智能建筑电气监控系统扩展层的研究与设计.docVIP

摘要 系统分为现场层和扩展层。现场层最小单元为节点，节点可监控连接于其上的电力开关、传感器和继电器等多种电气设备，并通过L-N总线收发现场层报文。每条L-N总线构成一个群，由一个群适配器管理。多个群适配器挂接在CAN总线上，与一个集成网关构成扩展层。扩展层协议既承载现场层报文的传输任务，实现子系统间的交互控制和信息反馈，又具有分段传输、消息广播、CAN总线错误管理、群适配器信息监控和配置等扩展层独立功能。针对一般分段传输方式内存消耗大的问题，设计一种具备动态优先级的报文分段传输方法，该方法实现了报文分片的快速重组，降低了内存资源的开销。群适配器以STC12C5A60S2芯片作为微控制器，其解析收到的扩展层报文，若需要转发则转换成现场层报文下发至节点；若为扩展层独立功能管理命令则执行该命令。集成网关以STM32F407ZGT6芯片作为微控制器，通过扩展层报文与群适配器通信，通过基于TCP/IP协议的服务器与用户传递文本报文或通过USB总线与用户传递USB报文。集成网关还遵循扩展层协议实时监控各通信接口的工作状态和群适配器的在线信息，并通过LCD显示。针对多网融合与通信协议交互的问题，提出一种多协议转换任务管理方法，实现了多种协议间的互操作。群适配器和集成网关通信接口专项测试的结果表明，各通信接口工作稳定、传输可靠。协议一致性测试的结果表明，群适配器和集成网关中运行的扩展层协议栈具有高度一致性，扩展层协议功能完整。系统应用测试的结果表明，扩展层能够承载现场层报文的传输，子系统互操作性高，多协议交互能力强。 关键词：智能建筑；电气监控；现场总线；协议；网关 1 课题背景与研究意义 随着电气技术的发展，建筑的自动化控制水平逐渐提高，因此对建筑电气设备的监控和通信网提出了更高的要求[1]。随着电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，建筑电气设备的通信成本下降，电气自动控制功能日益丰富，覆盖范围逐渐扩大，从而催生了智能建筑（IntelligentBuilding，IB）这一领域[2]。智能建筑是为了满足人们工作和生活的需要，对建筑的电气系统和其他服务系统进行合理设计，使其能够感知人们的行为，实时了解人们当下的需求，并根据这些反馈实现对环境的自适应[3][4]。作为众多科学技术的综合体，智能建筑可以在无人值守的环境下实现大多数传统物业行业的工作，节约大量的劳动力，提高人们的工作效率，从而创造巨大价值。在全球范围内，诸如日本“青山大楼”、中国上海“金茂大厦”等一批具有代表性的智能建筑相继被建造。智能建筑便捷、环保的特性获得了人们的一致好评，具有广阔的发展前景[5]。经过三十多年的发展，人们对智能建筑的认识从单系统的集成逐渐转向综合平台的建设，智能建筑领域逐渐向广度和深度发展[6]。在智能建筑领域，最核心的技术就是智能建筑电气监控系统，随着最初智能家居和独栋大楼智能化等小规模应用逐渐发展为智能小区和“物联网（InternetofThings，IoT）”技术与智能建筑相结合。智能建筑电气监控系统需要解决大量电气设备互联互通的问题，因此信息量巨大的智能建筑电气监控系统的应用越发依赖高效的网络通信[7]。子系统众多，覆盖面广的建筑电气监控网络使智能建筑系统得以更好地感知和控制环境，从而变得更加智能和可靠，同时也对智能建筑电气监控系统的通信网络提出了更高的要求。因此，对智能建筑电气监控系统网络物理结构与通信协议的合理设计是智能建筑电气系统应用设计的基础[8]。目前LonWorks、KNX、BACnet等技术较为成熟且拥有较高的市场占有率，且多采用总线技术和多层结构组建智能建筑电气监控网络。目前，实验室基于自有技术开发了本地监控网络（LocalMonitorNetwork，L-N）总线，该总线的物理层、数据链路层和应用层的通信协议均已经制定完成[10]。为促进L-N总线在智能建筑群中的大规模应用，满足用户对智能建筑系统中大量节点的集中监控，需要将众多L-N总线组成的子系统集成为一个完整系统，实现任意节点之间的相互控制和客户端对智能电气监控系统的集中监控和远程监控。智能建筑电气监控系统的技术自主化将有利于国家的新型城镇化建设，提高基础建设的速度和质量，符合国家经济转型、节能减排的需要。 2 智能建筑电气监控系统设计层次 智能建筑中众多节点的管理需要完整的系统结构，系统结构定义了节点管理系统的组织形式和逻辑关系，在系统设计中具有基础性作用。本章设计智能建筑电气监控系统结构，并深入研究自主开发的L-N总线技术，分析L-N总线节点的电路构成和通信协议设计，最终完成了系统扩展层的总体设计方案。 2.1 系统结构设计 智能建筑电气监控系统应满足智能建筑中众多电气设备连接入网的需求，具有较大的系统容量。在满足用户多样化应用需求的同时应当具有便于施工维护人员和用户