張佑春,徐濤,朱煉,熊國(guó)民（.安徽工商職業(yè)學(xué)院,安徽合肥；.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)4500；.新鄉(xiāng)銀行,河南新鄉(xiāng)4500）

基于LonWorks技術(shù)的智能樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)

張佑春1,徐濤2,朱煉1,熊國(guó)民3
（1.安徽工商職業(yè)學(xué)院,安徽合肥231131；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；3.新鄉(xiāng)銀行,河南新鄉(xiāng)453003）

給出了一種基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.系統(tǒng)主要通過DDC作為下位機(jī),借助LonMaker軟件編寫了底層控制網(wǎng)絡(luò)程序；上位機(jī)采用力控組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài),并開發(fā)了友好的人機(jī)界面、集中顯示和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序.方案具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值.

LonWorks；DDC；照明監(jiān)控

目前我國(guó)照明用電量約占全社會(huì)總用電量的12%,照明的節(jié)能對(duì)我國(guó)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義.傳統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)方案不能適應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景對(duì)照明效果的不同需求,簡(jiǎn)單的控制方式更不便于集中管理和維護(hù).除了大力推廣使用新型節(jié)能光源及高性能照明燈具措施外,應(yīng)用信息化技術(shù)改造傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的粗放式能源使用方式、精細(xì)利用能源,是另一重要的照明節(jié)能技術(shù),即所謂的智能照明控制技術(shù)[1].將智能照明控制技術(shù)應(yīng)用于樓宇,能夠根據(jù)樓宇中照明環(huán)境、用戶需求、客觀需要等因素實(shí)現(xiàn)照明區(qū)域中的各種狀態(tài)信息采集,并對(duì)所采集的信息進(jìn)行相應(yīng)地分析與處理,最終將處理結(jié)果按照要求進(jìn)行存放、傳遞和顯示,從而控制和反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行.基于智能樓宇照明控制技術(shù)設(shè)計(jì)的照明監(jiān)控系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集模塊、命令執(zhí)行模塊、信號(hào)傳輸模塊、控制模塊、監(jiān)控上位機(jī)5個(gè)部分組成[2-4].

本文給出了一種基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.系統(tǒng)主要通過直接數(shù)字控制器（DDC）作為下位機(jī),借助LonMaker軟件編寫了底層控制網(wǎng)絡(luò)程序；上位機(jī)采用力控（Force Control）組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài),并開發(fā)了友好的人機(jī)界面、集中顯示和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序.

1 LonWorks概述

局部操作網(wǎng)絡(luò)（LocalOperating Networks,LonWorks）,是美國(guó)Echelon公司于20世紀(jì)90年代初推出的一種綜合性的工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò).LonWorks總線的通信、運(yùn)行是基于開放式LonTalk通信協(xié)議之上的,主要特點(diǎn)是采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議,是面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提供一系列通信服務(wù),可使一臺(tái)設(shè)備的應(yīng)用程序在不了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒚Q、地址或其他設(shè)備功能的情況下發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的報(bào)文.還提供了端到端的報(bào)文確認(rèn)、報(bào)文認(rèn)證、打包業(yè)務(wù)以及優(yōu)先傳遞服務(wù),支持網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù),允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理工具進(jìn)行交互操作.

LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）,為避免高昂的設(shè)計(jì)成本,使用了CMOS CLSI技術(shù),從而可以實(shí)現(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)控制.神經(jīng)元芯片內(nèi)部一般含有3個(gè)基于堆棧的流水式8位CPU,即介質(zhì)訪問控制處理器、網(wǎng)絡(luò)訪問控制處理器、應(yīng)用控制處理器[5].此外,神經(jīng)元芯片還具備了RAM、ROM、可編程收發(fā)器接口和I/O接口,ROM中存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、LonTalk協(xié)議和I/O函數(shù)庫,RAM用于存儲(chǔ)從網(wǎng)絡(luò)上下載的配置數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序.神經(jīng)元芯片實(shí)現(xiàn)了完整的LonTalk通信協(xié)議,集I/O、控制和通信為一體,通過收發(fā)器與外部實(shí)現(xiàn)信息傳輸.

LonWorks技術(shù)提供了一種功能強(qiáng)大的組網(wǎng)方式,可以方便地構(gòu)建各種分布式工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò),順利地完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能.在LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)之間共享同一介質(zhì)（如：雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖等）進(jìn)行相互通訊.在建立節(jié)點(diǎn)間傳遞信息的物理通道后,再由網(wǎng)絡(luò)安裝管理工具LonMakerfor Windows來對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)地址等信息,經(jīng)過節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)變量的捆綁后完成邏輯連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安裝、構(gòu)建、監(jiān)控和維護(hù)[6-7].

