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基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 ( 4 ) 根据系统的实际需要，设计高效节能硬件电路和软件算法。硬件方面 采用低功耗设计，尽可能减少系统消耗的电能。软件算法对理论算法 进行简化和优化，减少了计算时间，使系统更具智能化。 ( 5 ) 构建系统网络和控制平台，系统的每一个节点都处于网络之中，并可 通过控制平台更换工作方式，满足不同用户的实际需求。 本课题最终研发出了一套实验室条件下的智能遮阳控制系统，实现了当前阳 光强度、太阳高度角、太阳方位角等信息的监测，同时控制楼宇遮阳控制部件， 计算室内阴影度，达到有效利用太阳光的目的。 关键词：自然光照：现场总线技术；采光节能；遮阳控制；智能化控制 i i 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 t h er e s e a r c ha n da p pi - c a tio no fb ui idin gs u niig h t m o nit o rin gs y s t e mb a s e do nf ieid b u st e c h n oio g y a b s t r a c t m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ：l gd e 1 i s u p e r v i s o r ：p r o f l ir o n g t h em o d e r nc i t i e sa lec o n s u m i n go v e r5 0 o fo u re l e c t r i c i t y , o fw h i c h c o m m e r c i a lb u i l d i n g sa n do f f i c eb u i l d i n g si nl i g h t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t s f o ras i g n i f i c a n tp r o p o r t i o n c h i n aa c h i e v e st h e r m a lp o w e rp l a n t sp r e d o m i n a n t l y u s i n gn a t u r a ll i g h t ，c a nr e d u c eb u i l d i n ge l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n , t h e r e b yr e d u c i n g c o a lc o n s u m p t i o na n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n st om e e te n e r g ys a v i n gr e q u i r e m e n t s r e s e a r c ho fb u i l d i n ge n e r g y - s a v i n gl i g h t i n gh a sb e e nl a u n c h e df o rs o m et i m e ，s o m e r e s u l t sh a v eb e e n p u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，b u tac o m p l e t es y s t e ms o l u t i o nh a sy e t t ob ev e r i f i e d t h r o u g ht h er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o no fb u i l d i n gl i g h te n v i r o n m e n t ， u s i n ga d v a n c e df i e l d b u st e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cd e s i g nt e c h n o l o g y , t h es u b j e c t s t r i v e st os e e kt h es o l u t i o no fb u i l d i n g sl i g h te n v i r o n m e n td e t e c t i o ns y s t e m 。