一种基于MCU系列的楼宇自动化控制系统设计

李 健，钮瑞艳，程 飞

（1.中国石油大学（华东）规划建设处，266580；2.中国石油大学（华东），266580；3.中国建筑第八工程局有限公司，200135）

一种基于MCU系列的楼宇自动化控制系统设计

李 健1，钮瑞艳2，程 飞3

（1.中国石油大学（华东）规划建设处，266580；2.中国石油大学（华东），266580；3.中国建筑第八工程局有限公司，200135）

针对大型场馆等楼宇自动化控制的需求，结合MCU系列芯片的优势，提出一种用于大型场馆的楼宇自动化控制系统。根据大型场馆建筑复杂的特点，提出采用分布式控制方法，以RS485总线和Modbus协议作为通信，以MCU系列中高性能的C8051F120单片机作为监控部分的技术核心，最后利用组态王软件对系统监控界面进行开发，实现了对场馆楼宇排水、消防、空调等不同系统的控制与监控，对提高大型场馆的自动化管理水平具有很好的借鉴。

MCU芯片；Modbus协议；组态软件；楼宇控制；监控

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的快速发展，智能建筑得到了飞快的发展，它是信息时代高科技与现代建筑的完美结合，其中楼宇自动化系统设计是实现智能建筑的关键技术。本文密切联系实际应用，以实际项目作为科研背景，根据某场馆楼宇自动化系统开发和设计需求，提出了一套可行性的自动控制方案，并对方案的实现进行了详细的设计与实现。

1　楼宇自动化系统的构成

图1　楼宇自动化系统组成

楼宇自动化系统的构建，其目的通常为创建一个安全、方便、舒适、经济、节能的工作和生活环境，为客户提供周全、便利的服务，为公司提供一个现代化的管理系统，以提高工作效率、节省能源、增加附加值，适应未来社会的进步和发展。通过楼宇自动化系统的建设，实现建筑物内部的暖通空调、变配电、给排水、照明、消防报警、安全防范、电梯系统、停车场管理等各子系统内部及系统之间最优化的控制管理。本文以某大型场馆为例，通过对其实际的调查，将该系统的楼宇自动化系统构成设计为如图1所示。

2　分布式控制系统设计思路

对楼宇自动化系统来讲，有着自身的鲜明特点，一是监控点分散，从一部扶梯、一台空调、一台送风机、一盖电灯等，几乎遍布于楼宇建筑内的每一个角落；另一个显著的特点是，被控设备的种类繁多，包括有新风换气机组、冷热源机组、送风机、排风机、排水菜、空调机组、电梯和扶梯等大量的机电设备，而且这些机电设备往往自身还带有着控制系统，因此，为了实现系统对站房内所有机电设备进行全面的协调控制，保证其安全可靠的运行和科学高效的管理，为上车旅客、现场工作人员提供一个舒适、健康、温馨的工作环境，需要一种低成本、成熟、高可靠的控制系统。为实现该构想，提出一种基于分布式的架构。分布式控制系统（distributed control system，以下简称DCS），行业内称之为4C技术，分别是Control控制技术、Computer计算机技术、Communication通信技术和CathodeRay Tube CRT显示技术，是目前BAS系统设计中使用最为广泛的一种控制技术。其具体的设计则如图2所示。

图2　分布式架构设计

如图2所示，该分布式系统由现场级、监控级和管理级这三级构成，现场级设备的主要任务是直接负责现场的控制，如控制现场受控设备末端执行器，或者对传感器所测得数据进行采集和处理等。监控级主要是对现场级的受控设备进行监测和控制，主要是由操作员通过人机友好界面对现场级受控设备进行集中监控和管理，由图2可以看出，监控级所能监控到的现场级设备的数量是有限的。从智能楼宇系统集成考虑，管理级是极为重要的一环，它可以监控现场级所有的受控设备，它的主要任务是将管理部门的控制决策引入到监控级的控制策略中，实现各相关系统间的协调与信息共享。

3　系统设计

3.1芯片选择。为实现图2的分布式控制构想，监控模块使用的单片机型号是C8051F20，该芯片是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有64个数字1/0引脚（100脚TQFP封装），主要有如下特性：

（1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（100MIPS）；

（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

（3）真正12位、lOOksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；

（4）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；

（5）2周期的16X16乘法和累加引擎；

（6）128KB可在系统编程的FLASH存储器；

（7）8448（8K+256）字节的片内 RAM；

（8）可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；

（9）硬件实现的SPI、SMBUS/I2C和两个UART串行接口；

（10）5个通用的16位定时器；

（11）具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

（12）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感。

3.2RS485总线通讯与ModBus规约通讯格式。当前，针对工业现场控制通信，通常采用RS485总线通讯方式，同时使用的是Modbus通讯协议。对此，在采用Modbus通讯协议的时候，必须对其规约格式进行说明。

本文将设备默认基地址为0，设备地址为主板上拨码地址，默认通讯速率9600（可以修改），数据长度8位，奇偶校验无，停止位1位。FFH为广播地址。

4　基于组态软件的登录界面开发

根据工业控制的需求，选择组态王软件对系统进行开发。组态王kingview6.55是北京亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向中低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

5　结论

通过对系统整体架构的设计，以C8051F120作为监控开发核心芯片，以RS485作为总线通讯，实现了对系统整体架构从硬件、软件到通信等方面的开发，为楼宇自动化的控制提供了基础。

［1］郑华，吕伟珍.基于组态王和Matlab的双容水箱液位控制［J］.中国农机化，2012，02：155-157.

［2］冯子陵，俞建新.RS485总线通信协议的设计与实现［J］.计算机工程，2012，20：215-218.

［3］胡鹏飞，林志勇，周月宾，江道灼，梁一桥.适用于大规模MMC的分布式控制系统及两级均压策略［J］.电力系统自动化，2014，11：79-84.

李健，男，山东梁山县人，1980年生，工程师，2003年毕业于中国石油大学（华东）土木工程专业，主要从事土木工程研究。

A building automation control system design based on MCU series

Li Jian1，Niu Ruiyan2，Cheng Fei3
（1.China University of Petroleum （East China） planning and Construction Office，266580；2.China University of Petroleum （East China），266580；3.China Construction Eighth Engineering Division.CORP.LTD，200135）

In view of the large shopping malls and other building automation control requirements，combined with the MCU series chip advantage，put forward a kind of control system for building automation of large shopping malls.According to the characteristics of shopping mall complex， put forward a distributed control method，as the communication with RS485 bus and Modbus protocol based on C8051F120 high performance MCU series as the core technology of monitoring part， finally to develop the system monitoring interface using configuration software to achieve the control and monitoring system for different building drainage，shopping malls fire and air conditioning，has a very good reference for improving the automation management level of large shopping malls.

MCU chip；Modbus protocol；configuration software；building control； monitoring

TU855

A