（控制理论与控制工程专业论文）楼宇自控系统中无线通信的研究与开发.pdf

具u 口 智能大厦是国际上从8 0 年代初期开始逐渐发展起来的一种新型建筑物。建 筑智能化系统融合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术的最新技术。是 信息时代的必然产物，已成为综合经济国力的具体表征。楼宇自动化系统是智能 大厦的各智能化系统中涉及面最广、要求最高和功能最丰富的组成部分。 在本课题中，针对目前国内市场的需求，我们提出了一种基于l o n w o r k s 网 和由8 0 c 5 1 构成的主从式网的混合方案，在此方案中以l o n w o r k s 为主干网，以 8 0 c 5 1 构成的r s 一4 8 5 主从网络为支干，以我们自己丌发的网关为枢纽的方案， 以无线通信为通信方式，实现了数据分级管理，一定程度上缩短了上位管理机的 巡榆周期，减少了网络流量，提高网络数据传输的宴时性大帚采用通啊芯片， 大大减少了专用芯片的使用量，降低了系统成本，提高了整个系统的性价比。 通过此课题，本人受益匪浅，既丰富了神经元芯片和通用单片机的软件编程 知识和现场总线和l o n w o r k s 网知识，又对无线通信有了进一步的认识。基本掌 握了微机系统硬件的设计，组网和调试，积累了不少的实际工作经验，为今后的 工作打下了举实的基础。 此论文是本人近一年工作和学习的总结。由于时间和水平有限，文中错误在 所难免，恳请希望各位老师、同学指j 下。 摘受 南人学坝i 。学位论文 摘要 本论文介绍了解决楼字自动化控制网络系统的一种方案，它是基于l o n w o r k s 网和主从 式r s 一4 8 5 网的混合设计方案。本论文的重点在于介绍该系统中的无线报警子系统和无线抄 表子系统，全文包括五个主要章节： 第一章为概述部分，主要介绍智能建筑的历史、目前国内外发展状况和本楼字自动化控 制网络系统的概况。 第二章主要介绍r s 一4 8 5 主从式网络中控制节点l f c 一5 l 。 第三章主要介绍部分基于l o n w o r k s 技术的网络节点。 第四章主要介绍无线报警子系统，以及无线报警子系统中的无线接收发射模块l f k 。 第五章主要介绍无线抄表子系统和其中的l f s 无线数传模块。 最后，论文对本楼宇自动化控制网络系统进行了总结，并指出了不足之处并提出丁系统 完善和改进的方向。 关键词：楼宇自动化控制网络 l o n w o r k sr s 4 8 5 主从网络 无线报警系统无 线抄表系统无线数传模块 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas o l u t i o nf o rb u i i d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mn e t w o l k t h j s c o m p o u n dd e s i g ns o l u t i o ni sb a s e do nl o n w o r k sn e t w o r ka n dm a s t e r s l a v e r yr s - 4 8 5 n e t w o r k i n t r o d u c i n gw i r e l e s sa l a r ms u b - s y s t e m a 工】dw i r e l e s se x c e r p t i o nm e t e ri st h e e n l p h a s i so ft h i sp a p e r t h ed i s s e r t a t i o nc o r 培i s t so f 丘v ec l a o t e r s ： 1 s 撕z et kh i s t o r yo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n ga 1 1 dt h ep r e s e md e v e l o p m e n t s t a t i o no ft h eb r o a da 1 1 dh o m ea n dt h es u r v e yo fb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m n e t w o r ki si n t r o d u c e di nt h i sc h a d t e l 2 t h ec o n t r o ln o d el f c 一5 1o f m a s t c r - s l a v e r yr s 一4 8 5n e t w o r k si si n t r o d u c e di nm i s c h a p t e t 3 p a r to f n e t w o r kn o d eb a s e do nl o n w o r k st e c h n o l o g yi si m r o d u c e di nt h i sc h a p t c l 4 w i r e l e s sa l a n ns u b s v s t e ma n dw i r e l e s sr e