基于LonWorks技术的智能楼宇照明监控系统

张佑春,徐涛,朱炼,熊国民（.安徽工商职业学院,安徽合肥；.河南科技学院,河南新乡4500；.新乡银行,河南新乡4500）

基于LonWorks技术的智能楼宇照明监控系统

张佑春1,徐涛2,朱炼1,熊国民3
（1.安徽工商职业学院,安徽合肥231131；2.河南科技学院,河南新乡453003；3.新乡银行,河南新乡453003）

给出了一种基于LonWorks现场总线技术的智能楼宇照明监控系统设计方案.系统主要通过DDC作为下位机,借助LonMaker软件编写了底层控制网络程序；上位机采用力控组态软件进行设备组态,并开发了友好的人机界面、集中显示和实时监控程序.方案具有一定的工程应用参考价值.

LonWorks；DDC；照明监控

目前我国照明用电量约占全社会总用电量的12%,照明的节能对我国节能减排目标的实现具有重要意义.传统的照明设计方案不能适应实际场景对照明效果的不同需求,简单的控制方式更不便于集中管理和维护.除了大力推广使用新型节能光源及高性能照明灯具措施外,应用信息化技术改造传统照明系统的粗放式能源使用方式、精细利用能源,是另一重要的照明节能技术,即所谓的智能照明控制技术[1].将智能照明控制技术应用于楼宇,能够根据楼宇中照明环境、用户需求、客观需要等因素实现照明区域中的各种状态信息采集,并对所采集的信息进行相应地分析与处理,最终将处理结果按照要求进行存放、传递和显示,从而控制和反馈系统实时运行.基于智能楼宇照明控制技术设计的照明监控系统一般由数据采集模块、命令执行模块、信号传输模块、控制模块、监控上位机5个部分组成[2-4].

本文给出了一种基于LonWorks现场总线技术的智能楼宇照明监控系统设计方案.系统主要通过直接数字控制器（DDC）作为下位机,借助LonMaker软件编写了底层控制网络程序；上位机采用力控（Force Control）组态软件进行设备组态,并开发了友好的人机界面、集中显示和实时监控程序.

1 LonWorks概述

局部操作网络（LocalOperating Networks,LonWorks）,是美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的一种综合性的工业测控网络.LonWorks总线的通信、运行是基于开放式LonTalk通信协议之上的,主要特点是采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,是面向对象的网络协议,提供一系列通信服务,可使一台设备的应用程序在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文.还提供了端到端的报文确认、报文认证、打包业务以及优先传递服务,支持网络管理服务,允许网络设备与远程网络管理工具进行交互操作.

LonWorks技术的核心是神经元芯片（Neuron Chip）,为避免高昂的设计成本,使用了CMOS CLSI技术,从而可以实现低成本的网络控制.神经元芯片内部一般含有3个基于堆栈的流水式8位CPU,即介质访问控制处理器、网络访问控制处理器、应用控制处理器[5].此外,神经元芯片还具备了RAM、ROM、可编程收发器接口和I/O接口,ROM中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库,RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序.神经元芯片实现了完整的LonTalk通信协议,集I/O、控制和通信为一体,通过收发器与外部实现信息传输.

LonWorks技术提供了一种功能强大的组网方式,可以方便地构建各种分布式工业测控网络,顺利地完成数据采集、状态检测和实时控制等功能.在LonWorks控制网络中,节点之间共享同一介质（如：双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤等）进行相互通讯.在建立节点间传递信息的物理通道后,再由网络安装管理工具LonMakerfor Windows来对控制网络上的节点配置网络地址等信息,经过节点网络变量的捆绑后完成逻辑连接,实现对网络的安装、构建、监控和维护[6-7].

LonWorks最主要的应用是楼宇智能化方面,它包括建筑物的出入口控制、电梯控制、能源管理、消防、安全、供配电、照明、给排水、暖通、保安等监控系统.本文主要研究了LonWorks技术应用于智能化楼宇照明监控系统,系统主要通过直接数字控制器（DDC）作为下位机,通过LonMaker 3.1软件编写了底层控制网络程序,上位机采用力控（ForceControl）组态软件进行设备组态,并开发了友好的人机界面和监控程序.

2 智能楼宇照明监控硬件系统设计

基于LonWorks的智能楼宇照明监控硬件系统总体结构如图1所示.

图1 智能楼宇照明监控系统总体硬件结构Fig.1 The overallhardware block diagram ofintelligentbuilding illumination monitoring system

系统主要是以美国Echelon公司的神经元芯片Neuron 3150作为智能控制节点,用来接收数据采集模块采集到的数据,经过处理运算后,将得到的结果以网络变量的形式传递给执行单元,进而可以驱动相关照明设备.在硬件系统当中,一般由传感器、红外接收器、输入开关等组成的数据采集模块将采集到的现场照度、运行状态等相关参数,通过网络变量的形式传递给LonWorks控制模块.再由执行单元根据控制指令来驱动具体的控制对象,如照明灯、电源指示灯、报警指示灯等.接下来利用Echelon公司提供的USB接口Lon网卡作为传输模块,监控上位机可以方便地与下位机进行通讯,从而完成对整个系统重要参数的集中显示、设备运行状态的实时监控、数据报表的有序生成和现场环境信息的准确诊断等任务.系统的拓扑结构借助LonWorks总线搭建,选择主/从式通信方式进行组网,利用地址编码技术实现智能化巡检,从而提高了系统的灵活性、可扩展性和相对独立性.

