（计算机应用技术专业论文）嵌入式商用空调智能控制器的设计和实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术及整个信息产业的发展，楼宇自动化正向集成化、智能化和 网络化方向迈进。大系统集成的基础就是通信网络，其技术核心体现在系统集 成及相关的通信协议上。由于各家的通信协议标准和性能的差异，存在着系统 间通信兼容和互换性问题，因此需要一个统一的开放式标准来实现各家产品的 相互兼容和交换。这样傲的好处是所有厂家的仪表、系统都可进行互相通信， 使各制造商的产品不受专有协议的限制，给用户的使用带来极大方便。主要优 点有：减少布线、安装等费用；节省操作与维修费用；数字传递精度高；增强 系统的灵活性和升级的方便性。 空调系统在整个楼宇系统中占有很重要的位置，商用空调往往是整个楼宇 系统的关键部分。大型商用空调由于本身结构复杂，一旦维护起来也较为繁琐， 而且大型商用空调往往安装在较隐蔽场所，也为日常的维护造成诸多不便，因 此远程控制成为技术发展趋势所有产品运行情况一目了然，空调系统的运转 效能得到提高，大大地节省了能源消耗。 ，。嵌入式系统的应用前景是非常广泛的，人们将会无时无处不接触到嵌入式 产品。嵌入式技术因其方便、灵活、容易定制等特性，可广泛应用于各种控制、 通信设备。本商用空调智能控制器，实现的功能主要是能自动发现和按照默认 的程序管理空调，完成数据采集，数据处理，数据存储，以及远程维护，远程 访问，远程监管，和后台的b m s 系统对接。 关键词：嵌入式，嵌入式l i n u x ，智能楼宇，b m s ，l o n w o r k s ，b a c n c t 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t o d a y , a si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h eo v e r a l ld e v e l o p m e n to f t h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y , b u i l d i n ga u t o m a t i o np o s i t i v ei n t e g r a 虮n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n td i r e c t i o n l a r g es y s t e m i n t e g r a t i o ni sb a s e d 咖u n i c a f i o a sn e t w o r k , t h ec o t e c h n o l o g ye m b o d i e di nt h es y s t e m s i n t e g r a t i o na n dr e l a t e dc o m m u n i c a t i o n sa g r e e m e n t s b e c a u s eo f v a r i o u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s a n ds t a n d a r d so f p e r f o r m a a c ed i f f e r e n c e se x i s tb e t w e e nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o m p a t i b i l i t ya n d i n t e r o p e r e b l l i t yi s s u c s h e n c et h en e e df o rau n i f i e do p e ng a n d a r d st oa c h i e v ei n d i v i d u a lp r o d u c t c o m p a t i b i l i t ya n dm l l t i | a le x c h a n g e t h i sh a st h ea d v a n t a g eo fa l lj i 喀仃衄e i l tm a n u f a c t u r e r s t h e s y s t e m b eo f m u t l a lc o m m u n i c a t i o n , s ot h a tt h em a n u f a c t u r e r so f p r o d u c t sn o ts u b j e c tt ot h e e x c l u s i v ea g r e e n 3 e n tl i m i t st h eu s et ou 9 啦ag e a tc o n v e a l c n c , e m a i na d v a n t a g e s 矾：r e d u c e d w i 血ga n di n s t a l l a t i o nc o s t s ；s a v eo p e r a t i o na n dm a i n 咖c o s t s ；d i g i 协l 仃柚s m i s s i o no f h i g h p r e c i