c e i v ea n dl a u n c hm o d u l el f ki s i m r o d u c e di nm i sc h a d t e l 5 w i r e l e s se x c e r d t i o nm e t e ra n dw i r e l e s sd a t a 仃a n s m i s s i o nm o d u l esi n t r o d u c e di n t h i sc h a d t e l i nc o n c l u s i o no ft h i sd i s s e n a t i o n s o m ed e 6 c i e n c i e so ft h es y s t e ma n d 虬l g g e s t i o n st o i m p r o v ea r es t a t e d k e y w o r d s ：b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m l o n w o r k sr s - 4 8 5m a s t e r - s 1 a v e n e t w o r kv ，i r e l e s sa l a r ms y s t e mw i r e i c s s e x c e r p 【j o ni e l e r s y s t e m w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e 第一章概述 中南大学颂学位论文 第一章概述 智能大厦( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 是国际上从8 0 年代初期开始逐渐发展起来的一种新型建筑 物，它是应现代人们追求安全舒适生活环境和信息社会高度发展的舣重需求而诞生的。建筑智能化 系统将现代计算机技术、自动控制技术和通信技术结合到传统的建筑业当中，通过对设备的自动监 控、对信息资源的管理和对使用者的信息控制服务及其与建筑的优化组合所获得的投资合理、适 合信息社会需要并且具有安全、高效、便利和灵活特点的建筑物。智能建筑是信息时代的必然产物， 是高科技精灵与现代建筑的巧妙集成，它已成为综合经济国力的具体表征，并将以龙头产业的面貌 出现于2 l 世纪。 第一节智能大厦的产生及概况 7 0 年代初，在日本产生了最早的智能化建筑物的构想。日本建筑行业出于节省能源开支的目的， 首先提出使用定时控制设备控制建筑物内的电力、供水和热能等系统，并在中央计算机的统一管理 下，达到最大效率地使用有限能源的目标。但是受到当时技术水平上的限制，这个构想无法普遍地 在大厦建筑工程中予以实现，智能化建筑物还仅仅是一种处于实验阶段的技术构想。 直到8 0 年代初国外有一些超高层大厦出现，在这些大厦里居住或工作的人们对大厦环境的要 求日益提高，各种自动化的管理与服务设备广泛应用于大楼，各种专业系统同时共存，如消防、保 安、空调温控、能源管理、给排水、监视、停车库管理、管理信息、辅助办公及通信等系统。各专 业系统一直采用各自独立、分布配线的施工方法，这造成弱电系统配线过多、系统混乱、管理分散、 维护困难等各种问题，随着大楼功能的日益增多最终达到了令人无法容忍的地步。而8 0 年代微电 子技术的进步和通信技术的发展为智能化大厦提供了技术上的基础，从而推动智能大厦走向实际应 用的阶段。 现代通信技术的迅速发展是推动智能大厦走向实际应用的另一个重要方面。由于大厦控制系统开 始大量地使用计算机控制设备，控制信号也越来越多采用数字信号。因此，一些原先只是应用于计 算机数据交换的通信方式开始应用在建筑中。采用现代的计算机通信技术可以保证在很高的通信速 率下，仍旧能保持相当好的通信质量。而且随着数字通信信道的质量和带宽的不断提高很多过主 采用模拟通信信道的传统通信系统都向着数字通信方式转变，这又为实现综合通信系统提供了重要 的基本条件。 技术的进步使人们可以大量地使用计算机，协助完成许多需要大量人力才能完成的工作。在建 筑物中开始大量使用智能化的控制系统，实现了更充分、更强大的自动化功能，节省了操作人员的 人力，提高了工作效率，还能实现各专业系统的集中管理和信息交换，综合地运用和分析各种数据 对情况做出正确判断，并使各专业系统构成一个整体对现场情况做出相应反应，这就是智能人厦殴 计和实现的基础。智能化建筑主要的特点是使用计算机控制系统综合管理大厦的日常运作，达到节 约能源、提高效率、保障人生安全和改善工作环境的目标。建造在美国康涅迪克州的”城市大厦” ( c i t y p l a c e ) 是世界上第一幢智能大厦。 第一章概述中南大学硕学位论文 一幢功能完整的现代智能大厦应该包括三个组成部分：楼宇自动化系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o n ) 、办公自动化系统( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 、综合通信系统( a d v a n c e d t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。这三个组成部分合在一起称为大楼智能化综合管理系统。 