i no r d e r t oi m p r o v et h ep r o g r a m su s e f u l n e s s ，t h es u b je c tc o n n e c t sb u i l d i n gl i g h td e t e c t i o n s y s t e ma n ds h a d i n gc o m p o n e n t st oc o n t r o lb u i l d i n gl i g h t i n g t h ef o l l o w i n gw o r ki s c a r r i e do u ti nt h i st h e s i s ： ( 1 ) s u c c e s ss t o r i e sf r o mh o m ea n da b r o a dw e r eu t i l i z e d r e q u i r e m e n t so f b u i l d i n gl i g h t i n ge n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gw e r ea n a l y z e d ；h e l pe s t a b l i s hr e s e a r c ho f c o n t r o ll o g i c ，n e t w o r ks t r u c t u r e ，a n df i e l d b u st e c h n o l o g y 1 1 1 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 ( 2 ) r e l a t e dt h e o r yo fn a t u r a ll i g h t i n ga n dc a l c u l a t i o no fr e l e v a n tl i g h t i n g p a r a m e t e r sw e l es t u d i e d ，w h i c hp m v i d e sa c c u r a t ed a t af o ra r c h i t e c t u r ed e s i g na n d i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ( 3 ) b u i l d i n gi l l u m i n a t i o nm o d e lw a ss e tu p j u d g m e n t so fs h i e l d i n gs i t u a t i o na n d i n d o o rl i g h t i n gc o n d i t i o n sf r o mt h ee x t e r n a ll i g h tp a r a m e t e r , i st h eb a s i sf o ra c t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e m ( 4 ) e n e r g ye f f i c i e n td e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea l g o r i t h m sw e r ed o n e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so ft h es y s t e m l o w p o w e rh a r d w a r ed e s i g nf o r c e s s y s t e mt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n s o f t w a r ea l g o r i t h mw a ss i m p l i f i e da n d o p t i m i z e dt or e d u c et h ec o m p u t a t i o nt i m e ，a n dm a k et h es y s t e mm o r ei n t e l l i g e n t ( 5 ) s y s t e m sn e t w o r k sa n dc o n t r o lp l a t f o r mw e r eb u i l t e a c hn o d ei nt h en e t w o r k c a l lc h a n g ei tw o r k i n gt y p eb yc o n t r o lp l a t f o r mt om e e tt h ea c t u a ln e e d so f d i f f e r e n t u s e ：体 k e yw o r d s ：s u n l i g h tm o n i t o t i n g ：f i e l d b u s t e c h n o l o g y ；l i g h t i n ge n e r g y s a v i n g ；s h a d ec o n t r o l ：i n t e l l i g e n t i z e dc o n t r o l i v 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 目录 摘| 荽i a b s t p & c t i i i 目录。