基于ODMA、L-PLC和以太网的楼宇自动化系统设计

王振朝，王 亮，田晓燕，庞 姣，黄永平

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002）

智能建筑由楼宇自动化系统（BAS）、通信自动化系统（CAS）及办公自动化系统（OAS）三部分组成，通常被称为3A。其中，楼宇自动化系统是对建筑物内的空调系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、供热系统以及电梯等机电设备进行监控管理的控制系统。楼宇自动化系统应该是一个集散式控制、数据共享的控制网络[1]。同时，它作为一种民用普及技术，要求成本低、可靠性高，在技术规格上具有兼容性。

目前用于楼宇自动化系统的组网方法有现场总线、电力线、以太网、无线自组网、WiFi等技术。本技术方案充分利用楼宇内已有的用电线路和以太网，采用ODMA、L-PLC和以太网技术对楼宇自动化系统进行组网。本文以楼宇温度采集为例，设计数据采集节点结合软件编程，从而实现楼宇内无线数据采集和监控的功能。

1 系统组网技术介绍

ODMA（Opportunity Driven Multiple Access）即机会驱动多址接入是一种无线自组网技术，3GPP工作组把ODMA定义为一种ad hoc多跳中继协议[2-3]。ODMA物理层采用IEEE802.11g协议，数据传输速率为0～54 Mbit/s。调制方式是OFDM（正交频分复用），工作频段为2.4～2.483 5 GHz，其有13个工作子信道。鉴于ODMA技术传输速率高、组网灵活等特点，本方案利用ODMA网络进行同楼层组网。然而，由于ODMA网络进行无线多跳通信，跳数越多，信号衰减越大，延时越大，同时增加网络的复杂度并降低通信质量，因此本系统在同楼层建立多个ODMA子网，各子网工作信道不同。管理PC机采用分时机制，通过改变Dongle（ODMA设备）工作信道来控制各子网采集数据。同时，由于其隔楼层通信信号衰减快，通信不稳定，该方案采用L-PLC技术和以太网进行不同楼层之间网络的组建。

低压电力线载波通信（Lower Voltage Power Line Communication，L-PLC）是一种以低压电力线为传输媒介，利用载波方式实现数据传输的技术[4]。本方案采用L-PLC技术，即以楼宇内现有的低压交流供电线路为传输媒介，对不同楼层间的ODMA节点进行组网。

以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年由DEC，Intel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网以价格低、可靠性高、可扩展性好、易于管理等特点成为应用最为广泛的局域网，采用CSMA/CD控制访问法。L-PLC通信环境恶劣，信道传输特性随地点、时间变化剧烈且存在大量强脉冲宽带噪声和多径干扰，是一种很差的通信媒介，因此利用L-PLC通信对组网技术有特定的要求[5]。本方案中，不同楼层间组网结合L-PLC技术和楼宇内已有的以太网，进一步保证通信的可靠性。

2 楼宇自动化系统设计方案

本楼宇自动化系统由上位数据管理PC机、ODMA设备、L-PLC设备、以太网和若干个智能节点组成。方案利用ODMA技术、L-PLC和以太网把各节点连接成一个分布式智能控制系统，如图1所示。ODMA设备采用台湾Iwics公司的P212B，Dongle（Dongle是一种ODMA无线网卡，IP地址可设置，用于将PC机接入ODMA网络，通过自带USB口与PC相连）；L-PLC设备使用台湾Billion公司的SG2095；智能节点选用Wiznet公司的W7100A网络微处理器芯片为核心进行设计。在监控网络中，PC机通过Dongle接入ODMA网络，从而对整个系统的节点进行集中控制管理。

图1 分布式智能控制系统

2.1 数据采集节点硬件设计

本文以楼宇温度采集为例，设计数据采集节点。硬件结构框图如图2所示，包括温度传感器、W7100A控制模块、ODMA接入模块。

DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，它是一种单总线设备，共有3个管脚（接地，数据输入输出，接+5 V电源）。在本节点中，DS18B20的数据输入输出管脚可以直接与W7100A芯片的P0～P3中的任意管脚连接，本设计选用P0_7。