楼宇自动化系统 楼宇自动化系统是智能大厦的传统部分，也是基础部分。8 0 年代中期，计算机在更加普遍地运 用于每种系统的管理和运作活动的同时，出现了进一步小型化和功能多样化的趋势。随着智能大厦 功能要求的越来越多样化，如果还是使用一台中央计算机控制大厦所有日常工作的话这台计算机 要求大量的资源和相当复杂的功能，因此需要选择更经济的方案。于是，在计算机控制系统中开始 普遍采用一些带有高性能中央处理器的智能控制器，智能控制器体积很小，采用i n t e l 、m o t o r o l a 等公司的处理芯片，处理能力并不亚于普通的微型计算机。智能控制器的底板上可以加装各种接口 模块，实现不同的控制运算。智能控制器体积虽小，功能却很齐全，可以构成控制各种智能化系统， 在一定的范围内实现复杂的管理工作，而且它的价格低廉又易于安装和设置，因此，智能大厦中 开始大量使用各种智能控制器，把大量复杂的控制任务分散到遍布大厦的各职能控制器上去。这样 既节省了开支，又使各智能化系统的安装和维护变得更加方便。 另外，计算机通信技术的进一步完善，使得计算机网络可以有效地在智能大厦中发挥作用。由 于智能大厦开始采用分散控制的技术在各分散控制系统之上，总是需要有一层中央计算机系统， 这层系统不仅用于对各智能控制器的管理和设置。为它们相互之间提供数据交换的通道，同时也是 为了使智能大厦的物业管理人员在控制大厦的智能化控制系统时，能够有一个良好的“人机对话” 的界面，也就是一整套既有效又易于操作的管理软件。因此，现在的智能化控制系统的最高层往往 采用微型计算机和图形工作站，在这些计算机中安装各种基于某种操作平台开发的应用软件，以此 代替过去的中型计算机作为中央控制计算机统一指挥各智能控制器管理智能太厦的日常运作。这 其实就是目前国际上流行的分布式信息控制理论和集散型系统殴计理论的基础。 可以看出，在这种集散型控制系统中，中央计算机系统与各种智能控制器之间的信息交换就 显得相当重要，没有了统一处理各种信息的庞大的中央计算机系统，取而代之的众多智能控制器之 间就存在大量的数据交换，这种数据交换的可靠性、安全性和通信速度就要求不亚于中型计算机的 内部总线，否则就会影响整个系统的性能。计算机网络技术的成熟为这个要求提供了最佳的解决方 案。现代的计算机网络技术，如以太网、令牌环网等都可以将各种不同类型的微型计算机、图形工 作站等连接在一起同样也可以将智能大厦的中央计算机系统和各智能控制器连接在一起，而且这 些网络技术能够以其安全可靠的性能应用于银行、航天部门等要害机构，也证明其可以满足智能大 厦的通信要求。 办公自动化系统 办公自动化系统是一种智能化系统，同时也是一种不断发展中的思想。利州计算机系统平u 相应 的计算机软件，人们把日常繁重复杂的办公室工作在计算机系统或计算机网络系统上自动完成，实 现数字化、智能化、无纸化和集成化的目标。办公自动化称为智能大厦的重要功能之一，现在在一 栋智能大厦中，8 0 以上的计算机系统和计算机网络系统用于办公自动化系统，这是很大的一部分 2 第一章概述中南大学硕学位论文 资源，如何保证办公自动化系统的正常运作和进一步发挥起作用成为现代智能大厦的一个重要课 题。 综合通信系统 综合通信系统指的是除传统的电话通信之外，还包括电视信号通信、卫星通信、微波通信、移 动通信、计算技术数据通信、多媒体通信等多种功能的通信系统，综合通信的要求称为信息社会的 基本特征之一。也是办公自动化实现的重要基础之一。现代化的通信技术与人们的生活密切相关， 综合通信能力是现代的智能大厦必须具备的功能，综合通信系统成为智能大厦的第三个不可缺少的 组成部分。智能大厦综合通信系统的综合能力和通信质量，现在已经成为衡量该智能大厦性能高低 的最直观、最有效的重要依据。 智能大厦和其他种类的智能化建筑物正逐渐成为建筑行业的主流。剑1 9 9 2 年之后，美国、日 本和西欧等发达国家中，9 0 以上的大中型综合建筑物采用了智能大厦的思想和设计。建筑智能化 已经席卷了全球建筑行业，并还在不断地发展。未来，智能大厦中还会出现更新的思想和设计，智 能大厦将更加完善和强有力，必将进一步地改善人们的日常生活。”1 第二节楼宇自动化系统的构成及发展 楼宇自动化系统( b a s 。b u i i d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ) ，是智能大厦的各智能化系统中发展历史最 长的子系统。长期的发展、研究和实际应用，使得b a 系统成为3 a 系统中涉及面最广，要求最高 和功能最丰富的组成部分，一旦缺少了高性能的b a 系统，大厦根本就无法称之为“智能大厦”。 一、队系统的构成 b a 系统在本质上是庞大的计算机控制系统，因此其基本结构中也必然包括感应检测单元、控 制单元和控制矩阵运算单元等三个组成部分。现代的b a 系统依靠计算机和网络通信技术的发展， 将感应单元和控制单元制作成几种标准的数字信号元件，将控制矩阵的运算工作分散到分布于智能 大厦各处的智能控制器上，并将所有控制器置于中央计算机或计算机网络的统一监视和管理之f 。 这种基本的系统结构就称为集散式控制系统( d c s ) 。它是以中央计算机为核心的，包含各种楼字 设备控制子系统( 如供电、空调、照明、电梯、消防、安防报警等等) 的综合体系，在智能大厦布 线系统和中央计算机网络的平台上，组成分散控制以及集中监视和管理的功能模式。