s i o n ；e n h a n c es y s t e mf l e x i b i l i t ya n de a o f u p g r a d i n g a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m si nb u i l d i n g st h r o u g h o u tt h es y s t e mo c c u p i e dav e r yi m p o r t a n t p o s i t i o n , ac o m m e r c i a la i r - c o n d i t i o n i n gt h ew h o l eb u i l d i n gi so f t e nai ( e yp a r to fs y s t e m l a i g c c o m m e r c i a la i rc o n d i t i o n i n g , b e c a u s eo fc o m p l e xs t r u c t u r et h a t i ti sa l s om o r ec o m p f i c a t e d a n dal a r g e - s c a l ec o m m e r c i a la i r - c o n d i t i o n i n gi n s t a l l e di nm o r eo f t e nc o n c e a l e dp l a c e s a sw e l la s r o u t i n em a i n t e n a n c ee l 1 s e dg r e a ti n c o n v e n i e n c es or e m o t ec o n t r o la st h ed e v e l o p m e n to fn e w t e c h n o l o g y , a i r - c o n d i t i o n i n gi nt h ei n t e h i g e n tr e m o t ec o n u o ia l lo p 删o 璐o fc l e a r , t h e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m si m p r o v eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c ya n dg r e a t l ys a v ee n e r g y0 0 1 】s u m p t i o i l e m b e d d e ds y s t e mo f t h ef u t u r ei sv e r ye x t e n s i v e ，i tw i l lb ee v e r y w h e r ea l lt h et i m ee x p o s e d t oe m b e d d e dp r o d u c t s e m b e d d e dt e c h n o l o g yi sc o n v e n i e n t , f l e x i b l ea n de a s yc u s t o m z a t i o n , a n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，c a nb ew i d e l ya p p l i e dt ov m i o u se c i z o l ，c o m m t m i c a t i o n se q u i p m e n t t h e c o m m e r c i a la i r - c o n d i t i o n i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rt oa c h i e v et h em a i nf u n c t i o ni st oa u t o m a t i c a l l y d e t e c ta n dd e f a u l tm a n a g e m e n tp r o c e d u r e sf o ra i r - c o n d i t i o n i n gc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o n , d a t a p r o c e s s i n 舀d a t as t o r a g e ，a n di t m o t em u i n t e n a l l c e ，r e m o t ea c c e s s ，r e m o t em o n i t o r i n g , a n dt h e b a c k g r o u n do f t h eb m ss y s t e mi n t e r f a c e 诹：l 亡工案火萼。 