群智能化建筑楼宇微网协调控制系统设计

袁江辉

（北京中盛国华工程技术有限公司，北京 100070）

随着微电子技术、信息网络技术的发展，群智能化建筑技术手段不断得到提升，建筑楼宇微网的控制需求推动着建筑楼宇向智能化方向发展[1]，智能化建筑楼宇的建筑目的是建设出智能、安全、舒适的楼宇环境，满足对楼宇微网的控制需求[2]。

他认为，农资流通企业数量的增多促使农资经营网点遍布全国各个乡镇、村落，方便农民采购农资产品，保障农时所需，有积极的意义。不过，当前农资流通企业“小散弱”的基本现状也为行业发展带来了一些问题。

为了满足楼宇微网运行阶段对控制设备的自动管理，我国在建设智能化建筑楼宇时，通常会设计楼宇微网协调控制系统，但在实际生活中，建筑楼宇微网的运行控制情况并没有达到理想状态，据调研结果显示，大部分传统的建筑楼宇微网协调控制系统没有真正实现自动化控制，传统的微网协调控制系统虽然实现了状态监测，但系统的优化协调依旧没有实现，主要问题包括协调控制子系统互不兼容，系统的优化协调只能在基站进行；控制系统集成困难，处理数据能力差；有数据却不能有效进行存储，需要现场组网配置，容易造成数据丢失；不能充分地满足建筑楼宇的协调控制需求，不能灵活进行更新和扩展等[3]。

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基于以上传统控制系统出现的问题，该文设计了群智能化建筑楼宇微网协调控制系统，该系统通过设计系统硬件，使协调控制子系统互相兼容，完成系统的集成工作，并通过系统中相关的器件，对微网数据进行处理和存储，最终达到协调控制要求，最后通过实验验证该文设计的控制系统的有效性。

尽管津巴布韦农业部无法立即提供一个市场更新要求，但根据之前数据表明，津巴布韦国内大约有40家农业化学企业，其中一些企业参与了近450种不同农产品的配方和销售。

1 系统硬件设计

第四步：接收各项设备的采集信息，通过传输信道传输至协调控制系统，等待控制系统发送控制命令，如果为控制命令，则通过系统的硬件设备分析处理各项采集信息；如果不是控制命令，则重新等待群智能化设备发送采集命令。

图1 控制系统硬件结构

1.1 电源电路设计

控制系统的电源电路输入电压为16 V，输出电流最高为4 A，单路输出电压为24 V，额定功率为80 W，该电源电路主要由开关电路、控制电路、电压反馈电路以及滤波电路构成。电源电路图如图2 所示。

图2 电源电路图

开关电路中最高电流能达到2 A，2 A 的电流可以驱动开关，电路中由于存在源边电感，因此会产生尖峰电流，从而缩短了开关的充放电时间，在一定程度上会提升电源电路中电压的稳定性，并提升电路效率。控制电路中开关的频率由电路中的电阻决定，当控制电路中电阻为4 kΩ时，开关频率为150 kHz，控制电路的额定功率为60 W，由于功率较大，因此工作模式分为两种：连续模式和断续模式，这样可以减小电路中的负电压[4]。通过电压反馈电路可以实现输出电压量的实时采集，通过引脚将输出电压的信息传输到内部基准源中，产生的误差电压可以增大脉冲宽度[5]。开关电路、控制电路、电压反馈电路共同工作，对整个硬件系统进行供电和控制。

1.2 单片机设计

控制系统的单片机选择STC 公司的89C516，这是控制系统的核心器件，该款单片机是一种在线可编程器件，可以实现串口编程，其CPU 具有48 个I/O端口，20 个引脚，抗干扰性能和节能性能均优于其他型号的单片机[6]，其内部集成了高速采集器，可实时采集建筑楼宇微网数据，对内部集成的采集器和复位电路进行了稳定性处理，单片机的性能指标满足该文系统对电源电路、处理器以及控制器的控制要求[7]。单片机结构如图3 所示。