v 1 绪论1 1 1 楼宇光照监测系统概述1 1 2 楼宇光照监测的国内外研究与应用情况1 1 3 现场总线技术在楼字自动控制方向的发展2 1 4 本研究的意义3 1 5 本章小结4 2 光照监测系统分析5 2 1 光照监测系统的功能分析5 2 1 1 系统数据分析5 2 1 2 1 实时阳光数据5 2 1 2 2 控制数据5 2 1 2 系统功能模块分析6 2 2 光照监测系统控制逻辑7 2 3 光照监测系统网络结构8 2 4 现场总线技术的选择9 2 4 1 现场总线技术的发展9 2 4 2 现场总线技术的优点。l o 2 4 3l o n w o r k s 现场总线的优点1 2 2 5 本章小结13 3 楼字光照监测的算法研究14 3 1 室内光照度标准1 4 3 1 1 国家建议室内光照度标准1 4 3 1 2 国际照明委员会推荐照度指引1 5 v 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 3 1 3 系统设计具体参数。1 5 3 2 阳光角度计算1 6 3 2 1 阳光高度角计算1 6 3 2 2 阳光水平方位角计算1 8 3 3 室内阴影度计算1 8 3 3 1 百叶窗叶片角度一光照削弱比例特性1 8 3 3 2 室内阴影度计算算法。2 l 3 4 建筑墙面照及算法研究2 2 3 4 1 阳光水平方位角与建筑外墙的遮挡关系。2 3 3 4 2 建筑物外墙遮挡判断2 3 3 5 本章小结2 4 4 光照监测硬件模块设计2 5 4 1 电源模块设计2 5 4 1 1 线性降压电路2 5 4 1 2 电源稳压电路2 6 4 2 光照传感器模块设计2 6 4 2 1 光敏电阻照度一阻值特性。2 7 4 2 2 光照传感器模块硬件电路2 7 4 3n e u r o n 芯片模块设计3 0 4 3 1n e u r o n 芯片简介3 0 4 3 2n e u r o n 芯片模块电路设计31 4 4 光照监测硬件模块控制逻辑3 4 4 4 1 单片机与n e u r o n 芯片通信3 5 4 4 2 单片机内部控制逻辑3 6 4 5 本章小结4 0 5 现场总线网络的开发与集成4 1 5 1l o n w o r k s 网络集成4 l 5 1 1 l o n w o r k s 网络构成4 1 5 1 2l o n w o r k s 网络开发工具4 3 v i 6 2 课题展望51 参考文献5 3 攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 致谢5 6 v h 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 i i 基于现场总线技术的楼字光照监测系统的研究与实现 1 1 楼宇光照监测系统概述 1 绪论 随着现代“智能化 “低能耗的呼声日益高涨，楼宇设计日益注重自然光 的利用。视觉功能实验表明，自然光比人工光更有利于提高视度，即人在自然光 环境中较人工照明环境，有更高的工作效率和更佳的舒适感。除此以外，自然光 中的红外线和紫外线可以杀菌、促进新陈代谢、制造人体发育必须的维生素d 以及调节人体的生物节奏等作用【l 】。从“可持续发展的角度考虑，自然光资源 不会造成环境污染，而且取之不尽、用之不竭，对环境保护有重大意义。国际和 国内的能源形势日趋紧张，面对不断涌现的高档办公建筑，在保证其室内工作环 境舒适性指标( 光照、温度等) 的情况下，如何更合理、高效地利用天然光源，己 逐渐得到各级政府部门和相关科研人员的重视。 楼宇光照监测系统正是为了实现舒适节能兼顾的自动控制目标而提出的。楼 宇光照监测系统可监测建筑在不同时间不同方位条件下的阳光照射情况，并可协 同楼宇的遮阳部件工作，在保证人员视觉舒适度的条件下，最大限度节省照明电 力开销。 1 2 楼宇光照监测的国内外研究与应用情况 目前，充分利用自然光照明，已成为现代建筑和室内设计的一个重点研究方 向。楼宇光照监测技术为室内的采光设计和照明控制提供精确数据，是照明节能 的有效保证。 发达国家对于楼宇光照监测的研究一直居于世界前列。日本建筑采用的总线 式智能照明控制系统，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同 时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能3 0 以上。纽约东 方文华酒店就采用了智能照明控制系统，利用日光传感器可以根据自然光的强度 调整室内灯光，保持整个区域照度稳定【2 1 。法国尼姆的卡雷尔艺术中心的金属百 基于现场总线技术的楼字光照监测系统的研究与实现 叶窗系统以多种方式对自然光进行遮挡或漫射，通过灵活的组合方式，百叶窗可 以与各种不同的照明和采暖要求相适应【3 1 。德国贡德尔芬根的约瑟夫加特纳父子 公司办公楼利用光敏元件和一套环境控制系统可以对纵向玻璃百叶窗和安装在 天窗上侧的铝制百叶窗进行调节。配有太阳能电池的高能效环境照明设施在需要 的时候可以进行光照补充【4 】。 国内近年来对于该课题的研究也在不断发展，新的技术和应用也逐渐增加。 