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所邛 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己绍 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确杰 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：影侈休日期：叼年扫月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：。学校有权保廑 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人扫 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以舜 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：渺抹 日期：胛年6 月y 日 指导教师签名：枷白乞拽 魄7 年6 月； 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 商用空调智能控制器要对大厦内所有空调设备采用现代化技术进行全面有 效的监控和管理。确保大厦内所有空调设备处于高效、节能、最佳运行状态。 提供一个安全、舒适、快捷的工作环境“1 。 作为商用空调网络系统与远程控制系统及b m s 系统的网关，其主要意义在 于实现空调运行的远程监控及与b m s 系统对接，填补国内商用空调的技术空白， 追赶国际同行领先水平。 嵌入式系统必将成为当今r r 界的又一焦点，开发自主知识产权的嵌入式处 理器和嵌入式操作系统，对于我们国家的民族r r 产业来讲具有十分重要的战略 意义。从国内r r 市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和i a t 盯n e t 衍生 出来的新型市场中占有主导地位和独特份额圆 1 2 嵌入式技术 1 2 1 嵌入式技术的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系 统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应 用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系 湖北工业大学硕士学位论文 统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这 两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着 应用程序编程与硬件的交互作用嘲。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个 特点： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化，而为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 1 2 2 嵌入式技术的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦 合也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争力。 湖北工业大学硕士学位论文 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发旧。 1 2 3 嵌入式l i n u x 技术 l i n u x 是开放源代码的，真正的多用户、多任务操作系统； 是符合p o s i x 标准的系统： 提供具有内置安全措旆的分层的文件系统； 提供s h e l l 命令解释程序和编程语言； 提供强大的管理功能，包括远程管理功能； 具有内核的编程接口； 具有图形用户接口； 具有大量有用的实用程序和通信、联网工具； 具有面向屏幕的编缉软件。 一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要下面三个基本元素： 1 ) 引导工具：l i n u x 微内核，由内存管理、进程管理和事务处理构成； 2 ) 初始化进程：如果要让它能干点什么且继续保持小型化，还得加上； 3 ) 硬件驱动程序：提供所需功能的一个或更多应用程序； 4 ) 再增加功能，或许需要这些：一个文件系统( 也许在r o m 或r a m 中) 、 t c p i p 网络堆栈、外存储、通信接口等【6 】。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 4 硬件平台 选择最好的硬件是一个复杂的工作、充满了公司其他项目的政治、偏见、传 统，缺乏完整或精确的信息。成本经常是关键的议题。当考虑成本时、确信你 在考虑产品的整个成本、不仅是c p u 。有时快的、便宜的c p u 一旦加上总线逻 辑和时延使之与外设一起工作，能变成一个昂贵的产品。如果你在寻找软件， 首先是硬件已经有产品了 它使初始化代码在系统引导后被释放。l i n u x 同样有很多内核外运行的公用 程序。这些通常程序在初始化时运行一次，以后就不再运行。而且，这些公用 程序可以用它们相互共有的方式，一个接一个按顺序运行。这样，相同内存空 间可以被反复使用以“召入”每一个程序，就象系统引导一样。这的确可以节省内 存，特别是那些配置一次以后就不再更改的网络堆栈如果l i n u x 可加载模块的 功能包括在内核里，驱动程序和应用程序就都可以被加载。