此系统可以随 时根据智能大厦发展的需要，任意地增减功能和扩充规模。 依据集散型系统的基本特征，每方面的功能都由一系列自动化控制系统来实现，每套控制系统 都包括三个层次的控制设备。因此，一个完整的楼宇自动化系统首先必须由三个结构层次的控制设 备组成。三个层次结构依次是： 第一层中央管理系统 中央管理系统集中监视整个b a 系统的运行状况，管理第二层的所有控制设备，协调各相关系 统的工作配台并向管理人员提供有关信息。 中央管理系统包括计算机操作站、b a 专用- 攻备、计算机网络设备和管理软件等四个组成部分。 3 第一章概述中南大学顽学位论文 第二层智能控制系统 智能控制系统介于中央管理系统和最终的数据采样控制和执行机构之间，它是分布式信息与控 制理论结合现在计算机控制和通信技术的产物，是b a 系统中央管理功能的实施者和延伸。 智能控制系统的主要功能包括两个方面： ( 1 ) 分别监控b a 系统中各子系统设备的运行，提供各种控制算法，直接控制和管理第三层的所 有数据采样控制和执行设备： ( 2 ) 同时收集各自所管理的设备的运行数据，并向第一层的设备提供这些信息，协助中央管理系 统实现各种预定的管理功能。 第三层数据采样控制和执行系统 数据采样控制和执行系统是整个b a 系统最末端的层次结构，是系统最终实现其各种数据采集、 系统控制和功能执行等动作的部分，这个系统由大量功能各异、非智能的电子器件组成，受第二层 的设备监视和管理。 数据采样控制和执行系统的组成器件基本可以分成三大类： ( 1 ) 传感器负责在b a 系统管理的各种环境和设备中采集原始数据，起到监视这些环境和设备 情况的作用。 ( 2 ) 控制器负责根据智能控制器的指令调控各种开关和阀门，分解完成每个控制任务中各个独 立的控制动作。 ( 3 ) 执行器负责最终执行b a 的控制动作，直接对所控制的设备执行控制动作，实现流量等控 制量的最终调节。 楼宇自动化系统任务是提供给客户安全、健康、舒适、温馨的生活及高效的生活环境，并能保 证系统运行的经济性和管理的智能化。因此监控范围可涉及的面很宽，主要包括电力、照明、空调、 环境监控与给排水、电梯、停车场管理系统等，其大致范围如图1 】所示。 二、我国楼宇自动化系统的发展现状 我国于9 0 年代初开始进行对智能建筑工作的初步探索。到目前为止，在此领域虽已有较大的 进展；但是，主要应用仍集中于综合布线系统和计算机网络系统，楼字自动控制系统相对滞后。当 前，国内市场上主要系统均为国外产品，其功能、技术虽较为先进，但其价位相当高，且其功用不 能完全适合我国国情。据有关资料报道，国外产品在中国应用的典型工程，其功能的开通率不到 2 0 。l o n w o r l ( s 控制网络技术是利用串行数字通信技术，专用于互连各种控制设备、数字仪表、智 能传感装置的控制局域网络，它已经成为当前国际上最为流行的现场总线之一，在楼宇自控领域已 经占有市场的6 0 以上。国内现有6 0 余个厂家加入了l o n w o r k s 控制网络的0 肼行列。但其系统 软、硬件基本上都是在购买国外硬件的基础上组网，且未见有跨网络的控制应用，产品价位不低， 功能开通率不到3 0 ，还受到国外的技术控制和垄断。针对上述状况，由中南大学信息工程陈际 达教授1 9 9 9 年1 0 月经过充分论证，提出了采用l o n w o r k s 技术作为控制网络主干，研究、开发一 系列高可靠性、低成本的网络智能控制节点及路由器设备；同时，实现性能优良的控制网络廊川软 4 杈 ：鲁 挚 扑 髫 扑 _ k 艟 导 蚓 蔓 妊 箍 螺 惴 篁 需 口 协 螫 谅单 搓娟描粤 厂 - 七 爨s 嗡蒜郊脒牡尉 靖 蟋冬睾 ：铷。睾 o 埠帕脊_ 一一佛嵇。募 l 一耙啦长 杈剃薅_ 辈强蚓察。涮磊 器量鞋靴? 掣磊 旨掷租磊寸缸副 堑霉掣磊寸扭尉 手r 举趟奸靴剐_ | j ；嚣 杈寻 埋鹾星鲁 僵5 末车 习一 裂罩 掣齄髻掣 拯烂案翘 糍羽靶幂 餐臀衽嘉 辈罩 k 皿需餐嚣寸肇靴 l 殳* 文剥 引d 搿碓 如聋鼍寸墨王善 瓷鄂髫番寸瓤磊 鼎区 熹；莲 受鬟 剞晷 叠毒最转莩蠢錾露 桐* 堇警 俦辑莹 一卷堇詈 埕帕辅导 阜硅鲁 杈掣 恒皑醒导 旺律ge舞嘶睾蒋口k，鼙=噩 第一章概述中南大学硕学位论文 件平台，形成一套自主开发适合我国国情的楼宇自动化控制网络系统的课题。该项目由国家建设部、 湖南省科技厅和建设厅作为2 0 0 0 年科研项目立项：从1 9 9 9 年1 1 月至2 0 0 1 年1 2 月，通过不懈地努 力与攻关，终于完成了系统各个部分的研制开发和系统总调、测试等工作并且初步具备了系统产 业化的能力。该项目主要技术填补国内空白，技术水平达到国际先进，国内领先地位，系统的不少 设计思想具有独创性。本论文主要围绕该系统的无线通信部分进行论述。 第三节 本系统的总体概述 根据我国建筑业发展的实际情况和对楼宇自动化的要求，本系统的没计目标为：一、系统一股 包含1 0 0 0 2 0 0 0 个控制节点，每个节点监控一户家庭或住宅。二、节点可采集、传递和按照一定的 算法计算、控制各种与楼宇自控系统有关的开关量( 各种报警信号、开关的动作等) 、脉冲量( 三表 数据等) 、模拟量( 温度、流量等) 等各类被控量，节点可单独或组网工作。