宁波机场通过对候机楼的灯光进行详细的点位核对、登记和观察，采用轮换照明 方式，按需及时启停相关的灯光。青岛移动通信办公大楼公共休息区、走廊、楼 梯间、电梯间采用定时控制及集中控制相配合的方式，会议室、报告厅、大堂、 多功能厅等，在门口安装移动感应器及面板开关，可根据人的走动控制会议室的 辅助照明【5 1 。奥运工程的智能化照明管理系统通过对照明参数历史数据的分析， 建立系统和设备的照明电能消耗模式，在实时监视过程中及时发现电能消耗异常 现象，采取有效措施进行设备改造或补偿，以避免非必要的电能损耗【6 j 。 1 3 现场总线技术在楼宇自动控制方向的发展 目前日益流行的智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ) 是建筑技术与计算机信息技 术相结合的产物，是信息社会的需要，也是未来建筑发展的方向。楼字自动控制 系统是智能建筑中最基本和最重要的组成部分。楼宇自动控制系统是利用计算机 及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系 统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络对其进行综合的控制， 这些设备包括空调、照明设备、电梯、消防设备、安防设备等等。它确保建筑物 内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求。 上个世纪9 0 年代以来，随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展，出 现了基于现场总线的控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，f c s 是一种全数 字化的、全分散的、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系纠7 l 。目前， 现场总线技术已经成为自动化技术中的一个热点，备受国内外自动化设备制造商 与用户的关注。f c s 极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作 量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。其中l o n w o r k s 、b a c n e t 、c a n 、 2 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 e i b 等现场总线在楼宇自动控制领域获得了较广泛的应用。但f c s 还是有一些 不如人意的地方，最明显的缺点：多种现场总线并存而互不兼容，导致f c s 的 可互操作性只能在同一种现场总线系统中实现【8 】。 以太网发展至今已有2 0 年历程，作为局域网组网的主要技术，以其简单、 价廉、高带宽、维护方便以及不断发展等优点一直在局域网领域中牢牢占据着统 治地位。新发布的i e e e 8 0 2 3 a 标准开始对以太网供电作出了规定，消除了以 太网技术进入现场控制领域的一个严重障碍【9 】。目前，3 c o m 、华为、d l i n k 等 公司开始提供符合i e e e 8 0 2 3 a 标准的交换机产品。另外，一些现场总线的协 会或组织也开始提出基于其现场总线的开放式以太网标准，即工业以太网标准。 伴随着以太网技术在工业控制领域的成功应用，以太网技术也必将越来越多地渗 透到楼字自控领域。目前，以太网多用于基于现场总线的楼字自控网络集成到智 能建筑中的信息网，但在一些新开发的楼宇自动控制系统中，以太网已经直接进 入了控制层。可以预见，不久的将来，以太网将以独立协议的形式，进入楼宇自 动控制领域之中。 1 4 本研究的意义 目前，我国的楼字注重建筑的外在结构，依然很少考虑遮阳、节能方面的要 求。随着国际和国内的能源形势日趋于紧张，且将长时间存在。面对不断涌现的 高档办公楼宇，在保证其室内工作环境舒适性指标( 光照、温度等) 的情况下，如 何更合理、高效地利用天然能源，己逐渐得到各级政府部门和相关科研人员的重 视。本研究致力于将先进的现场总线技术与楼宇光照监测相结合，提升目前国内 智能楼宇控制中光照监测水平，同时提高楼宇自动遮阳控制的准确性和合理性， 提高建筑的节能效果。本研究选题的意义有以下四点： ( 1 ) 楼宇光照监测系统为智能楼宇的采光设计和遮阳控制提供了更科学更 准确的数据，降低了人工控制带来的不准确与不合理，有利于光照资源的合理利 用。 ( 2 ) 楼宇光照监测系统充分研究和利用现场总线技术的优越性，推动楼字 3 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 技术进一步发展。 ( 3 ) 探索节能型控制系统的设计，充分利用自然光，发展节能环保技术。 ( 4 ) 改变国外产品垄断的现状，发展有自主知识产权的楼宇控制产品。 本章小结 本章通过分析楼宇光照监测和现场总线技术的发展趋势，针对目前国内对自 利用的现状，提出了基于现场总线的楼宇光照监测课题的研究，并对该课题 要研究内容作了简要介绍。 