它可以检查硬件环 境并且为硬件装上相应的软件这就消除了用一个程序占用许多f l a s hm e m o r y 来处理多种硬件的复杂性。 软件的升级更模块化。你可以在系统运行的时候在f l a s h 上升级应用程序和 可加载驱动程序。 配置信息和运行时间参数可以作为数据文件储存在f l a s h 上叫。 1 2 5 文件系统 许多商业性嵌入式系统，提供文件系统作为选项。许多或者是专用的文件系 统或者是m s o d o s - c o m l ) a t i b l c 文件系统。 对于联网的嵌入式系统来说，l i n u x 支持n f s ( n e t w o r k 圈es y s t e m ) 。这为 实现联网系统的许多增值功能打开了大门。第一，它允许通过网络上加载应用 程序。这是控制软件修改的基础，因为每一个嵌入式系统的软件都可以在一个 普通的服务器上加载。它在运行的时候也可以用来输入或输出大量的数据、配 4 湖北工业大学硕士学位论文 置和状态信息。这对用户监督和控制来说是一个非常强大的功能。举例来说， 嵌入式系统可以建立一个小的r a m 磁盘，包含的文件中有与当前状态信息同步 的内容。其它系统可以简单的把这个r a m 磁盘设置为基于网络的远程磁盘，并 且空中存取状态文件。这就允许另一个机器上的w e b 服务器通过简单的c g i s c r i p t 存取状态信息。在其它电脑上运行的其它应用程序包可以很容易的存取数 据忉 1 2 6 引导 当一个微处理器第一次启动的时候，它开始在预先设置的地址上执行指令。 通常在那里有一些只读内存，包括初始化或引导代码。 这个代码最终要在较为稳定的内存上运行，通常是f l a s h 或e p r o m 芯片。 你需要使用一些方法将代码放在芯片上。怎么傲，要根据“目标”硬件和工具来定 一种流行的方法是把f l a s h 或e p r o m 芯片插入e p r o m 或f l a s h 烧制器。这 将把你的程序“烧”( 存) 入芯片。然后，把芯片插入你的目标板的插座，打开电 源。这个方法需要板上配有插座，但有些设备是不能配插座的。另一个方法是 通过一个j t a g 界面。一些芯片有j t a g 界面可以用来对芯片进行编程。这是最 方便的方法。芯片可以永远被焊在主板上，一个小电缆从板上的j t a g 连接器， 通常是一个p c 卡，联到j t a g 界面。下面是p c 运行j t a g 界面所需的一些惯 用程序。这个设备还可以用来小量生产嘲 1 2 7 健壮性 在p c 硬件上运行时，l i n u x 是非常可靠和稳定的，特别是和现在流行的一 些操作系统相比。嵌入式内核本身有多稳定呢? 对大多数微处理器来说，l i n u x 非常好。移植到新微处理器家族的l k n u x 内核运行起来与本微处理器一样稳定。 它经常被移植到一个或多个特定的主板上。这些板包括特定的外围设备和c p u 。 湖北工业大学硕士学位论文 幸运的是，许多代码是与处理器的，所以移植集中在差异上。其中大多数是 在内存管理和中断控制领域。一旦成功移植，它们就非常稳定。由于引导策略 广泛依赖于硬件要求，而且你必须有计划地做一些定制的工作。 设备驱动程序更加混乱：有些稳定有些不稳定。而且选择很有限；一旦你离 开了通用的p c 平台，你需要自己编写。l i n u x 的优势在于源代码是公开、注释 清晰和文档齐全的这样，我们就可以控制和处理所出现的任何问题【】。 1 2 8 如何发展 嵌入式l i m m 的确有它的缺陷。这可以通过减少一些不必要的功能来弥补， 但这可能会花很长的时问，而且如果不仔细的话，还可能带来很大的困扰。 l i n u x 非常的灵活。嵌入式系统总的来说却不灵活；而且它们完全是为最有 效实现预定功能而严格设计的。现在的趋势是保持灵活性、保持总体目标功能、 尽量少做修改。这个目标是崇高的，但是，所付出的代价将是针对具体的工作 做出巨大的调整。保持灵活性将导致额外的工作，带着额外的软件包，而且有 时还要降低性能。 l i n u x 在嵌入式系统中的应用是可行的。它有用、可靠。它的发展成本和替 代者一致嘲。 1 3 智能楼宇技术 1 3 1 智能楼字技术现状 在控制系统中，l o n w o r k s 技术和b a c n e t 技术是目前国际上智能建筑发展中 用于楼宇设备控制中的较多选择。 l o n w o r k s 是目前技术上较为全面的一种总线技术，被誉为通用的控制网络。 其网络协议是完全开放的，其通信不受通信介质的限制，它所支持的介质是现 场总线中最多的，并且多种介质可以在同一网络中混合使用，这使它在楼宇和 6 湖北工业大学硕士学位论文 住宅小区设备控制中具有最好的适应性。l o n w o r k s 的通信除支持传统的主从式 外，还支持对等式的通信方式。网络结构也不受传统方式的限制，可以支持自 由拓扑，目前还没有其它的现场总线技术能完全满足这些要求。网络通信采用 了面向对象的设计方法，提出了网络变量的概念，使网络通信的设计简化为参 数设置，不但节省了大量的设计工作量，而且增加了通信的可靠性。l o n w o r k s 技术在双绞线情况下，通信速率为7 8 k b p s ，其直接通信距离可达2 7 0 0 米，非常 适合大楼和住宅这样大范围内的信号采集和数据传送并且在其网络上的节点 数可达到3 2 0 0 0 个。