三、控制网络的通讯应 可保证各类控制的实时与可靠性，传输介质应通用低廉。四、系统结构具有较高的开放性和可重f = 性，网络易于安装、维护与管理。五、系统的人机界面友好，具有相应的数据库功能，并可以一定 的方式进行远距离遥控( 如通过无线或因特网) 。 为了完成这些功能和适应不同的用户需要以及利用单片机与单片机之间的串行通讯可靠性高 和发挥l o n w o r k s 网在通讯上的优势我们提出了基于l o n w o r 】( s 网和土从式r s 4 8 5 网的混合设计 方案。其设计方案见图1 4 所示。 ( 1 ) r s - 4 8 5 主从式通讯模式：各级主节点按地址巡检各自从节点的状态，各从节点实时完成数据 采集和控制功能。数据的巡检周期：报警信号不断巡检：模入和模出与控制对象的控制周删 有关，一般为几秒钟；三表读数按需要可一天或几天一次。r s - 4 8 5 主从式通讯应尽可能少 的传输数据，各从节点有状态变化时，才传输变化的数据。 ( 2 ) l o n w o r k s 协议通讯：系统时间、报警信号、模入和模出均为网络变量传递；三表读数为消息 方式。l o n w o r l c s 网络与r s - 4 8 5 网关；网关的主要完成了l o n w o r i c s 网络与r s - 4 8 5 网络的物 理与网络协议上转换。每个网关至多可以挂接2 5 5 个节点。 本方案的优点是：数据分级管理，各网关对数据实现上下两级分离且各网关可并行工作一 定程度缩短了上位管理机的巡检周期，减少了网络流量，提高网络数据传输的实时性：因为单片机 的实时控制能力比较强，提高了网络的响应速度；使用的底层节点核心部件大量采用通用芯片，人 大减少了专用芯片的使用量，降低了系统成本提高了整个系统的性价比。同时，采用r s - 4 8 5 协 议使系统具有了与其他传统的基于r s - 4 8 5 协议控制网络连网通讯的能力。 本论文论述的楼字自控系统是在原有系统上的改进。原有系统的报警子系统用抄表子系统中的 通信都是有线通信，而改进后的系统则实现了无线报警和无线抄表。它的优点在于能大大地简化弱 电布线系统，降低智能住宅的建造成本。另外，在把旧房改造成智能住宅过程中，也能使住户不必 为重新布线、重新装饰而烦恼。 6 塑二主丝笙 ! 塑查兰! ! ! 兰竺笙兰 i 网络蜜辈r cl 胁管署r c p 。o 篡；蔷二f l期缔终l i i 堕丝翌皇i 固 l o n * o r k s 列与 主从式r s 4 8 5 r s 4 8 5 嘲州关 ，j 士、，j l ， 。吣啦o o o g 伊锢图 i 岸i i 。 开关量节点 l f c 5 l 厂卤 l 弧无线接收 l f s 无线数传模块 发射模块 声 乏； 明必珠删黹 【l f s 无线数传模块 l 5 k 专冀；霎。收e 三防盗探测器 发射模块广一聂荔箍磊爱 1 墼主塑垂i l 路由器j 图1 4楼字自控系统概况图 7 箱二市l f c 5i 喇络柠制节点中南人学硕i ：论义 第二章l f c 一5 1 网络控制节点 r s 一4 8 j 主从式网络中控制廿点l f c 一5 l 的主要构件是m c s j 1 年r s 一4 8 5 电平转换芯片m a x l 4 8 7 。 第一节r s 一4 8 5 主从式网络技术 1 、r s 4 8 5 协议【7 各类节点所要完成的共同功能是数据传送和网络配置安装。而楼宇自动化系统是一种多节点的系 统，因此，选用何种方式实现通讯的实时陛和可靠性在本系统中就显得格外重要。在这里选用的是主从 式r s 4 8 5 接口进行士从式串行通讯。 r s 4 8 5 是r 舣r 的异步串行通讯方式；只需一对平衡差分信号线。 r s 4 8 5 土从多站互联原理见幽 2 1 所示。幽中一台主机通过r s 4 8 5 接口实现与多台从机的r s 4 8 5 接口的连接。 hnn 锰 图2 1r s - 4 8 5 通讯多机互连原理 2 、m a x l 4 8 7 1 8 l r s 4 8 5 接口为平衡发送和差分接收收发器可采用m a x i m 公司的m a x l 4 8 7 。m a x l 4 8 7 是低功 耗的r s 4 8 5 收发器。它的j r 件电流i c c 为3 5 0ua ( 最大值) ，这是现有的r s 4 8 5 收发器i c 中最小的功 耗。转换速率1 j 艮制的输山暂态实际上抑制了数据线终端火配引起的反射。这样，它可庄更 = = 的它缆上进 行无误码传输。 m a x l 4 8 7 至少可以1 5 0 k b i 以的数据率进行发送。它是标准的半双工收发器，其接收器输入阻抗4 倍丁其他r s 4 8 5 收发器的相应值。冈此可将1 2 8 个m a x l 4 8 7 器件连在一条线上，而不是通常的连接3 2 个r s 4 8 5 器件的极限。 m a x l 4 8 7 的管脚剀见幽2 2 所示。 管脚的功能介绍如f ： r o ：接收器输出： 第一二苹l f c 5 l 删络控制节点中南大学硕1 j 论文 j 西：接收器输山使能。面为离电平时，r o 呈现高阻状 态： 罂 。e ：发送器输山使能。