4 基于现场总线技术的楼字光照监测系统的研究与实现 2 光照监测系统分析 2 1 光照监测系统的功能分析 光照监测系统主要功能是监测智能楼宇内外的光照环境，提供实时阳光数 据，为建筑的采光设计提供精确参考数据。同时，当智能楼宇配备遮阳控制设备 时，为该设备或设备阵列提供正确的控制指令，实现高效的自动化自然光入射调 节。在系统设计时，采用了带电机控制的百叶窗作为遮阳控制设备进行建模，遮 阳动作通过电机转动变化百叶窗叶片角度实现。控制模型以参数形式嵌入控制算 法中，更换执行设备只需修改参数，满足通用性和可移植性的优点。 2 1 1 系统数据分析 系统数据分析，是系统设计的首要环节，确定系统需要传输的数据数量和数 据种类。单位时间内系统传输的最大数据量，取决于系统采用的总线技术。数据 种类的多少，在一定程度上影响数据传输的格式或者封装。压缩有效信息，剔除 冗余数据，最大限度提高总线的传输效率，是系统数据分析的目的。该系统的主 要数据包括实时阳光数据和控制数据。 2 1 2 1 实时阳光数据 实时阳光数据是系统最基本的数据。实时阳光数据包括当前时间，当前阳光 角度，当前阳光强度等数据。当前时间是由系统实时时钟源提供。当前阳光角度 包括高度角和方位角，由软件算法根据当前时间计算得出。当前阳光强度，由传 感器采集的数据，经过算法提取得出。 2 1 2 2 控制数据 控制数据是系统的扩展功能数据。控制数据包括当前百叶窗叶片角度，室内 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 阴影度，室内照度，应调整百叶窗叶片角度等数据。当前百叶窗叶片角度由遮阳 执行部件记录供系统查询。室内阴影度根据具体环境模型以及当前百叶窗叶片角 度计算得到。室内照度根据室内阴影度与当前阳光强度计算得到。应调整叶片角 度综合室内外数据，计算得到符合室内采光标准的角度后，发送至遮阳执行部件。 2 1 2 系统功能模块分析 楼宇光照监测系统的数据比较多，为了满足系统实时性的需要，以及减少网 络传输数据，人工操作和参数设置的功能在p c 端实现，数据的计算全部在监测 节点上实现。监测节点的功能模块如图2 1 所示。 图2 1 系统功能块结构 监测节点的功能模块包括： ( 1 ) 照度计算模块。从光照传感电路中取出模拟信号量( 电流，电压) ，计 算出当前的自然光强度。 ( 2 ) 阳光角度计算模块。实时时钟将当前的时间数据送入阳光角度计算模 6 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 块，阳光角度计算模块通过特定的算法计算阳光高度角和阳光方位角。 ( 3 ) 阴影计算模块。利用阳光高度角和室内自然光遮挡的数学模型，计算 当前室内的阴影度；利用阳光方位角判断外墙是否处于阳光照及状态。 ( 4 ) 角度计算调整模块。配合遮阳部件的参数，通过室内阴影度和当前照 度，计算配合遮阳部件的调整幅度。 ( 5 ) 总线控制器。连接路由设备，遮阳部件以及其他监测节点，以特定总 线协议的形式接收和发送数据，充当监测节点的总线接口。 ( 6 ) 定时任务管理，通信管理，自动恢复控制。主要协调节点中各模块的 工作和数据传输，保证数据正确和复位的快速恢复。 2 2 光照监测系统控制逻辑 光照监测系统遵循图2 2 所示控制逻辑。系统的数据来源是实时时钟，光学 传感器和定时机构。系统算法计算各种控制参数，发送控制指令至中心控制电脑。 如系统配备遮阳部件，则可同时发送控制指令。同时在中心控制电脑增加远程控 制和现场控制功能，作为自动控制的备份功能。 7 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 图2 2 系统控制逻辑 2 3 光照监测系统网络结构 光照监测系统的网络结构如图2 3 所示。系统包含两种协议。在上层网络中， p c 机、适配器和路由器之间使用以太网协议；下层网络中，路由器和测量节点、 执行节点之间，采用现场总线协议。路由器负责以太网协议和现场总线协议之间 的转换。 8 图2 - 3 系统网络结构 2 4 现场总线技术的选择 系统在下层网络采用现场总线控制技术，现场总线技术的选择将极大地影响 系统的效率和稳定性。文章将从总线协议的开放性、网络结构、传输介质、开发 平台和技术通用性等方面讨论总线技术的选择。 2 4 1 现场总线技术的发展 现场总线( f i e l d b u s ) 是自动化系统中一种把大量现场级设备和操作级设备 相连的工业通讯系统。其一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的 开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。现场总线是9 0 年代初发展形 成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通 讯网络。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技 术，日益受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点【1 0 1 。