由于l o n w o r k s 技术具备上述优点，这一技术已在测量及控 制的各个领域中广泛被采用，也被多个标准化组织所承认，它已被e i a 定义为 家庭控制网络的标准，被美国供暖、空调和制冷工程师协会( a s 认e ) 采纳 作为其b a c n e t 标准的组成部分，使之成为楼字自动化和家庭自动化中公认的技 术标准。 b a c n e t 是a s h r a e 组织国际著名专家经过数年的研究，开发出来的楼宇自 控网络的一种通信协议，到目前世界上已有数百家国际知名厂家支持b a c n e t ， 它确立了不必考虑生产厂家，只要遵循其标准，各种兼容系统在不依赖任何专 用芯片组的情况下，相互开放通信的基本原则。b a c n e t 是一种通信协议标准， 因此不受制于任何一家国外企业，我国的厂家可以依照该标准开发自己的产品， 并可拥有自己的知识产权。 由于t c p i p 协议只是相对低层的协议族，如果把t c p i p 协议作为通信协议， 需要制定自己的应用通信协议标准，不容易形成标准化的通用接口，但是由于 t c p 口使用广泛，实现起来相对方便，接口设备可选择性大，也被广泛采用。 1 3 2b a c n e t 和l o n w o r k s 在智能楼宇中的应用 随着信息技术及整个信息产业的发展，楼宇自动化正向集成化、张化和网 络化方向迈进。大系统集成的基础就是通信网络，其技术核心体现在系统集成 及相关的通信协议上。为了确保信息正常传送，必须在有关信息传输顺序、信 7 湖北工业大学硕士学位论文 息格式和信息内容等方面有一组约定或规则，这组约定或规则就是网络协议。 简单地说，网络协议好像各设备问通信时使用的语言。由于各家的通信协议标 准和性能的差异，存在着系统间通信兼容和互换性问题，因此需要一个统一的 开放式标准来实现各家产品的相互兼容和交换。这样做的好处是所有厂家的仪 表、系统都可进行互相通信，使各制造商的产品不受专有协议的限制，给用户 的使用带来极大方便主要优点有：减少布线、安装等费用；节省操作与维修 费用；数字传递精度高；增强系统的灵活性和升级的方便性。目前国际上的网 络标准和协议发展很快，而且均处于不断变化中。在楼宇控制系统领域，目前 主要采用e c h e l o n 公司的l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 协议及美 国a s h r a e ( 美国暖通、空调和制冷工程师协会) 的b a c n e t ( ad a t e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o r b u i l d i n g a u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r k s ) 协议。尽管许多厂商均认可这两项技术，甚至它们还被写进欧洲 c e n t c 2 4 7 建筑控制标准文件中，但是目前许多厂商还是根据自己产品的技术 特点，不断发展自己的标准。 目前，大多数局域网、主干网与i n t e m e t 的互连技术已成熟并得到了广泛 应用。然而楼宇系统设备多，控制网络五花) t n ，各厂家提供的楼宇设备和控 制系统，其通信协议不同，造成不同厂商的设备之问没有很好的互操作性，实 际上很难在同一系统中混用。影响系统的管理、维护和安全。长期以来，用户 一直希望打破楼宇控制厂家的垄断局面，迫切盼望采用标准的通信协议。但是 众多厂家也一直在竞争，力争占领更多市场，均希望使自己成为系统开放的关 键角色。结果是楼宇系统越复杂，用户所受限制也越多。因此，在楼宇自动化 领域，要求增加系统透明性、互操作性的呼声也越来越高。人们已经看到，一 个不具备开放性、不能实现互操作的系统会给系统运行维护、升级改造带来极 大不便。在这种形式下，l o n w o r k s 和b a c n e t 等标准协议应运而生。l o n w o r k s 与b a c n e t 二者到底谁的优势更大? 似乎各有所长。 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 3l o n w o r k s 的应用情况 l o n w o r k s 是1 9 9 3 年推出的，它具有统一性、开放性和互操作性。 l o n w o r k s 现场总线网络简称为l o n 网络，其核心为n e u r o n 芯片，它既能管 理通信，又具有输入、输出功能，芯片内部含有三个c p u ，分别管理网络、介 质访问和应用。l o n w o r k s 神经元网络技术是一种近年来已广泛应用于楼宇自 动化系统中的一种现场总线技术，其最大特点是挂接在l o n 总线上的备控制节 点都有装配有神经元控制芯片，而在每只芯片内已固化有标准的网络通信协议， 这就使得接入l o n 总线的各类设备可互通信，可实现楼宇自动化系统集成，它 在短时间内得到了自动控制领域的广泛关注和普遍接受，在楼宇自动控制领域 更成为实际上的标准。可以说l o n w o r k s 技术最大的应用领域就是在楼宇自动 化方面，它包括建筑物监控系统的所有领域，即人口控制、电梯和能源管理、 消防、救生、供暖通风、测量、保安等。