e 为低电平时a 和b 呈高阻状 器 态； d i v c c b a 心 d 【：发送器输入： a ：1 f 转化接收器输入和诈转化发送器输山； 图2 2m a x l 4 8 7 瞥脚罔 b ：转化接收器输入和转化发送器输出： 3 、网络节点通讯原理 网络：仃点进行通讯的电路原理见图2 3 所示，下位机的串行通讯由8 0 c 5 1 的全双工串行口t x d 、 r x d 来实现，6 n 1 3 7 是高速光电藕合器，m a x l 4 8 7 是r s - 4 8 5 收发器。 vmaxl487 图2 3网络节点通讯单元原理图 第二节l f c 一5 1 控制节点 l f c j l 控制i 符点在本系统中是最基本的控制单元，也是使用量最大的一个部件，它可以完成数据采 集、实时控制、传送数据及网络配置安装等的功能。8 0 c 5 l 是l f c 一乱的主要构什。r 面先介耋i _ 8 0 c j l 芯 片。 l 、8 0 c 5 1 芯片简介 w i n b o n d 公司的m c s 一5 1 系列单片机是一种亮性能8 位单片机，适川丁各类白动控制系统。 m c s 一5 l 单 片机按有无片内r o m 可分为8 0 c 5 l 和8 0 c 3 l ，按片内r o m 的类型可分为8 0 c 5 l 和8 7 c 5 1 。8 0 c 3 l 无片内r o m ，可 寻址外部6 4 k 存储空蝌片内r a m 为1 2 8 字：社。8 0 c 5 l 的片内程序存储器是r 侧搬8 7 c 5 l 的片内程序存储器 足c p r o m 刑，它们的存储空间都为4 k ，片内r 删都为1 2 8 个宁。m c s 一5 l 有4 个8 位i o 口，3 个1 6 位定时汁 数器，6 个中断源，4 个中断优先级的可嵌套中断结构，1 个串行i o 口可作多机通讯或全烈上u a r t 或扩 展i 0 口片内振荡时钟电路。对于那些需要外部扩充储存器达6 4 k 的应川系统，m c s j 1 可扩展标准吖l 兼容的存储器年逻辑器什。适用温度范嘲：商用级( o 7 0 ) 平【：业级( 一4 0 8 5 ) 。封址形式分 p d 【p ，p l c c ，p q f p 三种。 9 第二常l f c 5 l 网络摔制节点中南大学顾j 论文 m c s 一5 l 郁是低电压全静态设汁。可提供很宽的操作频率( 晟低到0 ) 。2 个可软件选择的低功耗模 式：空闲i d l e 模式和掉电模式。在i d l e 模式f ，c p u 停止工作，但允许r a l j 、定时器、串口和中断系统 继续工作，硬件复位或任何中断都可中【e i d l e 模式。在掉电模式下保存r a m 的内容，但振荡时钟被冻 结，所以其它的功能都停止，p 口引脚保持其在s f r 中的相应值。因为是静态设计，时钟冻结不会丢火川 户数据，唤醒后指令将从时钟冻结处开始运行；硬件复位或外部中断可唤醒器件退山掉电模式。 2 、8 0 c 5 l 的串行通信方式“ 底层的两级单片机网络系统通讯采用的是主从式r s 一4 8 5 的通讯方式。主机与从机连线的原理如蚓 3 一l 所示。土机通过一对平衡差分线( 如双绞线) 实现与各从机的通讯，土机平i i 从机部为8 0 c 5 1 系统。 主机与从机的通讯遵循主从式，主机刖单独呼n q 方式选通从机：反之l | ! i l 不行但数据可“向传递， 在介蜊通讯工作原理之前先说明一下8 0 c 5 l 的串行口r x d 、t x d 的4 种通信方式： 1 、方式0 方式0 是同步方式，在此方式中，8 0 c 5 1 单片机用r x d 引脚作为串行数据发送接收端，另外_ e | jt x d 引脚输山8 个移位脉冲串。无论发送8 位数据，还是接收8 位数据，都是最低有效位在前。 2 、方式l 此方式为标准的异步通讯方式，通信格式为每1 0 位构成一串行帧：l 位起始位( o ) 8 位数据位( 蛀低 有效位在前) 和1 位停止位( 1 ) 。t x d 用来发送，r x d 用来接收。 3 、方式2 这是异步第9 仿辨识通信方式。其串行帧由l l 位构成：1 位起始位( 0 ) 8 位数据托( 最低有效位在前) 、 l 能可编程的第9 位数据位和l 位停止位( 1 ) 。 4 、方式3 这也是异步第9 位辨识通信方式，其串行帧方式与方式2 相同。方式3 雨方式2 的等异仅在丁通信 波特率有所不同：方式2 的波特率由8 0 c 5 1 主频经3 2 或6 4 分频后提供；方式3 的波特率由定时器 t 1 或t 2 的溢山率经3 2 分频后提供，故它的波特率是可调的。 方式2 羊| j 方式3 发送时通过s c o n 寄存器中的t b 8 将数值赋给第9 位数据位。每次发送完后， t b 8 可由软件复位。通过设置s c o n 中的s m 2 可实现式多机通讯若s m 2 = o ，串行口以单机发送或接 收方式工作t i 和r j 以正常方式被激活，但不会引起中断请求：若s m 2 = l 和r b 8 = l 时，r i 不仅被激 活而且可以向c p u 请求中断。 利刚8 0 c 5 l 的串行口方式2 平方式3 中s m 2 的设置就可以实现主、从机的通信，其l ：作原理如f ： 8 0 c 5 l 使用丁多机通讯必须在方式2 或方式3 下工作。作为主机的8 0 c 5 1 的s m 2 应设定为0 ，作从 机的s m 2 设定为i 。