国际上有影响 的公司都进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线控制系统发展至今，已经 成为新一代控制系统，一方面，突破了集散式分布控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的 解决方案，克服了封闭系统所造成的缺吲1 1 】；另一方面把d c s 的集中与分散相 9 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。 2 4 2 现场总线技术的优点 现场总线控制系统有如下优点： ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控 制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算 单元等【1 2 】，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其 复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于 控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多 个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的 工作量也大大减少【13 1 。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就 近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关 典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相 关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简 化，连线简单而减少了维护工作量【14 1 。 1 0 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品被“框死 了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口 而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了 测量与控制的准确度，减少了传送误差1 1 5 】。同时，由于系统的结构简化，设备 与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工 作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易 于重构等优点。 目前国际主流的现场总线技术的传输特性如表2 1 中所示。 表2 1 主流现场总线特性 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 2 4 3l o n w o r k s 现场总线的优点 l o n w o r k s 现场总线技术，以其众多的优势，于2 0 0 6 年成为中国国家标准指 导性技术文件g b i z2 0 1 7 7 - 2 0 0 6 ，并在轨道交通、网络能源管理、智能楼宇、暖 通空调、煤矿安全、能源和环境管理等领域得到广泛应用。全球的楼宇、家庭、 工业和运输自动化业目前大量采用了基于l o n w o r k s 平台。l o n w o r k s 平台还是 世界上最大的2 7 0 0 多万住宅智能电表网络的核心技术，还被在瑞典、荷兰和澳 大利亚另外的多达1 1 0 万住宅和小型商业电表的智能表计应用上所采用。本研究 从国情实际需求出发，采用l o n w o r k s 现场总线技术，符合国际楼宇自动化发展 趋势，是正确的选择。l o n w o r k s 现场总线技术主要有以下优点： ( 1 ) 开放的标准通信协议。l o n w o r k s 技术采用开放的、标准的、众所周知的 a n s i c e a - 7 0 9 1 - b 通信协议。该通信协议己经被许多标准组织采纳，。如 e e l 4 7 3 ( 列车控制) 、s e m i ( 半导体制造设备) 和s f ( 欧洲加油站) 等1 1 们。 ( 2 ) 分布式拓扑结构。l o n w o r k s 采用分布式对等通信，网络上的每个设备都能 在不依赖于其他设备的情况下，独立地接收、发送和处理网络信息【1 7 】。采用对 等式的体系结构在增强可靠性的同时，减少系统的总成本。 ( 3 ) 传输介质的多样性。l o n w o r k s 技术可以在多种通信介质上工作。如双绞线 收发器( 用于在铜线上传输信号) 、电力线收发器( 用于在楼宇或者设备的输电主干 线上传输信号) 及用于光纤、无线、红外、同轴电缆等多种收发器【1 8 】。 ( 4 ) 完善的开发平台。l o n w o r k s 通过将l o n t a l k 协议封装n e u r o n 芯片中实现 网络的快速开发。