在建筑业中，l o n w o r k s 协议中的介 质访问控制层，即第七层协议中的第一、二层已经被( a s h r a e ) 接纳为建筑 自动化控制网络( b a c n e t ) 的标准，同时也被美国国家标准协会( a n s i ) 制 定的有关标准所采纳。 一 l o n 网络采用的通信协议称为l o n t a l k 协议，该协议对用户完全开放，支 持多种通信媒介，可以实现不同设备之间的互操作。 l o n w o r k s 作为局域网络技术在控制领域的应用，l o n 网络是将控制系统 按局域网络( l a n ) 方式进行构造，用网络节点代替l a n 中工作站，并将其安 装在监控现场，直接与各种传感器、控制器相连。l o n w o r k s 网中每个节点间 可以实现点到点的信息传送，具有很好的互操作性。支持l 0 n w o r k s 的各种智 能节点( 如温度、湿度、压力、二氧化碳检测，执行器、控制器、数据记录及 趋势分析等) ，能使传感器、变送器与执行器本身带有数据处理和数据通信功能， 它们十分有效地支持了楼宇自动化系统的构建，所有匹配智能节点、输入输出 模块的楼宇设备系统，都能方便地组成真正的分布式监控网络。l o n 网络在一 个测控网络上的节点数最多可达3 2 0 0 0 个，无论是哪一类节点，都含有用于控 9 湖北工业大学硕士学位论文 制和通信的n e u r o n 芯片，用于连接一个或多个i o 设备的i 0 接口，以及 负责将节点连接上网的收发器。采用l o n w o r k s 技术的网络可以轻松实现不同 系统、不同产品之间的对等通讯，因而广泛地用来构建分布式的控制网络，大 大简化了系统设计，提高了系统可靠性。按照l o n w o r k s 互操作协议设计的节 点可以实现不同产品之间的互联，这不但为系统集成提供了方便，尤其为打破 某些公司的专项技术垄断提供了可能。 l o n w o r k s 技术用于楼宇自动化系统( b a s ) 中已较为成熟，从目前己应用 的情况来看，很多己建系统的队s 主要采用l o n w o r k s 技术，其问题之一是对 系统布线的要求较苛刻。 b a c n e t 标准的诞生，结束了楼宇自动化领域众多厂家各自为政的局面。 b a c n e t 作为一种标准的开放式数据通信协议，使不同厂家的楼宇设备能够实现 互操作，也就是说，在一个系统中，允许混用不同厂家的设备，并能为这些设 备提供统一的数据通信的服务和协议的操作平台。这个仅给用户提供了更大的 选择空间，而且给系统的升级、维护提供了灵活性。b a c n e t 标准是针对暖通空 调、给水捧水、消防、保安等楼宇系统设计的，它提供广剩i 描述各种楼宇设备 的模型，使得各种设备能互操作和协同工作。b a c n e t 定义了在异种不同l a n 环境下网络工作站之间的通信规程，由于它利用以太网实现b a c n e t 协议，所 以其传输性能较传统的控制网络有较大提高。 b a c n e t 标准是针对楼宇自动化系统设计的。它采用了面向对象的技术，用 ”对象”、“属性”和”服务”等要素定义信息格式，它定义了一种具有属性的对象来 表示任意的楼宇系统设备的功能，从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的 方式。目前b a c n e t 共定义了1 8 个对象，1 2 3 个属性和3 2 种服务。很容易实 现节点间的对等通讯，使系统设计大大简化，可靠性大大提高。在b a c n e t 中， 一个设备可以从另个设备中获取信息，可操作另一设备或向多个设备发布信息。 l o 湖北工业大学硕士学位论文 b a c n e t 的对象和属性提供了通信的共同语言，而服务则提供了信息传递的手 段。协准的通信协议应该是开放的，利用标准通信协议的集成方法虽然目前还 未达到广泛应用，但它的应用前景看好，尤其是大系统和那些可能还要进一步 扩容和升级的大系统。 分散建筑之间采用分布式网络集成的一种方案。这些楼宇自动化系统( b a s ) 对现场仪表盘和控制器也能实现分个人的控制功能，而不再是必须依靠中央控 制器。它能利用集成网络所提供的技术，快速、便利地传递和控制数据，通过 网关在数据网络和控制网络之间提供界面。 1 3 5 通信协议的应用及发展 l o n w t o r k s 与b a c n e t 已竞争多年，各自都有自己的用户群。在楼宇自动 化领域，有此厂家甚至有意把他们的产品设计成l o n w o r i ( s 与b a c n e t 混合， 作为他们的标准。 l o n w o r k s 由于是半开放协议，目前只能使用该公司提供的现成接口和设 备，短期类不会消灭。因为不少厂家己经在他们的产品系列中嵌有l o n w o r k s ， 而要让他们退出l o n w o r k s ，再改一种新标准是很困难的，费用也高。b a c n e t 作为系统层协议的一种选择，潜在优势更大。从目前的情况来看，楼宇控制器 顶尖级的厂家在这类应用上，还没有哪家选l o n w o r k s 。b a c n e t 很适宜在工 作站级的管理领域应用，系统层的协议有利于交互操作性，而b a c n e t 正好能 担当此任。 尽管是竞争对手，但各自都在向同一目标努力，那就是互操作性和对用户开 放。大多数人理解l o n w o r k s 与b a c n e t 共同构建楼宇控制系统的需要。