主机发送并为从机接收的信息有两类：一类是地址，川，指示需要硐土帆j l i l 信的从 机地址，由串行数据第9 位为“l ”标志；另一类是数据，由串行数据第9 位为“o ”标志。由丁：所有从 机的s m 2 = 1 ，故每个从机总能在r l = o 时收到主机发米的地址( 因为串行数据的第9 为“i ”) ，爿：进入 各白的中断服务程序。在中断服务程序中，每台从机把接收到的从机地址和它的本机地址( 系统改汁时 分配) 进行比较。所有比较不相等的从机均从各自的中断服务程序中退出( s m 2 仍为1 ) ，只有比较成 功的从机才是被土机寻址通信的从机。被寻j = 卜从机在程序中使s m 2 ；l 以便接收随之而来的数锱或命令 1 0 蚺一尊l i c 5 jm 络拄制节点中南人学瑚l 论义 ( r b 8 专o ) 。 3 、l f c 一5 l 节点的硬件设计 楼宇自动化和复杂的工业过程控制是多变量、多耦合系统，它要求相麻的控制系统具有多个控制点： 各个控制点可以独立完成一定的控制功能；控制系统具有可重构性与可扩展性，因此我们在进行埂什设 计时既要考虑它的实时控制，义要保证它通讯的可靠胜虬及与数据采样器什的连接。两j ；l f l 炎掣1 ： 系统中完成的功能如下所示。 l 、 开关蟹型节点在系统中要完成的功能有 ( 1 ) 采集各种开关量信号，如红外信号，烟感信号等。 ( 2 ) 根据开关鼙信号输入的情况，输出开关量，使现场产生实时的声、光等报警信号平执行各种应急 开关动作。 ( 3 ) 实时的采集各种脉冲计数表产生的脉冲信号，并且能在掉电的情况下保存。 ( 1 ) 实对的将再种开关繁信号和脉冲鼙信号通过r s - 4 8 5 的通信接口传输至上级数据采集器。 ( 5 ) 通过r s 一4 8 5 的通信接口接收由微机下传的二进制文件或十六进制文件，在线更新白身运行稃序。 根据以上的要求设计的开关量型节点硬件结构如图2 4 所示，它具有八路光电隔离开关越输入四 路光电隔离开关量输出。四路脉冲输入和一个通用r s 一4 8 5 串口：数据可掉叱保护至少五年以上。 网路脉冲量输入 喀许车傩 、 图2 4l f c 一5 l 开芙量型节点硬件结构图 输 2 、 模拟革刑节点在系统中要完成的功能有 ( i ) 采集各种模拟颦信号，如温度、湿度等，经a d 转换成数字信号。 ( 2 ) 协点中的c p u 根据采集到的模拟量信号，经过p l d 控制、模糊控制、神经元控制等通州控制算法 通过p w m 脉宽调制信号经输出滤波电路，输出模拟信号调节所需控制的对象。 ( 3 ) 采集各种开关量信号，如红外信号，烟感信号等。 ( 1 ) 在有开关鼍信号输入的情况下，输出开关最，使现场实时的产生声光等报警信号。 实时的将各种开关量信号和模拟嚣信号通过r s 一4 8 5 的通信接口传输至单元控制器。 t 勘迎过胁一4 8 5 的尬信接口接收由微# p 传的- 二进制文r ：或十六进制文制：，阿线史新l j 片延i j 张 。 根据以上要求设计的模拟量型节点硬件结构如图2 5 所示具有八路模拟输入( 1 0 位精度) 、三路 p w m 输出( 可转换为o 5 v d a 输出) 光电隔离开关量输入八路，光电隔离开关量输出四路：掉屯数据 第二章l f c - 5 1 网络控制节点中南大学硕士论文 可至少保存五年以上。该8 0 c 5 l 的节点系统具有外接电路少集成度高，稳定可靠的特点。模拟量输入 电压：5 v ，1 0 v ，0 5 v ，o 1 0 v 可调；。模拟量输出电压：0 2 5 v ，0 5 v 可调。 图2 5l f c 一5 1 模拟量型节点硬件结构图 第三节l f c 一5 l 网络控制节点的软件设计 a l f c 5 l 系统除了硬件之外，还有为实现各种功能而编制的各种专用程序软件。硬件是基层，软 件对硬件有很大的依赖性。但是在硬件确定以后，我们应该开发出基于通用型智能网络节点的a g e n t 软 件体，使其具有自主性、协作性、和适应性的特点。所以说高水平的软件设计又可以弥补硬件的某些不 足，使本系统的性能达到较高水平。 2 图3 6 系统软件框图 第。_ - 市l 。f c 5i 旧络撺制节点中南人掌f 叭1 0 台立 l f c 一5 l 开关量型节点要完成的主要功能是一是采集各种开关量信号，在开关量有变化的情况下。 实施各种动作：二是采集各种脉冲表发出的脉冲，分别对它们计数：三是将开关量信号和脉冲数通过串 口向主机传送。开关量信号采集和串行通讯都是采用的中断方式。 本设计采用顺序设计的方法，系统软件由主程序和两个中断服务子程序构成。系统软中卜框幽如幽 2 6 所示 l 、初始化 当1 ，点上电受剑干扰后，：l ，点的各个部分可能处于随机状态，必须刖初始化程序自动地对有关接口 设置j r 作状态，对有关的寄存器、存储单元设置常数或清零然后系统才能f ：作。 在本程序中，首先耍将输出口全部清零，使得各种警报装置处于待机状态，囡为刚剑了串行通讯和1 外部中断，所以先要对有关的寄存器进行设置。 ( 1 ) 与串行中断有关的寄存器有串行口控制寄存器s c o n 和电源控制寄存器p c o n 这里设 置s c o n = # o f 8 h ，表示串行通讯为方式3 允许接收，且第9 位为l 。波特率的设置非常重要， 这里波特率设置为1 9 2 0 0 b 口s ，晶振为6 m 。