通过在硬件中添加n e u r o n 芯片电路，就能使相关的器件实现 l o n t a l k 协议通信。同时，l o n w o r k s 提供各类相关的软件，包括n e u r o n 芯片编 程，网络构建和用户界面设计等，使整个系统的开发变得简单而高效。 ( 5 ) 众多企业和组织支持前全球已有2 6 0 0 多家公司在不同程度上引入了 1 2 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 l o n w o r k s 技术；1 0 0 0 多家公司已经推出了l o n w o r k s 产品，并进一步组织起 l o n m a r k 互操作协会，开发推广l o n w o r k s 技术与产品。它被广泛应用在楼宇自 动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为 了支持l o n w o r k s 与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司已开发各种网 关，以便将l o n w o r k s 与以太网、f f 、p r o f i b u s 等互连为系统。 2 5 本章小结 本章分析了楼宇光照监测系统的功能逻辑和网络结构，并以此为依据确立总 线技术的选型方向。通过各类总线技术的比较，最终确定本设计采用l o n w o r k s 总线技术，为后面的硬件开发和软件开发奠定了理论基础。 基于现场总线技术的楼字光照监测系统的研究与实现 3 楼宇光照监测的算法研究 楼字光照监测系统为楼字的采光设计和遮阳控制提供各类型数据。这些数据 部分来自电路实际测量数值，如自然光的强度；部分来自系统的算法，如阳光的 高度角和方位角；还有的是根据国内外的标准制定的系统运行参数和判断标准， 如室内光照度标准。下文主要介绍各类数据的算法研究。 3 1 室内光照度标准 每个国家和地区，都会根据自身实际需要，制定相应的室内光照度标准。本 文通过研究我国国标和国际照明委员会的相关标准，设计楼宇光照监测系统的具 体参数。 3 1 1 国家建议室内光照度标准 为了规范现代建筑的采光设计，我国制定了建筑采光设计标准( g b 厂r 5 0 0 3 3 - - - 2 0 0 1 ) 【1 9 】。该标准是在国家标准工业企业采光设计标准g b5 0 0 3 3 一 - - 9 1 的基础上，总结了居住和公共建筑采光的经验，通过实测调查，并参考了 国内外的建筑采光标准而制订的。国标规定办公建筑的采光系数最低标准值，即 能够正常作业的最低照度值，如表3 1 中规定所示。采光等级是指肉眼识别对象 的精细程度，i 级最高，能够识别0 1 5 m m 以下尺寸的物体；v 级最低，识别尺 寸大于5 m m 的物体。采光系数最低值是指，侧面采光时，房间典型剖面和假定 工作面交线上采光系数最低一点的数值。室内自然光临界照度是对应室外自然光 临界照度时室内自然光的照度。 表3 - 1 室内采光国家标准 1 4 不同 室外入口区域 短暂停留交通区 衣帽间，门厅 讲堂，粗加工 办公室，控制室 缝纫，绘图，检验室 辨色，精密加工和装配 手工雕刻，精细检验 手术室，微电子装配 2 0 5 0 5 0 - 1 0 0 1 0 0 2 0 0 2 0 0 5 0 0 3 0 0 7 5 0 5 0 0 1 0 0 0 7 5 0 - 1 5 0 0 1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 2 0 0 0 3 1 3 系统设计具体参数 本系统的设计宗旨是舒适节能：一方面减少太阳光直射，降低室内温度，减 少空调使用；另外一方面是充分利用自然光线，调整室内照明，节约灯光照明【2 1 1 。 同时，系统在控制百叶窗进行遮阳调整的过程中，会产生噪音和能耗，过于频繁 地调整，不符合系统的设计宗旨。因此，系统通过实地测量，确定了统一的调整 标准。在智能楼字中，文书处理办公区域和电脑应用区域占整体工作区域的绝大 部分，系统的调整参数重点考虑上述两个区域的采光环境，制定了系统采光的调 整下限和调整上限。其余区域根据实际需要，在系统整体参数中添加微调上下限 参数的逻辑，使系统适应不同工作场合的需要。当系统检测到室内亮度高度调整 上限或者低于下限时，才进行采光调整。同时，系统保留了参数调整功能，并且 允许系统运行中修改，满足不同环境下具体的采光需求。具体标准如表3 3 所示。 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 表3 - 3 楼宇光照检测系统采光控制参数 3 2 阳光角度计算 地球以固定轨道围绕太阳转动，这种转动称为公转，公转的周期是3 6 5 天4 j 时5 8 分5 6 秒。公转产生了太阳直射点的回归运动，从而出现昼夜长短变化、正午 太阳高度的变化和四季的变化。地球自身绕中心轴自西向东的转动，称为地球自 转。地球自转产生了日月星辰的东升西落的现象，其中包括了太阳高度角和方位 角的变化【2 2 1 。太阳的高度角和方位角每时每刻都在不断变化，造成太阳辐射强 度随时间不断变化。要准确计算室内的光照度和百叶窗帘的调整角度，必须将计 算太阳高度角和太阳方位角的算法嵌入到系统的程序中。 