图2 数据采集节点

W7100A控制模块包括数据处理模块和数据传输模块，该模块电路以W7100A芯片为核心进行设计，W7100A是一款功能强大的网络微处理器，它包含一个8051兼容的MCU内核、64 kbyte的SRAM、高性能的硬件TCP/IP协议栈[6]。在系统中，MCU实现数据处理的功能，即控制温度传感器采集数据并与TCP/IP内核进行数据交换。TCP/IP内核完成数据传输的功能，即收发网络数据以及与MCU交换数据。

种子（P212B）是ODMA接入模块的核心设备，种子具有标准以太网接口，通过交叉网线与控制电路RJ-45接口相连。嵌入固定的IP地址，有13个工作子信道可选，传输速率为0～3.5 Mbyte/s。种子具有无线中继的功能，可通过增加种子的数量来扩大ODMA网络的覆盖范围。同时种子也可以作为无线接入点，将网络设备接入ODMA网络[7]。

在系统中，温度传感器采集温度数据并通过单总线把数据传给W7100A控制模块，W7100A控制模块对数据进行处理并通过网线将其传给种子，最后数据通过种子被传到ODMA网络中。

2.2 智能节点软件设计

智能节点的软件设计包括W7100A初始化、数据通信、数据采集。该部分的软件编程采用单片机编程，在Keil环境下完成。

W7100A初始化分3个步骤：设置8051MCU，网络信息和内部TX/RX存储器。

8051MCU设置包括开中断、定时器设置、存储器访问时间设置和将全部I/O置高电平等。定时器模式设置如下：

网络信息主要包括智能节点和目的主机的IP地址、端口号、网关、子网掩码等数据。网络中每一个智能节点对应唯一的IP地址。由于W7100A芯片嵌入了硬件的TCP/IP协议栈，不需要编写网络协议，只需调用相应的寄存器就可完成网络信息的设置。内部TX/RX存储器大小采用默认设置，即2 kbyte。

数据通信实现网络数据接收、将智能节点采集的数据发送到目的主机的功能。本系统采用UDP的通信模式，UDP是一种不面向连接的、不可靠的通信协议，但是它传输速度快、传输实时性高。通过设置标记符可有效解决其传输不可靠的问题。接收到的网络数据首先存入TCP/IP内核的RX存储器中，然后调用wizmemcpy函数将数据存入到外部存储器中，wizmemcpy函数用于快速处理数据的接收和发送，实现数据在TX/RX和MCU内核之间的传送。MCU内核接收命令采集数据并将数据传送给TCP/IP内核的TX存储器，TCP/IP内核再将采集到的数据发送到目的主机。函数类型如下：

void wizmemcpy（unsigned long fsrc，unsigned long fdst，unsigned int len）；

数据采集功能由DS18B20完成，工作时钟采用12 MHz，温度采集程序流程图如图3所示。DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，经过单总线接口与主机CPU进行信息交换。每一个DS18B20的应用程序首先要初始化，然后主机CPU进行设备搜索，记录每个DS18B20的序列号。如果总线上有多个DS18B20，主机CPU需要每次使用序列号识别设备。在该智能节点中，DS18B20的初始化是通过W7100A芯片的MCU内核发布复位命令实现的。由于该节点中只有一个温度传感器，因此不需要序列号的识别而直接发送转换命令。

图3 温度采集程序流程图

2.3 PC控制端软件设计

PC控制端的软件采用Windows套接字（Socket），UDP工作模式，在VC++环境下编程实现。套接字最早是由美国伯克利大学推出的，是一种用于开发网络应用程序的非常有效快捷的工具[8]。

PC控制端应用程序使用套接字完成网络数据的接收和发送。该程序通过套接字与网络驱动程序连接，首先在应用程序中创建套接字。然后通过绑定本机IP地址和端口号与驱动程序建立联系。应用程序把数据送给套接字，由套接字交给驱动程序并发送到网络中。同理，计算机从网络上收到与套接字绑定的IP地址和端口号的数据后，由驱动程序交给套接字，应用程序便可从该套接字中接收数据。最后实现收发功能并关闭套接字。

首先PC控制端发给智能节点一个命令标记符（本程序中命令标记符为“0”），然后智能节点接收到数据并进行判断，如果数据为“0”，则判断是来自PC控制端的命令，采集数据并传给PC控制端；如果不为“0”，则继续等待接收数据。