LonWorks最主要的應(yīng)用是樓宇智能化方面,它包括建筑物的出入口控制、電梯控制、能源管理、消防、安全、供配電、照明、給排水、暖通、保安等監(jiān)控系統(tǒng).本文主要研究了LonWorks技術(shù)應(yīng)用于智能化樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)主要通過直接數(shù)字控制器（DDC）作為下位機(jī),通過LonMaker 3.1軟件編寫了底層控制網(wǎng)絡(luò)程序,上位機(jī)采用力控（ForceControl）組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài),并開發(fā)了友好的人機(jī)界面和監(jiān)控程序.

2 智能樓宇照明監(jiān)控硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LonWorks的智能樓宇照明監(jiān)控硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 智能樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 The overallhardware block diagram ofintelligentbuilding illumination monitoring system

系統(tǒng)主要是以美國(guó)Echelon公司的神經(jīng)元芯片Neuron 3150作為智能控制節(jié)點(diǎn),用來接收數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù),經(jīng)過處理運(yùn)算后,將得到的結(jié)果以網(wǎng)絡(luò)變量的形式傳遞給執(zhí)行單元,進(jìn)而可以驅(qū)動(dòng)相關(guān)照明設(shè)備.在硬件系統(tǒng)當(dāng)中,一般由傳感器、紅外接收器、輸入開關(guān)等組成的數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的現(xiàn)場(chǎng)照度、運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)參數(shù),通過網(wǎng)絡(luò)變量的形式傳遞給LonWorks控制模塊.再由執(zhí)行單元根據(jù)控制指令來驅(qū)動(dòng)具體的控制對(duì)象,如照明燈、電源指示燈、報(bào)警指示燈等.接下來利用Echelon公司提供的USB接口Lon網(wǎng)卡作為傳輸模塊,監(jiān)控上位機(jī)可以方便地與下位機(jī)進(jìn)行通訊,從而完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)重要參數(shù)的集中顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)報(bào)表的有序生成和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息的準(zhǔn)確診斷等任務(wù).系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)借助LonWorks總線搭建,選擇主/從式通信方式進(jìn)行組網(wǎng),利用地址編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化巡檢,從而提高了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性和相對(duì)獨(dú)立性.

3 智能樓宇照明監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能樓宇照明監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分,即智能節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)、下位機(jī)底層控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)設(shè)計(jì).其中,智能節(jié)點(diǎn)采用的是NodeBuilder節(jié)點(diǎn)開發(fā)平臺(tái),利用Neuron C語言進(jìn)行軟件編程；下位機(jī)采用LonMaker組網(wǎng)工具設(shè)計(jì)DDC底層控制網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)采用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面.

3.1 智能節(jié)點(diǎn)軟件流程

智能點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要是由測(cè)量單元與控制單元兩部分組成,在使用Neuron C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí),先定義源程序結(jié)構(gòu),包括I/O對(duì)象、時(shí)鐘對(duì)象和網(wǎng)絡(luò)變量等,接著編寫各單元處理子程序,最后采用when語句完成調(diào)度程序設(shè)計(jì).其中測(cè)量單元程序與控制單元程序設(shè)計(jì)流程分別如圖2、圖3所示.

圖2 測(cè)量單元程序流程Fig.2 The flow diagram ofmeasurementunit

圖3 控制單元程序流程Fig.3 The flow diagram ofcontrolunit

3.2 下位機(jī)底層控制網(wǎng)絡(luò)

底層控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用Echelon公司提供的網(wǎng)絡(luò)安裝管理工具LonMakerfor Windows軟件,進(jìn)行控制網(wǎng)絡(luò)的安裝、構(gòu)建、監(jiān)控和維護(hù),具體包括以下5個(gè)步驟：設(shè)備創(chuàng)建、功能模塊生成、變量創(chuàng)建和連接、信道創(chuàng)建和參數(shù)配置.基于LonMaker組網(wǎng)設(shè)計(jì)的智能化樓宇照明底層監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示.系統(tǒng)輸入變量來自3路,第1路來自光控,第2路來自時(shí)鐘,第3路來自上位機(jī)控制命令,控制對(duì)象為樓道照明和室內(nèi)照明.通過任意一路發(fā)來的命令,控制網(wǎng)絡(luò)都可以實(shí)時(shí)響應(yīng),打開或關(guān)閉相應(yīng)燈具,并且將狀態(tài)反饋給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng).