3 2 1 阳光高度角计算 某地的太阳高度角可根据该地的经纬度和具体的时间，通过公式求出。太阳 高度角( h ) 的计算公式： s i n h = s i n 8 s i n 9 + c o s 6 c o s q ，c o s r 公式( 3 1 ) 公式中，6 为太阳赤纬角，币为当地的地理纬度，t 为当时的太阳时角。通过 以上三个参数，可以计算出任何意经纬度和任意时间的阳光高度角。 3 211 太阳赤纬角及其计算 地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面，而地球的自转轴称极轴。极轴与黄道 1 6 基于现场总线技术的楼字光照监测系统的研究与实现 面呈6 6 5 0 角，在地日公转中维持不变，形成了每日正午时刻太阳高度的不同以 及四季的变迁f 2 3 】。地日方位变化如图3 1 所示。图中日地中心的连线与赤道面间 的夹角时刻变化，该角度称为太阳赤纬角，于春分和秋分时刻为零，夏至和冬至 时刻有极值，分别为正负2 3 4 4 2 0 。 7 一一_ 二矿 淼一乒= 一增m 一黎n 邺脯一茗 丹4h 远铽赢， i 一3 拜近妇矗9 删夕、尘坦竺一一。“憾5 太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格已知的，可以通过公式 计算。太阳赤纬角6 的计算公式为： 艿= o 了殇+ 乃舭啪1 1 移血2 眦1 7 1 2 面3 鲫髑傩绷3 6 5 6 瞄2 眦咖1 髓鲫 公式( 3 2 ) 0 为日角，是从1 日1 日到当天，地球围绕太阳转过的角度值，其计算公式为： 秒：2 a ( n - n o ) 公式( 3 3 ) 3 6 5 2 4 2 2 、 公式中n 为积日，所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如，1 月1 日其积 日为1 ，平年1 2 月3 1 日的积日为3 6 5 ，闰年则为3 6 6 ，等等。0 是修正常数，计算 公式为： o = 7 9 6 7 6 4 + 0 2 4 2 2 ( y e a r - 1 9 8 5 ) y e a r 了- 1 9 8 5 公式( 3 - 4 ) 3 2 1 2 太阳时角及其计算 太阳时角f 是对太阳赤纬角的细化修正，计算太阳在具体时间的角度偏差值。 其计算式为： f = ( t 1 2 ) x 1 5 公式( 3 5 ) 1 7 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 公式中t 为当地的地方时，其具体计算公式如下： 卅芈 娥3 6 ) h 为当地标准时间的小时，m 为当地标准时间的分钟，l 为当地经度。 3 2 2 阳光水平方位角计算 某地的太阳方位角可根据该地的经纬度和具体的时间，通过公式求出。太阳 方位角a 的计算式为： s i n h s i n 矽s i n # c o s a 子_ 二一 c o s h c o s 驴 公式( 3 7 ) 当c o s a 0 时9 0 0 _ a i8 0 0 ，a 值是午后的太阳方位。当c o s a 0 时0 _ a 9 0 0 ，a 值为午前的太阳方位，取太阳方位为( 3 6 0 0 - - a ) 。式中h 为当前太阳高度角，5 就是太阳赤纬角，9 为当地的地理纬度。太阳高度角和太阳赤纬角的计算与3 2 1 章节中描述相同。 3 3 室内阴影度计算 所谓室内阴影度，是指通过遮挡环境后被削弱的光照强度与室外未被削弱的 光照强度的比值，用以反映遮阳控制的效果。阴影度并没有反映室内的自然光强 度，但可以通过室内阴影度和室外光照强度计算出室内的自然光强度。削弱光照 强度的因素主要有百叶窗的遮挡和室内墙体吸收两个方面。 3 3 1 百叶窗叶片角度一光照削弱比例特性 百叶窗外观优雅，节省空间，叶片可以1 8 0 度调整，非常适合室内光线的微 调【2 4 1 。现代都市楼宇，特别是高层楼宇，一般采用全封闭设计，百叶窗可以贴 近玻璃幕墙安装，达到遮阳目的。本设计采用百叶窗作为遮阳执行部件。百叶窗 1 8 基于现场总线技术的楼宇光照监测系统的研究与实现 对太阳光的阻隔程度，影响整个系统的控制逻辑，以至于影响楼宇整体的节能效 果和遮阳效果。 3 3 1 1 百叶窗叶片材质 本系统以“乐思富”5 0 m m 百叶帘帘片为研究对象，进行系统的遮阳效果建 模。叶片选用e n a w - - 5 7 5 4 铝合金，宽度为5 0 0 m m ，厚度0 4 5 m m ，截面作弧 形滚压成型。叶片采用激光打孔，开孔率为7 ，孔径为0 6 m m ，孔心距为2 m m 。 叶片开孔状态如图3 2 所示。 图3 2 百叶窗叶片样本透孔示意图 3 3 1 2 叶片遮光特性测试 通过上海双旭照度计分别进行自然光源和人工光源实验，测量叶片遮光特 性。叶片在人工光源条件下对光线的阻隔程度如表3 4 所示。叶片在自然光源条 件下对光线的阻隔程度如表3 5 所示。根据实验数据，叶片对光线的削弱作用约 为7 5 ，叶片与光线的夹角对削弱作用影响不大。分析其主要原因是叶片打孔均 匀，且孔径一致，光线通过的面积与被遮挡的面积比例