3 Dongle工作信道自动匹配软件设计

PC机通过Dongle接入ODMA网络，控制智能节点采集温度参数。Dongle有13个工作子信道，只有保证其工作信道与ODMA网络在同一通信信道中，才能实现PC端的控制功能。在系统中，同楼层有多个ODMA子网（工作信道不同），PC控制端采用分时机制，通过改变Dongle（ODMA设备）工作信道来控制各子网采集数据。一般通过人工配置工作信道，配置工作繁琐。本文设计了Dongle信道自动匹配的程序，该程序通过自动搜索ODMA子网的工作信道并与之匹配，信道匹配灵活且大大减少了工作量，程序流程如图4所示。

图4 信道匹配程序流程图

该程序通过MFC中的注册表相关库函数和基于ICMP协议的套接字编程实现。 首先，调用的Registry Functions函数查询本机的IP地址，Dongle工作子信道。用到的函数有：RegOpenKeyEx（），RegQueryValueEx（），RegSetValueEx（）等。然后，执行Ping指令过程。

创建原始套接字，可通过以下语句实现：

socket（AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_ICMP）；

设置目的套接字地址，初始化ICMP报头，向目的地址循环发送32个ICMP数据包（sendto），并等待接收目的端返回的报文（recvfrom）。如果收到目的端返回的报文，则说明Dongle与ODMA网络已连通，该Dongle的工作信道即为ODMA网络的信道。如果Ping不同，则修改注册表中Dongle的工作子信道（信道依次递增），继续执行Ping指令，直到Ping通为止，最终确定ODMA网络的工作信道。

4 组网与测试

测试地点选在河北大学电信学院实验楼的103，237，239和337室，按图1进行组网，使用PC端控制软件和Dongle信道匹配软件对系统进行测试。

在测试中，同一楼层组建2个ODMA子网，不同楼层间的2个ODMA子网分别通过L-PLC和以太网连接。选定9：00～9：30，15：00～15：30和21：00～21：30这3个时间段（各时间段室内温度依次为：15℃，22℃，10℃），分别进行100次测试，通信成功率达到100%，温度采集误差为0.5℃（由于系统针对楼宇进行温度采集，对温度精度要求不高，故采集的温度只保留整数位，小数点后四舍五入），传输延时约为50 ms。15：00～15：30时间段采集到的温度数据在管理PC机端上的显示如图5所示，“0”为命令标记符，每个智能节点1次连续采集5个温度值（22℃）传给PC控制端。结果表明该系统可以完成既定的控制任务。

图5 控制端应用软件温度采集（截图）

5 小结

本文提出一种基于ODMA、低压电力线和以太网技术的楼宇自动化系统设计方案。该方案成本低、网络易扩展、无须重新布线，且数据传输可靠性高。利用W7100A芯片设计具有数据采集、网络通信的智能节点，各节点能够采集数据实时传输。通过软件编程实现Dongle工作信道与所接入的ODMA网络信道自动匹配的功能。经过对系统进行测试，证明该技术方案可行，达到预期的设计目标。

[1] 王振朝，马金龙，薛文玲，等.基于LonWorks和L-PLC的楼宇自动化系统设计[J].低压电器，2009（6）：22-26.

[2] CHENG R G，CHENG S M，LIN P.Power-efficient routing mechanism for ODMA systems[J].IEEE Trans.Vehicular Technology，2006，55（4）：1131-1139.

[3] Opportunity driven multiple access[EB/OL].[2012-10-25].http://en.wikipedia.org/wiki/Opportunity_Driven_Multiple_Access.

[4] 王振朝，侯慧然，甘玉涛.基于混沌理论的低压电力线通信信道建模研究[J].电测与仪表，2007（8）：20-24.

[5] 王振朝，张俊林，师洁.低压PLC信道特性研究与新型调制解调算法探讨[J].电测与仪表，2006（6）：5-8.

[6] 成都浩然电子有限公司.W7100A数据手册（中文版）[EB/OL].[2012-10-16].http：//www.hschip.com/down.

[7] PARROT 212B Datasheet[EB/OL].[2012-10-18].http：//www.iwics.com/Technology/PARROTS/P212B.shtml.

[8] 孙鑫，于安萍.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2006：529-530.