利用单片机的部分I/O 端口实现与采集器的连接，当采集器采集完建筑楼宇微网数据时，可利用I/O端口进行传输，实现单片机向控制系统发送建筑楼宇微网数据和控制指令，单片机外围电路的电压为3.3 V，单片机芯片需要1.8 V的工作电压，为了使单片机芯片可以稳定工作，通过集成降压芯片使3.3 V 电压降到1.8 V，单片机的设计实现了对建筑楼宇微网数据的采集、传输和控制。

图3 单片机结构

12月20日，@央视新闻的微博转发了一则“国家语言资源监测与研究中心”发布的“2018年度十大网络用语”，还以此编辑了一段逻辑顺畅、正能量爆棚的热词串烧：

1.3 微处理器设计

该文系统的微处理器是由三星公司生产的，具有8 位定点数字，数据处理速度快且性能较好，该款微处理器的指令系统具有108 条指令，可支持浮点运算和自适应滤波，工作频率为68 MHz，指令周期为150 ns，内部的数据存储空间为256 kB。当单片机采集、传输完建筑楼宇微网数据后，微处理器采用数据总结结构对数据进行结构处理，处理完成后，存储在内置的存储器中[8]。存储器的存储空间为16 MB，字节写周期为25 μs，存储完建筑楼宇微网数据的时间为10 s，很好地对数据进行保护，确保了建筑楼宇数据的完整性，降低了数据的丢失概率。存储器的芯片是一个静态存储芯片，容量为64 kB，能够协助存储器完成数据的存储。微处理器结构如图4 所示。

图4 微处理器结构

微处理器处理建筑楼宇微网数据，再由存储器进行存储，这一过程中需要10 V 的工作电压，除了电源电路向其提供8 V 的电压外，剩下的2 V 电压由微处理器的外围电路提供，微处理器的外围电路电压范围为1.8～3.3 V，电流控制在1.2～1.6 A 内，可支持微处理器处理部分数据[9]。

1.4 控制器设计

第一步：系统初始化，确定建筑楼宇微网控制功能。中央处理单元需要实现对微网数据的优化控制，在优化控制前，需要确定建筑楼宇微网的控制功能，主要包括采集楼宇微网数据参数，处理结构化数据，存储处理完的建筑楼宇微网数据参数以及结构化数据[13]，控制机电设备、微网末端设备、群智能化设备、通信设备等，采用控制逻辑和运行策略安装系统节点[14]，随着建筑需求的不断变化，增加建筑空间，调整建筑楼宇内机电设备的运行参数[15]。由于机电设备内的微网数据参数需要植入群智能化控制系统，因此群智能化控制系统可以通过通信接口对末端设备进行灵活调整，将末端设备嵌入到各种源设备中，根据存储的微网结构化数据调节末端设备，以此实现全局优化控制。末端设备与群智能化控制设备集成在一起，实现末端设备运行过程的微网数据监测、稳定控制与优化协调功能[16]。

图5 控制器结构

第五步：分析处理完成各项采集信息后，判断采集信息中的微网数据值是否满足微网协调控制要求，如果满足，则进入协调控制优化过程；如果不满足，则断开通信设备，停止传输采集信息，结束程序。

2 控制系统软件设计

第二步：确定各项参数后，由群智能化建筑设备发送采集命令。微网数据参数、结构化数据帮助协调末端设备后，对末端设备的数据进行监测，完成优化协调功能后，群智能化建筑设备整理各项数据参数以及设备的运行状态，然后发送采集命令。

图6 楼宇微网协调控制系统软件流程

控制系统的控制器是该文建筑楼宇微网协调控制系统的核心器件，它可实现对建筑楼宇微网数据的控制，该款控制器以PLC 为主控制器，通过TCP/IP协议读取建筑楼宇微网数据与电路中电压和电流数据[10]。控制器的基本结构包括电源、中央处理单元、内置存储器、输入输出接口电路等，控制器的电源负责对控制器及其他外设进行供电，控制器电源的交流电压最高可达到4.8 V，最低不低于3.2 V，电压波动在15%以内，该电源系统比较可靠，可直接与其相连[11]。控制器结构如图5 所示。