今大 建成的许多楼宇系统，正是采用了l o n w o r i ( s 与队c n e t 共同构建的方式。虽 然价格问题一直是用户最关心的问题之一，但是无论采用哪种协议或厂家标准， 或l o n w o r k s ，或b a c n e t ，成本相差都不大。在目前标准还未完全统一的情 况下，用户可以根据实际工程需要合理选择。 b a c n e t 和l o 几w o r k s 最近都在积极开发网络操作平台，以实现功能强人 湖北工业大学硕士学位论文 的网络集成、管理和维护。在b a c n e t 楼宇自动化协议的基础上发展起来的 b a c n e t i p 协议，可以实现建筑设备自动化系统与i n t e r n e t 的无缝集成，从 而为建筑设备自动化系统与数据通信网络集成在体系结构上提供了保证。 e c h e l o n 公司新近推出的i l o n1 0 0 0i n t e r n e t 服务器，可以与i n t e r n e t 互 连，可以在i p 网上通过标准的例览器界面来对l o n w o r k s 网络实现监控，还能 实现l o n t a i k 协议与i p 协议的转换，为共享同一网络中的信息资源提供了标准 的平台埘叫 1 4 课题研究内容与意义 1 4 1 毕业课题信息 课题来源：本项目为广东省科技创新项目和美的集团重点公关项目。 项目名称：广东省2 0 0 4 关键领域重点突破项目嵌入式软件公共技 术支持平台 1 4 2 本文研究内容 论文的研究内容及组织结构如下： 1 ) 研究嵌入技术所涉及的基本问题，包括b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 内核的 裁减、文件系统的建立、t c p i p 协议栈的移植、驱动程序的编写、应用 程序的设计和实现。 2 ) 研究智能楼宇所涉及的开发、应用问题，包括在嵌入式l i n u x 系统上的 可行性、驱动设计、协议栈或接口的实现、应用开发。 3 ) 在制定了系统设计的理念原则的基础上，给出了一个嵌入式商用空调智 能控制器的具体设计，包括该系统的定义、功能、任务、结构和工作原 理等。 4 ) 设计并实现可作为商业应用的基于嵌入式l i n u x 的商用空调智能控制 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 器。 1 4 3 课题研究的目标和意义 商用空调智能控制器要对大厦内所有空调设备采用现代化技术进行全面有 效的监控和管理。确保大厦内所有空调设备处于高效、节能、最佳运行状态。 提供一个安全、舒适、快捷的工作环境 作为商用空调网络系统与远程控制系统及b m s 系统的网关，其主要意义在 于实现空调运行的远程监控及与b m s 系统对接，填补国内商用空调的技术空白， 追赶国际同行领先水平，要实现的几项主要功能如下： 集中管理：可对整个空调系统进行集中统一式监视和管理，将各空调子系统 的信息统一存储、显示和管理在同一平台上，并为其他信息系统提供数据访问 接口。重点是要准确、全面地反映各子系统运行状态。并能提供空调系统综合 运行报告。 分散控制：各子空调系统进行分散式控制保持各子系统的相对独立性，以分 离故障、分散风险、便于管理。 系统联动：以各空调子系统的状态参数为基础，实现各子系统之间的相关软 件联动。 优化运行：在各集成子系统的良好运行基础之上，提供设备节能控制、运行 预设定、节假日设定等功能。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章嵌入式l in u x 原理研究 相对于在p c 环境下的开发应用程序，嵌入式系统开发有着很多的不同。不 同的硬件平台和操作系统带来了许多附加的开发复杂性。 2 1 嵌入式开发过程 图2 1 嵌入式开发流程 在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编译、链 接、定址过程的计算机；目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首先须把应用 程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包含三个步骤：编译、 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 链接、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编译器就是运行在一个计 算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。常用的交叉编译器有g n u c c + + ( g e e ) 。编译过程产生的所有目标文件被链接成一个目标文件，称为链 接过程。定址过程会把物理存储器地址指定给目标文件的每个相对偏移处。该 过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上执行的二进制文件。 嵌入式开发过程中另一个重要的步骤是调试目标机上的应用程序。嵌入式调 试采用交叉调试器，一般采用宿主机目标机的调试方式，它们之间由串行口线 或以太网或b d m 线相连。交叉调试有任务级、源码级和汇编级的调试，调试时 需将宿主机上的应用程序和操作系统内核下载到目标机的r a m 中或直接烧录 到目标机的r o m 中。