全部采用光電隔離。
(3)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點
通過RS 232C串口LonTalk接口模塊LON—EU／SLTA,，支持LonTalk協(xié)議,，可以對LonWorks網(wǎng)絡(luò)進行安裝、配置,、網(wǎng)絡(luò)管理,；LON—EU／SLTA通過連接Modem的RS 232C接口，各類主機可以實現(xiàn)對LonWorks網(wǎng)絡(luò)遠程遙控及進行現(xiàn)場維護,；L0nWorks網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點通過Modem也可以向遠程主機報警,、傳遞信息等。LON—EU／SLTA還能實現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)向其他RS 232C測控網(wǎng)絡(luò)的路由功能,。
主干網(wǎng)為總線型結(jié)構(gòu),，通信速度達到1．25 MB／s；各子網(wǎng)為星型結(jié)構(gòu),，通信速度為78．5 KB／s。主干網(wǎng)與子網(wǎng)通過LonWorks專用路由器進行連接,，子網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)故障不會影響主干網(wǎng)和其他子網(wǎng)的正常通過Lon—Works網(wǎng)絡(luò)為對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，監(jiān)控主機的故障不會影響整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的正常工作。
在上位PC機部分,，采用LON—EU／SLTA作為LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口,，將LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換為串行通信，與上位監(jiān)控機相聯(lián),。這樣通過監(jiān)控機將LonWorks網(wǎng)絡(luò)集成到計算機局域網(wǎng)(LAN),，在LAN上則采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行更高一級的系統(tǒng)集成。
3．2 軟件實現(xiàn)
軟件設(shè)計主要包括LON智能節(jié)點的編程,、安裝維護和上位監(jiān)控軟件實現(xiàn),。
LON智能節(jié)點編程采用Neuron C，它完全兼容C,，具有豐富的功能子程序,，用戶無須關(guān)心網(wǎng)絡(luò)通信,、內(nèi)存分布等問題，只須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需求直接編程控制節(jié)點I／O端口,，實現(xiàn)對測控對象的訪問,；各節(jié)點之間以網(wǎng)絡(luò)變量的形式進行互訪，實現(xiàn)點對點,、點對多點的信息交換,。
BA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安裝維護軟件選用LonMaker forWindows軟件。LonMaker for Windows軟件是美國Echelon公司開發(fā)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)安裝維護軟件,。它提供密碼保護為操作人員提供操作與維護權(quán)限,，該軟件的圖形化界面使操作人員能直接明了地對各個智能節(jié)點進行安裝、下載應(yīng)用程序以及參數(shù)設(shè)置,，操作人員利用其完善的自診斷功能對各個智能節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)的故障進行檢測,。
BA系統(tǒng)的上層監(jiān)控軟件采用Intouch 7．O組態(tài)軟件來開發(fā)，它是基于Windows的32位面向?qū)ο蟮膱D形化HMI應(yīng)用程序生成工具,，用于工業(yè)自動化,、過程控制和管理性監(jiān)測，集成了當今微軟最先進的軟件技術(shù),。Intouch 7．O提供了支持LonWorks技術(shù)的I／O Serv—er,，可與LON—EU2000系統(tǒng)產(chǎn)品進行連接，實現(xiàn)整個BA系統(tǒng)的實時監(jiān)控,。
當BA系統(tǒng)安裝配置完成后,，操作人員即口關(guān)閉LonMaker for Windows軟件讓BA系統(tǒng)獨立運行；對BA系統(tǒng)的監(jiān)控通過Intouch 7．O軟件實現(xiàn),，這樣有利于系統(tǒng)安裝和監(jiān)控的完全獨立,，可以有效地防止操作人員的誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。
方案設(shè)計選用LNS DDE Server全32位應(yīng)用軟件,，安裝在中央監(jiān)控主機中,，有上層監(jiān)控軟件Intouch 7．O同時運行，它的功能是實現(xiàn)BA系統(tǒng)和In—touch 7．O軟件的實時數(shù)據(jù)交換,。記錄數(shù)據(jù),、報警信息和紀要等可以直接分別存入上層監(jiān)控軟件的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，或轉(zhuǎn)換成Microsoft Execl等文件格式并存在當?shù)赜脖P中,，通過大樓內(nèi)部局域網(wǎng),，任何上網(wǎng)用戶都可以讀取該文件并打印出來，方便使用,。
整個LonWorks BA系統(tǒng)各部分之間的數(shù)據(jù)通訊如圖2所示,。
DDE是進程之間的通訊機制，它使用Windows消息和共享內(nèi)存,，使相互合作應(yīng)用程序能夠交換數(shù)據(jù),。DDE中存在著一種協(xié)議,，發(fā)送應(yīng)用程序和接收應(yīng)用程序在交換數(shù)據(jù)時必須遵守這種協(xié)議。一般來說,，數(shù)據(jù)的提供者就是DDE服務(wù)程序,，而數(shù)據(jù)的接受者就是DDE客戶程序。在這里,，Intouch 7．0應(yīng)用程序為DDE客戶程序,，Lon Manager DDE服務(wù)程序為服務(wù)程序。LonManager服務(wù)程序在LonWorks網(wǎng)絡(luò)和Windows客戶程序之間交換網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)據(jù),。
4 結(jié) 語
以LonWorks技術(shù)為核心的LonMark標準將被世界更多標準組織認證與認可,、引用，成為世界家用電器和控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化方面重要的跨行業(yè)標準,。LonWorks技術(shù)將人們的生活帶入Internet時代,。我們身邊的樓宇、家庭,、工廠和交通運輸系統(tǒng)中,，存在著由家用電器相互連接構(gòu)成的無形網(wǎng)絡(luò)。