3 智能楼宇照明监控软件系统设计

智能楼宇照明监控软件系统设计包括3个部分,即智能节点软件流程设计、下位机底层控制网络设计和上位机监控软件平台设计.其中,智能节点采用的是NodeBuilder节点开发平台,利用Neuron C语言进行软件编程；下位机采用LonMaker组网工具设计DDC底层控制网络；上位机采用力控组态软件设计人机界面.

3.1 智能节点软件流程

智能点的软件设计与实现主要是由测量单元与控制单元两部分组成,在使用Neuron C语言进行程序设计时,先定义源程序结构,包括I/O对象、时钟对象和网络变量等,接着编写各单元处理子程序,最后采用when语句完成调度程序设计.其中测量单元程序与控制单元程序设计流程分别如图2、图3所示.

图2 测量单元程序流程Fig.2 The flow diagram ofmeasurementunit

图3 控制单元程序流程Fig.3 The flow diagram ofcontrolunit

3.2 下位机底层控制网络

底层控制网络设计采用Echelon公司提供的网络安装管理工具LonMakerfor Windows软件,进行控制网络的安装、构建、监控和维护,具体包括以下5个步骤：设备创建、功能模块生成、变量创建和连接、信道创建和参数配置.基于LonMaker组网设计的智能化楼宇照明底层监控系统网络如图4所示.系统输入变量来自3路,第1路来自光控,第2路来自时钟,第3路来自上位机控制命令,控制对象为楼道照明和室内照明.通过任意一路发来的命令,控制网络都可以实时响应,打开或关闭相应灯具,并且将状态反馈给上位机监控系统.

图4 智能化楼宇照明底层监控系统网络Fig.4 The underlying monitoring network ofintelligentbuilding illumination system

3.3 上位机监控系统

上位机采用力控组态软件进行设备组态并设计人机界面,主要步骤包括：I/O设备组态、实时数据库构造、监控界面创建、脚本程序编写等.其中在实时数据库构建中,我们创建了6个点,与控制器内部变量的对应链接分别为di1（nvo_DI_1）、di2（nvo_DI_2）、di3（nvo_DI_3）、do1（nvi_DO_1）、do2（nvi_DO_2）、an（nvi_in11_1）.在脚本程序编写中,对界面中的每个对象进行条件、动作、禁止等属性的定义.主要脚本程序如下：

di1.desc==”100.0 1”；//楼道照明

di2.desc==”100.0 1”；//室内照明

di3.desc==”100.0 1”；//光控状态

do1.desc=”0.0 1”；//楼道动作

an.desc==”0.0 1”||do1.desc==”0.0 1”；//楼道禁止动作

do2.desc=”0.0 1”；//室内动作

an.desc==”0.0 0”||do2.desc==”0.0 1”；//室内禁止动作

an.desc==”0.0 1”；//手动状态

an.desc==”0.0 0”；//自动状态

an.desc=”0.0 1”；//手动动作

an.desc=”0.0 0”；//自动动作

最终开发的监控界面如图5所示.

图5 基于力控组态软件设计的系统人机界面Fig.5 The man-machine interface based on the ForceControlconfiguration software design

4 运行分析

利用LonMaker开发的底层控制网络与借助力控开发的上位机组态程序,在I/O设备组态恰当,参数配置正确时,两者皆可以相互独立地运行.如在底层监控系统网络中,可以修改楼道和室内两路照明的输入参数,可以强制点亮或关闭；设置RealTime功能模块和EventScheduler功能模块参数,实现定时控制.在上位机组态界面中,能够人为地切换手动、自动按钮,实现对系统的手动、自动控制.当手动控制时,根据现场需要点亮或关闭楼道或室内照明灯具；当切换到自动控制时,便不需要人为干预,系统会根据现场照明环境参数以及预先设置好的任务列表自动点亮或关闭相应照明灯具.经试验测试,整个系统运行稳定性良好,达到预期效果.

5 小结

本文提出了一种基于LonWorks现场总线技术的智能楼宇照明监控系统设计方案,完成了下位机DDC控制网络组建和上位机组态程序的设计.在接下来的研究中,将适当考虑引入模糊控制理论来改进系统的设备检测性能,运用D-S（Dempster-Shafer）证据理论来增加系统故障诊断功能,进而提高整个系统的智能化程度.方案将给传统的断路器控制、定时器控制等照明控制方式带来一定的指导意义.

[1]许锦标,张振昭.楼宇智能化技术[M].北京：机械工业出版社,2010.

[2]曹学林.节能设计在建筑照明中的推广应用[J].电气时代,2008（4）：64-65.

[3]朱则刚.现代智能照明的控制系统[J].光源与照明,2007（9）：25-27.

[4]郑增强,肖焱山.动态过程三维面形测量的频闪结构光照明系统设计[J].河南科技学院学报：自然科学版,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]刘军华,李春茂,褚丽丽.基于LonWorks技术的照明控制系统的设计[J].电气应用.2008,27（3）：41-44.

（责任编辑：卢奇）

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

安徽省高等学校省级优秀青年人才基金项目（2012sqrl236）；安徽省2012年度教学成果奖项（2012cgj407）；安徽工商职业学院2012年度院长青年基金项目

张佑春（1982-）,男,安徽庐江人,硕士,讲师．主要从事楼宇智能化工程技术研究．