圖4 智能化樓宇照明底層監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)Fig.4 The underlying monitoring network ofintelligentbuilding illumination system

3.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)采用力控組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài)并設(shè)計(jì)人機(jī)界面,主要步驟包括：I/O設(shè)備組態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫構(gòu)造、監(jiān)控界面創(chuàng)建、腳本程序編寫等.其中在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建中,我們創(chuàng)建了6個(gè)點(diǎn),與控制器內(nèi)部變量的對(duì)應(yīng)鏈接分別為di1（nvo_DI_1）、di2（nvo_DI_2）、di3（nvo_DI_3）、do1（nvi_DO_1）、do2（nvi_DO_2）、an（nvi_in11_1）.在腳本程序編寫中,對(duì)界面中的每個(gè)對(duì)象進(jìn)行條件、動(dòng)作、禁止等屬性的定義.主要腳本程序如下：

di1.desc==”100.0 1”；//樓道照明

di2.desc==”100.0 1”；//室內(nèi)照明

di3.desc==”100.0 1”；//光控狀態(tài)

do1.desc=”0.0 1”；//樓道動(dòng)作

an.desc==”0.0 1”||do1.desc==”0.0 1”；//樓道禁止動(dòng)作

do2.desc=”0.0 1”；//室內(nèi)動(dòng)作

an.desc==”0.0 0”||do2.desc==”0.0 1”；//室內(nèi)禁止動(dòng)作

an.desc==”0.0 1”；//手動(dòng)狀態(tài)

an.desc==”0.0 0”；//自動(dòng)狀態(tài)

an.desc=”0.0 1”；//手動(dòng)動(dòng)作

an.desc=”0.0 0”；//自動(dòng)動(dòng)作

最終開發(fā)的監(jiān)控界面如圖5所示.

圖5 基于力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)人機(jī)界面Fig.5 The man-machine interface based on the ForceControlconfiguration software design

4 運(yùn)行分析

利用LonMaker開發(fā)的底層控制網(wǎng)絡(luò)與借助力控開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)程序,在I/O設(shè)備組態(tài)恰當(dāng),參數(shù)配置正確時(shí),兩者皆可以相互獨(dú)立地運(yùn)行.如在底層監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,可以修改樓道和室內(nèi)兩路照明的輸入?yún)?shù),可以強(qiáng)制點(diǎn)亮或關(guān)閉；設(shè)置RealTime功能模塊和EventScheduler功能模塊參數(shù),實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制.在上位機(jī)組態(tài)界面中,能夠人為地切換手動(dòng)、自動(dòng)按鈕,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)控制.當(dāng)手動(dòng)控制時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要點(diǎn)亮或關(guān)閉樓道或室內(nèi)照明燈具；當(dāng)切換到自動(dòng)控制時(shí),便不需要人為干預(yù),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)照明環(huán)境參數(shù)以及預(yù)先設(shè)置好的任務(wù)列表自動(dòng)點(diǎn)亮或關(guān)閉相應(yīng)照明燈具.經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性良好,達(dá)到預(yù)期效果.

5 小結(jié)

本文提出了一種基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,完成了下位機(jī)DDC控制網(wǎng)絡(luò)組建和上位機(jī)組態(tài)程序的設(shè)計(jì).在接下來的研究中,將適當(dāng)考慮引入模糊控制理論來改進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)備檢測(cè)性能,運(yùn)用D-S（Dempster-Shafer）證據(jù)理論來增加系統(tǒng)故障診斷功能,進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度.方案將給傳統(tǒng)的斷路器控制、定時(shí)器控制等照明控制方式帶來一定的指導(dǎo)意義.

[1]許錦標(biāo),張振昭.樓宇智能化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]曹學(xué)林.節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑照明中的推廣應(yīng)用[J].電氣時(shí)代,2008（4）：64-65.

[3]朱則剛.現(xiàn)代智能照明的控制系統(tǒng)[J].光源與照明,2007（9）：25-27.

[4]鄭增強(qiáng),肖焱山.動(dòng)態(tài)過程三維面形測(cè)量的頻閃結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,36（3）：111-114.

[5]Echelon Corporation.Neuron Chip Data Book[S].Echelon,2001.

[6]Echelon Corporation.LonMakerfor Windows User’s Guide[S].Echelon,2001：70-76.

[7]劉軍華,李春茂,褚麗麗.基于LonWorks技術(shù)的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用.2008,27（3）：41-44.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Research on intelligent building illumination monitoring system based on LonWorks technology

Zhang Youchun1,Xu Tao2,Zhu Lian1,Xiong Guomin3
（1.AnhuiBusiness VocationalCollege,Hefei231131,China；2.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China；3.Bank ofXinxiang,Xinxiang 453003,China）

This paper has put forward a designing scheme of intelligent building illumination monitoring system based on LonWorks fieldbus technology．By means of the LonMaker software,a low-level control network program has been written which runs in the lower computer DDC．Not only has device configuration in host computer been accomplished by the ForceControl configuration software,but a friendly man-machine interface,centralized display and real-time monitoring program has also been developed．This scheme has a certain reference value of engineering applications．

LonWorks；DDC；illumination monitoring

TP273

A

1008-7516（2013）01-0062-05

10．3969/j．issn．1008-7516．2013．01．016

2012-11-27

安徽省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目（2012sqrl236）；安徽省2012年度教學(xué)成果獎(jiǎng)項(xiàng)（2012cgj407）；安徽工商職業(yè)學(xué)院2012年度院長(zhǎng)青年基金項(xiàng)目

張佑春（1982-）,男,安徽廬江人,碩士,講師．主要從事樓宇智能化工程技術(shù)研究．