开发绿色能源，实现绿色建设，是现阶段国家发展的重要战略目标。光伏发电，是一种可再生的绿色清洁能源，能有效缓解我国在经济建设中的能源匮乏问题［1］。简单来说，光伏发电就是将太阳能转化成电力，方便人们的生产生活。光伏发电与煤炭发电不同，光伏发电不会产生垃圾、有毒物，不会出现资源浪费，且是取之不尽，用之不竭的。而电气自动化能够有效提高太阳能利用效率，通过对电气自动化在太阳能光伏发电中的应用研究，解决我国在资源配置方面遇到的各种问题。

具有工程量小、施工方便、节约劳动力的特点，在电力条件不能满足的情况下，该方法具有明显优势。但该方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

该文设计的群智能化建筑楼宇微网协调控制系统的软件流程如图6 所示。

第三步：微网末端设备、机电设备以及通信设备接收并执行采集命令。群智能化设备发送采集命令后，各项设备根据信息内容接收属于自己的采集命令，微网末端设备开始采集微网协调信息数据，机电设备采集电压、电流参数，通信设备采集传输信道信息。

该文设计的群智能化建筑楼宇微网协调控制系统硬件结构如图1 所示。

中央处理单元为控制器的控制中枢，可以接收来自处理器中的数据，并诊断控制器当前的运行状态，执行控制器下发的控制指令，输出并控制存储的建筑楼宇微网数据，内置的存储器主要负责将控制数据进行临时保存，输入输出接口电路为数据的传输提供便利，可减小数据传输过程中受到的干扰，各个单元协同工作，实现控制器对建筑楼宇微网数据的控制[12]。

第六步：开始进行微网协调控制优化操作，断开末端设备，同时打开机电设备、群智能化设备，执行信息中的控制命令，根据控制命令对系统进行配置、调试，实现对建筑楼宇微网的有效控制。

3 实验研究

通过与传统控制系统进行实验对比，验证该文设计的群智能化建筑楼宇微网协调控制系统的有效性。实验以制冷量为指标衡量协调控制的实验结果，如图7 所示。

图7 协调控制实验结果

传统控制系统对建筑楼宇微网没有实现自动化控制，协调控制子系统互不兼容，只能在基站进行优化协调工作，且传统控制系统处理数据的能力差，不能进行实时存储，易造成数据的丢失，并且传统控制系统需要将各种机电设备接入控制器中，在建设完成后，再对微网设备单机进行调试，而该文设计的控制系统采用了群智能化设备、末端设备、机电设备与通信设备，执行控制系统发送的控制命令，并且提供了更为有效、可行的辅助方法。辅助方法包括提供建筑楼宇微网协调阶段的自检功能，以及机电设备与末端设备运行时，对系统运行的微网数据的智能化分析，这两种辅助方法可以有效减少建筑现场的协调工作量，缩短对控制系统的调试周期，提升建筑效率。

从各站各月的平均风速情况看(图5),各个站点都存在同样的季节变化。平均风速最大的站点为国家气象站(58449),其各月的平均风速基本都高于其它3个站点。

除此之外，传统控制系统需把系统中的控制器、通信设备按照SPI 总线方式全楼连接组网，这增加了组网的难度，也降低了控制系统调试的速度，而该文控制系统只需要将基站节点连接，也就是全楼的调试设备与附近的节点连接，可以大大减少系统组网的工作量，使控制子系统相互兼容，输送控制命令，并经系统硬件实现微网数据的采集、处理和存储，有效提升了控制系统处理微网数据的能力，降低了微网数据丢失的概率。

该文设计的控制系统对建筑楼宇微网的控制结果与理论上的最优结果基本一致。

4 结束语

该文设计的群智能化建筑楼宇微网协调控制系统优于传统控制系统，有效解决了传统系统出现的处理数据能力差、微网数据易丢失等问题，系统具有很好的稳定性和有效性。