CAN总线在智能建筑温湿度自控系统中的应用

智能大厦是在传统建筑的基础上增加了楼宇、办公、通信等３个自动化系统的高科技大厦。楼宇自动化系统（ＢＡＳ）是智能大厦的重要组成部分，它采用传感技术、计算机技术和现代通信技术，实现对大厦内的空调、电力、电梯、供排水、防火、防盗和视频监控等设备实行综合自动管理，具有各种安全保护、运行监控等管理功能。给用户提供舒适、安全的内部环境。因此，智能大厦的各个场所、各个房间，温湿度必须常年控制在某一特定的范围内，实现温湿度控制智能化。 本文介绍的温湿度自动控制系统，基于ＣＡＮ总线，采用Ｉｎｔｅｌ ８０ Ｃ１９６ＫＣ １６位单片机作为智能节点控制器，系统通信可靠、快捷，硬件电 路设计和软件编程简单，能较好地满足智能大厦对环境的智能化要求，达到节能的目的。 ２ 系统的总体方案设计及工作原理 系统由上位管理机、ＣＡＮ接口适配卡和多个智能节点组成，节点数量可根 据建筑物的规模增减。采用ＣＡＮ总线作为通信网络将各节点连接成一个分布式智 能控制系统。系统的总体结构如图１所示。网络拓扑结构采用总线方式，上位管理 机采用ＰⅢ５００ＰＣ机，以８０Ｃ１９６单片机为节点控制器，传输介质采用双 绞线，通信位速率设为２０ｋｂ／ｓ，ＣＡＮ总线任意两节点之间的距离可以达到 ３．３ｋｍ，完全可以满足智能大厦内部的通信要求。上位机通过ＣＡＮ接口适配 卡与ＣＡＮ总线相连，进行信息交换，负责对整个系统进行监视管理。节点控制器 通过ＣＡＮ总线接收上位机的各种操作控制命令和设定参数；实时采集各模拟量输 入通道的温湿度值，采集新风处理设备，包括送、回风机、过滤器、冷却器、加热 器和加湿器等设备的开关状态信号。当检测到温湿度与设定值有偏差时，执行温度 和湿度算法，输出相应的控制量给执行器（电动调节阀），调节盘管内的水流量， 保持送风的温、湿度在要求上控制范围内；如果发现温度或湿度超过了设定的上下 限，则会立即发出声、光报警，同时输出相应的极限值到执行器，使温湿度尽快回 到设定范围。 ２．１节点硬件电路设计 节点硬件电路以Ｉｎｔｅｌ １６位单片机８０Ｃ１９６ＫＣ为核心，选用 ＳＪＡ１０００作为ＣＡＮ控制器，并使用了ＣＡＮ控制接口芯片ＰＣＡ８２５ ０。８２Ｃ２５０可以提供对总线的差动发送和接收功能，提高系统总线的节点驱 动能力，增大通信距离，降低干扰。节点硬件电路如图２所示。在图２中，利用８ ０Ｃ１９６ＫＣ多达６路的高速输出器ＨＳＯ来产生ＰＷＭ输出，可使系统具有９ 路模拟量输出和８路模拟量输入的能力。为减少元件数，节约电路板空间，选用可 编程器件ＰＳＤ３０２进行系统扩展和Ｉ／Ｏ重组，它将单片机所需的大部分外围接口功能，如ＥＰＲＯＭ（６４ｋＢ）、ＳＲＡＭ（２ｋＢ）和可编程逻辑器件 （ＰＬＤ）集成在一块芯片上，并提供８路开关量输入和８路开关量输出。８０Ｃ １９６ＫＣ的Ｐ１口主要用于温度、湿度超限时的报警指示，但Ｐ１．３、Ｐ１．４、 Ｐ１．５一起作为ＰＷＮ方波输出端。Ｐ２口除完成一些特殊功能外，还为看门狗 电路Ｘ２５０４５提供片选信号。时钟芯片ＤＳ１２８８７Ａ在程序中编程为提供 每秒定时中断，通过ＨＳＩ．０向８０Ｃ１９６ＫＣ提出中断请求，在达到设定的 间隔时间后将执行增量型ＰＩＤ控制算示和模糊控制算法。Ｘ２５０４５实现硬件 看门狗功能，它也提供５１２Ｂ ＥＥＰＲＯＭ来保存重要的系统控制参数。每当 系统掉电、上电后，通过串行时钟输出端ＳＯ将重要的系统参数读到特定ＲＡＭ区， 使程序恢复正常运行。 ３ 系统软件设计 系统的软件设计主要包括上位机的通信处理软件和现场测控节点的数据采 集与处理软件的编写。 ３．１上位机软件 采用基于Ｗｉｎｄｏｗｓ９５平台的Ｖｉｓｕａｌ和Ｂａｓｉｃ６．０面向 对象的３２位可视化高级语言编写。具有系统参数（如波特率、输出控制、报文标 识与屏蔽等）设置、监视状态设置、数据发送和接收、本机状态查询、节点状态查 询、上下限报警、中断接收数据管理等功能模块，程序功能模块如图３所示。上位 机首先对ＣＡＮ总线适配卡及自身初始化，然后发送命令通知特定节点向ＣＡＮ总 线上发数据。通过ＣＡＮ总线适配卡转换后，再由上位机根据实际情况进行相应的 处理。上位机采用定时轮循方式向各个节点发命令，而采用中断方式接收数据。 ３．２智能节点软件设计 智能节点软件由初始化、发送数据和中断处理三部分组成，主要完成两项任 务：一是温、湿度传感器的采样与控制算法，二是当上位机请求数据时将节点所在 现场的温、温度和ＣＡＮ节点状态等数据传送给上位机。温、湿度传感器的采样与 控制算法在定时器中断服务程序中完成，数据信息的传输在主程序下完成。程序流 程图分别如图４和５所示。 ４ 系统节能措施 智能大厦的空调器、制冷、供热设备，由于设备众多而且分散，其能耗占整 个建筑的５０％左右，是智能建筑的耗能大户，为实现能量的优化管理与控制，满 足系统节能的要求，在保证舒适的前提下，采取以下措施： （１）设定程序使餐厅、会议室等间歇使用处的空调机组在满足舒适性的前提下 间歇运动；按照事先设定好的时间表，根据上下班时间定时启动或停止办公室的空 调机组；节假日停止运行，以达到节能目的。 （２）由于智能大厦中的房间均为舒适性空调，室内的温湿度设定值并不需要全 年固定不变，因此可按季节对温度设定值进行变设定值控制。如夏季温度设定在２ ３ ２６℃范围内，冬季设定在１８ ２０℃，而过渡季节允许在２０ ２５℃范 围内波动。通过上述温度变设定值控制可大幅度降低不必要的能理消耗。 （３）控制器的执行算法模块主要采用了增量型ＰＩＤ控制算法和模糊算法。程 序开始运行后，被控量的偏差较大，此时将采用增量型ＰＩＤ控制算法，使被控量 尽快回到设定值附近。然后，当偏差处于某一预定范围内时，将采用模糊控制算法 减少控制量对被控量微小变化产生过于灵敏的动作，防止被控量在设定值附过产生 振荡现象。实现ＰＩＤ控制算法和模糊控制算法的理想结合，使系统达到节能目的。 （４）采用先进的变频装置，对水泵、风机进行变频调速，效果明显，变风量空 调控制可减少空调负荷１５％ ３０％。由于空调机组、新风机组和风机盘管的负 荷是经常变化的，如人员的频繁进出，室外天气的变化等。通过对热泵机组和冷冻 水泵按需冷量进行台数控制，可以达到节能的目的。 （５）充分利用新回风的冷（热）量并加以焓值控制，能节约相当可观的能量。 ５ 结束语 ＣＡＮ总线以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性，越来越受到人们 的重视。在智能楼宇系统中使用ＣＡＮ总线技术，提高了系统内部的通信速率、实 时性，降低了误码传送率。实际应用证明本系统控制效果好，可靠性高，温度控制 精度可达到±０．５℃，湿度控制精度达到±２％ＲＨ，充分保证了智能大厦的舒 适性和安全性。 参考文献 1 阳宪惠。现场总线技术及其应用． 北京：清华大学出版社，１９９９ 2 周风余等。ＣＡＮ总线及其在机器人中的应用。测控技术，２０００（３） 3 邬宽明ＣＡＮ总线原理和应用系统设计。北京航空航天大学出版社，１９９６ 4 肖学军、王健。专用新风机控制器的设计，电子技术，２０００（３）