建筑智能化控制系统设计与应用

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　　摘    要：CAN总线是一种具有国际标准而且性价比又比较高的现场总线，利用其原理和特点研发设计的建筑智能化控制系统能够实现建筑内外高效、灵活的控制管理终端设备，达到节能、舒适的目的。
　　关键词：CAN总线;模块设备;控制管理;节能
　　1  前言
　　随着经济的发展，通信与信息、计算机网络、物联网、智能控制等技术也日新月异，智能化的概念渗透到人们生活、工作的方方面面。在日常的生活和工作中，人们对环境的舒适性以及各种设备管理的灵活性和高效性日益关注。本套建筑智能化控制系统正是基于这样的背景而设计开发。它主要应用于建筑内外的控制领域，能够实现对设备高效、灵活的控制管理，进而达到节省能源的目的。本系统是自动化技术、网络技术、控制技术的综合应用。
　　2  系统原理和背景
　　现场总线不仅是一种开放式的通信网络，而且还是一种新型全分布控制系统，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
　　CAN总线属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。从原理和实现的角度，只要有两个CAN节点和通讯介质就可以构成一个CAN总线系统。多个CAN节点可以构成较大的CAN总线系统。CAN节点按照不同的功能又可以分为数据采集节点、传感器节点、执行器节点、监控节点等。CAN总线系统与上位机连接，进而可以构成一个更大的网络系统。
　　基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：CAN总线系统各节点之间的数据通信实时性强;CAN的直接通信距离最远最远可以达到10km，通信速率最高可达1Mbps;报文传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低;CAN具有极好的检错效果;CAN的通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活;CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能。
　　3  建筑智能化控制系统的构成和结构
　　本文所介绍的建筑智能化控制系统正是基于CAN总线的原理而设计和开发的。它将分散的、能够完成多种功能的模块设备，通过简单的总线连接，进而完成比较复杂的系统功能。模块设备之间可以进行信息交换。不同功能的模块设备能够以不同的方式与外界环境或外部设备进行信息交换：或采集外界环境信息，或向外部设备输出系统的指令要求。系统可以对现场终端进行实时监控和管理。每个模块设备均内置微处理器，运行参数被分散存储在各个模块设备中，即使系统断电也不会丢失，通信速度快，运行效率高。
　　3.1  系统的构成
　　建筑智能化控制系统主要由上位机、干路管理器（BC）、支路管理器（LC）、模块设备（DV，智能节点）、电源模块等构成。
　　上位机的主要作用是对系统进行程序设定和在线对整个系统进行监控和管理。
　　模块设备按照功能的不同又分为模拟量输入模块（Ai）、模拟量输出模块（Ao）、单值数字量输入模块（Sdi）、双值数字量输入模块（Ddi）、数字量输出模块（Do）、定时器模块等。
　　电源模块主要用于给各个设备供电。
　　3.2  系统结构
　　（1）模块设备通过总线连接，由支路管理器统一管理，构成一个支路系统;一个支路管理器最多可以管理64个模块设备;在系统中，不同的模块设备以不同的地址加以区分，各个模块设备通过现场总线进行信息交换。模块设备与外部设备连接，或采集环境信息，或向外部设备输出系统的指令要求。
　　（2）如果一个支路系统不能满足使用的需要，两个或多个支路，通过交换机（以太网）连接，由干路管理器统一管理，构成一个干路系统，每个干路管理器最多可以管理63个支路。
　　（3）在同一个支路内，支路管理器与任意模块设备之间的最大距离不允许超过1000m，任意两个模块设备之间的最大距离不允许超过1000m。
　　（4）支路管理器可以通过交换机与上位机相连，由上位机集中监控整个支路的模块设备。干路管理器可以通过交换机与上位机连接，由上位机监视控制整个干路系统的模块设备。
　　4  建筑智能化控制系统的硬件设计
　　干路管理器和支路管理器硬件相同（软件不同），采用64引脚STM32F103系列芯片作为微处理器，模块设备则均采用48引脚STM32F103系列芯片作为微处理器;所有设备通信均采用CAN总线的方式，使用82C250芯片;干路管理器和支路管理器增加了以太网的通信方式，采用以太网芯片ENC28J60。
　　各模块设备所使用其它主要芯片如下：模拟量输入模块使用了MAX485芯片，模拟量输出模块使用了TLC5615模数转换芯片，单值数字量输入模块和定时器模块
　　使用了触摸芯片ST04D。
　　数字量输出模块使用了继电器（HFE10-1/12HSL2和HF12FF012HS）。
　　各种设备均采用直流12V供电，有专门设计的电源模块（交流220V输入，直流12V输出）。各种设备的硬件中均包含开关电源电路设计，将直流12V降压为直流3.3V，用于给微处理器供电。
　　5  系统的软件设计
　　本建筑智能化控制系统的软件由上层管理系统软件（上位机软件）和现场控制系统软件两大部分构成。
　　上位机软件可以用VB制作，也可以使用组态软件。上位机软件即为上层监控管理软件，用以查看现场各智能节点的运行状态、参数设置、报警显示等。
　　现场控制系统软件用C语言完成，即面向STM32芯片进行编程，使用庫开发的方式。不同功能的智能节点程序也不尽相同。主要包括通讯、显示、控制、采集等功能程序。
　　6  系统的功能特点
　　6.1  功能
　　主动询问功能：感知环境变化，采集各种数字量、模拟量数据，如触摸开关、温度、流量、湿度、照度、压力等。
　　智能管理功能：个别控制、群组控制、模式控制，自动控制（定时器）;分散控制，集中管理，远程监控管理。
　　智能显示功能：智能开关、集中监控PC都能显示监控点状态等数据。
　　远程维护功能：具备远程对模块设备进行参数设定和维护的功能。
　　系统扩展功能：自由按规则增加监控站、增加控制点、增加其它系统控制功能和控制网络。
　　故障报警功能：通信中断等故障出现时，监测中心有报警显示，并显示故障代码。
　　6.2  特点
　　本系统为多主式控制系统，安全稳定，通信速度较快，运行效率较高;可以对多路信息进行采集，也可以控制大量的输出点，不管控制形式如何复杂、控制点如何分散，都可以提供最优的控制决策;不但可以分散、多地点控制，也可轻易做到集中监控管理、远程管理;提供了安全、高效、灵活、节能、便捷的环境;多样的控制方式实现了多种控制效果;布线简便;系统设定、管理、维护方便。
　　7  系统的应用
　　建筑智能化控制系统可以广泛应用于多个控制领域，如照明、空调、家用电器、通风、热水、工业终端、温度、湿度、压力、流量等的控制管理;可以广泛应用与多种场合，如宾馆、办公楼、展览馆、体育场馆、医院、工厂、学校、景观园林、城市广场、别墅等。实现了控制管理的“高效化、智能化”，达到了“节能、安全、环保”的目的。
　　参考文献：
　　[1] 张培仁.CAN总线设计及分布式控制[M].清华大学出版社，2012.
　　[2] 杜尚丰，曹晓钟，徐津等.CAN总线测控技术及其应用[M].电子工业出版社，2007.
　　[3] 卢有亮.基于STM32的嵌入式系统原理与设计[M].机械工业出版社，2016.
　　[4] 苏小红、陈慧鹏、孙志岗等.C语言大学实用教程[M].电子工业出版社，2007.
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