串行口通讯为方式3 ，则还要启动定时器t 1 ( s e t bt r l ) ， t 1 由高8 位t h l 和低8 位t l l 组成，取波特率为 1 9 2 0 0 b p s ，要使t h l = 撑o f e h ，t l l = 撑0 f e h 。与波特率设 置有关的寄存器还有定时器方式寄存器t m o n ，设置 t m o n = 簿2 0 h ，表示定时器t 1 上作方式为方式2 ，p c o n 设置为# 8 0 h 。从机设置s m 2 = 1 ，主机设置s m 2 = 0 。( 2 ) 将外部中断打开：s e t be x o ，s e t be x l 。( 3 ) 允许所有 中断源的中断请求：s b t be a 。( 4 ) 还要将脉冲 计数寄存器清空。 2 、外部中断服务子程序 外部中断服务子程序主要是用来处理、采集开关量信 号。当有开关量信号引起c p u 外部中断，c p u 随印进入 中断服务程序，判断是哪个通道的信号，输出控制信号击 启动相应设备动作，比如检测到是火灾探测器送来的信 号则输山信号启动白动灭火装蕾。同时c p u 储存。f 信 息供上 _ 7 ：机存询。其中断服务子程序框圈如图2 7 所示。 3 、串行通讯中断服务程序 如前所述。协点与采川串行二p 敬上主从式r s - 4 8 5 通讯 标准。因此主、从机软件编程中部有串行中断服务子程序。 住此只介绍作为从机l f c 5 1 节点的中断服务子程序。在 1 7 点的串 i 中断程序中，我们利州8 0 c 5 l 串行口的通信方式3 程序模块构成。 图2 7 ，l 部中断服务干程序流程图 串行中断子稃序士要由接收稃序模块羊“发送 在串行通讯中，主、从机传送数据都是以宁：，为单位，作为从机的。仕点在引始化过程中敬苴j 半f j 第二章l f c 5 l 网络控制节点中南人学硕_ 上论义 口，波特率为1 9 2 0 0 b p s ，处于方式3 ，s m 2 置为l ，r b 8 置为1 ，串行口初始态是接收态。它接收上位 机传送的地址，进入相应中断服务程序，比较地址。若地址相同，则将s m 2 置为0 ，并将进入接收或发 送数据字节模块；若不相同。则s m 2 仍为l ，并从各自的中断服务程序退出。通讯结束，所有下位机又 都置s m 2 为i 的接收态，等待下一次通讯过程开始。同时，由于通讯方式为主从式，每次通讯过程均 是主机开始的。节点接收到主机发起的指令后转为发送状态，在向主机传送数据。 图2 8串行口通信中断服务子程序流程图 1 4 第三章基于l 0 n w o r k s 技术的网络节点中南大学硕士学位论义 第三章基于l o n w o r k s 技术的网络节点 l o n ( l o c a l0 p e r a t i n gn e t w o r k ) 总线是一种现场总线，它是由美国e c h e l o n 公司研制的。由于技 术和利益的原因，目前国际上存在着多种现场总线标准，比较流行的主要有：c a n ( c o n t r o u e r a r e a n e t 控制局域网络) 、p r o f i b u s ( 过程现场总线) ，可寻址远程传感器数据通路( l a r t ) 和现场总线基金会( f f ) 现场总线等等。相比上述各种现场总线，l o n w o r k s 网络完全满足了未来发展对测控网络的要求。未来 的发展要求测控网络应具各如下条件： ( 1 ) 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的。 ( 2 ) 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。 ( 3 ) 通信媒介：可用任何传输媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波 和红外光波，并且多种媒介应该能够在同一个网络中混合使用。 ( 4 ) 网络结构：应该能够使用所有现在已有的网络结构如主从式、对等式以及客户服务式。 ( 5 ) 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑单一形式的限制。网络拓扑应该可以自由组合，也就是 说，除了总线型拓扑结构之外，用户还可以选择任意形式的网络拓扑。 目前较流行的现场总线，如f f 、c a n 等，都达不到上述要求。而l o n w o r k s 技术却可以完全满足e 述这些基本要求。可以说，l o n w o r k s 以其特有的优良性能，成为众多现场总线产品中的佼佼者。 l o n w o r k s 使用的开放式通讯协议l o n t a l k 为设备之间交换状态信息建立了一个通用的标准。这样 在l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。l o n t a l k 协议最大的特点是对o s i 的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不 支持的。具体实现就是采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间的数据传