目标监控器是调试器对目标机上运行的应用程序进行控制 的代理( d e b u g g e r a g e n t ) ，事先被固化在目标机的f l a s h 、r o m 中，在目标机 上电后自动启动，并等待宿主机方调试器发来的命令，配合调试器完成应用程 序的下载、运行和基本的调试功能，将调试信息返回给宿主机。 2 2 向嵌入式平台移植软件 大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在p c 机上编写软件，再进 行软件的移植工作。在p c 机上编写软件时，要注意软件的可移植性，选用具有 较高移植性的编程语言( 如c 语言) ，尽量少调用操作系统函数，注意屏蔽不 同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等主要问题： 1 ) 字节顺序 2 ) 字节对齐 3 ) 位段 4 ) 代码优化 ( 1 ) 提高代码的效率 ( 2 ) 减小代码的大小 ( 3 ) 避免内存泄漏 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 基于嵌入式l i n u x 开发的可行性 l i n u x 是一个和u n i x 相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程 的操作系统。在开发过程中，可以根据实际需要，通过内核构筑工具对l i n u x 内核功能进行裁减，做成体积很小的嵌入式操作系统。 在实时性应用方面，通用的l i n u x 在强实时性应用方面存在欠缺。l i n u x 调 度程序原来主要是针对台式计算机操作系统，重点考虑的是在应用程序的吞吐 量上，即采用了一种“公平共享”的策略保证所有进程得到平均的c p u 时间。在 楼宇控制设备这种弱实时性应用中，如果采用先进的内核机制、进程调度算法 和较小粒度的系统时间( 1 0 m s ) ，是可以满足弱实时应用要求的，因此，l i n u x 可用于智能楼宇系统 l i n u x 是源代码开放的操作系统，可以很容易得到内核的接口和源码，我们 可以把l o n w o r k s 、b a c n e t 的协议实现集成到内核中去。 l i n u x 是自由软件。在g n ug p l 许可证协议下，可以自由使用、修改和发 布，所以采用嵌入式l i n u x 可以降低控制器的成本。 2 4 系统的启动和加载过程 1 ) 机器上电启动并硬件自检后，读取外存中某个地址中的启动引导程序 ( b o o t l o a d e r ) ，并加载。 2 ) 启动引导程序负责引导外存中的操作系统，根据在b o o t l o a d e r 中设置的参数 加载l i n u x 内核程序。 3 ) l i n u x 内核程序负责操作系统启动的前期工作，并加载系统得i n i t 进程。 4 ) n 虹t 进程是l n u x 系统中运行的第一个进程( 通常会运行s b i n i n i t 程序) ，该 进程将根据其配置文件( 通常是 删t c a b 文件) 执行相应的启动程序。 在2 4 1 0 开发板的l i a u x 中启动顺序如下：上电 - b o o t l o a d e r - k e m e l - l i a u x r c - s b i n i n i t - e t c i n i t t a b - e t c i a i t d r c s - l u s r l e t d p r o f 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 i l e - u s r e w r c 1 0 c a l 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章嵌入式智能楼宇技术 我们在基于嵌入式l i n u x 智能控制器的开发中，首先遇到了l o n w o r k s 现场 总线设备的驱动程序问题。于是我们对l i n u x 的驱动程序实现机制进行了深入研 究，并开发了l o n w o r k s 现场总线设备的驱动程序。 l o n w o r k s 技术是通用的总线，在工业控制系统中可同时应用在s e n s o r b u s 、 d e v i c a ：b u s 、f i e l db u s 等任何一层总线中。l o n w o r k s 技术是采用神经元芯片 ( n e t e r o nc h i p ) 技术，在i s o 的o s i 七层协议上实现的网络控制技术。在一个 l o n w o r k s 控制网络中，智能控制设备( 节点) 使用同一个通信协议与网络中的其它 节点通信。每个节点都包含内置的智能来完成协议的监控功能。一个l o n w o r k s 控制网络可以有3 个到3 0 0 0 0 个或更多的节点：传感器功能( 温度、压力等) 、执 行器功能( 开关、调节阀、变频驱动等) 、操作接口( 显示、人机界面等) 、控制功 能( 新风机组、v a v 等) 。由于不需要像传统控制系统中的中央控制器，l o n w o r k s 分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且