智能建筑电气监控系统扩展层的研究与设计.docx

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、传感涔和维电器等多种电气设备，并通过1.-N总线收发现场层报文。每条1.-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，实现了系统间的交互控制和信息反僚，又具有分段传输、消息广播、CAN总线错误管理、群适配涔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STCI2C5A60S2芯片作为微控制潞，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蹲的在线信息，并通过1.CD显示.针对多网唯合与通信协议交互的同腿，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，扩展层能锵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施着电气技术的发展，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。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I益丰富，覆盖范围逐渐扩大，从而催生了智能建筑(Inte1.1.igentBUikiing,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J'解人们当下的需求，并根据这些反馈实现对环境的自适应814。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，作效率，从而创造巨大价值。在全球范围内，诸如日本“育山大楼”中国上海“金茂大序”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。经过三卜多年的发展，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株大楼智能化等小规模应用逐渐发展为智能小区和“物联网(IntCmetofrhingSJoTr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整，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S1.目前1.onWOrks、KNX,BACnet等技术较为成熟且拥有较高的巾场占有率,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(1.OCa1.MonitOrNetWOrk1.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。为促进1.-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1.-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。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1.-N总线技术，分析1.-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。1.1 系统结构设计智能建筑电气监控系统应洞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仃便于施工维护人员和用户快速理解的物理结构、逻辑结构和管理方法。因此本系统应具备节点容量大、功能多样灵活、便于布线和维护的特点。系统运行时，用户可寻址任意节点挂接的电气设备，对设备的工作状态进行精确的监控。群与群之间能够双向通信，完成任意节点之间的信息传递和控制。集成M关实现扩展层网络协议与远程客户端通信协议之间的协议转换，同时具有网络诊断功能，实时显示各网络接口的连接状态和诊断信息，为维护人员的现场维修提供帮助。1.2 1.-N总线节点的硬件设计1.-N总线节点从市电取电，并且均以市电零线作为参考地线，可控制外接的电气设备并实时监视电气设备工作状态，其硬件结构如图2.3所示.节点最多可接8路继电器设备（控制压缩机、交流电机等）、8路电力开关、接2路硅控口输出（控制电灯调光、电机调速等）、8路感应量传感器（霍尔传感器、碰撞传感器等）和2路IIC接口的模拟量传感器（测距传感器、气压传感器等），即I个节点可以管理最多28个电气监控设备。除了管理电气设备，主模块还负贡参与总线通信的任务“主模块将市电进行电压变换，遵循1.-N总线的电气标准得到+30V和-30V的电压用以与总线上的其他节点通信，同时通过降压得到YV电压以向MCU控制系统提供电源。主模块采用STC89C58RD+作为主控器，其异步收发传输器（Univcrsa1.AsynchronousRcccivcrZTransmittcnUART）用于总线通信，共他I/O口用于各种电气监控设备的信息传输。1.N总线节点采川模块化、通用化设it.川户根据自身需求自定义主模块连接的外设种类和数量，围合节点重配置功能，可定制具仃不同功能的建筑电气监控子系统.，1.3 1.N总线网络协议的设计网络协议（NCtWOrkPrO1.oCOI）,简称协议（Pro1.oCOI）,是为通信双方或多方能完成通信任务所指定的一组约定或规则30。在同一种网络通信过程中，参与通信的设备必须严格遵守同一网络协议才能保证通信过程的完整，从而收发正确的信息。智能建筑电气监控系统作为一种或多种网络结合的成果，为了保证不同设备在不同场景下的信息交互有序、准确地进行，系统中的网络协议和转换规则必须得以合理地制定。为了实现计算机广泛的互联，国际标准化组织（ISO）制定了开放系统互联（OPenSyS1.em1.n1.CrCOnneC1.ion,OS1.）模型31。OS1.模型按照工作内容的不同把通信网络分为7层。实际网络协议的制定一般不会完全参照OS1.七层模型，而是以网络协议特定的应用场景和功能为出发点，仅实现若干层定义的功能。如BACnet协议只定义了OS1.模型中的，1层，其功能足以实现BACnet应用场景的需求。1.-N总线网络协议的设计同样参考了OS1.模型，但并未引用OSI模型的全部工作层次。2. 4系统扩展层总体设计扩展层传输媒介方面，为了保证系统高可靠运行和报文的传输效率，扩展层选用CAN总线作为物理层和数据链路层传输协议，并采用双绞线布纵CAN总线是由博世（BOSCH）公司开发，最初应用于汽车电气设备的现场总线。由于CAN总线速度快、传输距离长、传输可靠且成本低廉，很快被推广到工业自动化、船舶、医疗设备等领域，并成为ISO1.I898标准。CAN总线速率灵活可变，通过精确的位计第，工作速率可在5Kbps至IMbps之间32。CAN总线采用多主通信方式，通过非破坏性总线竞争获取总线控制权，因此实时性很高，适用于本系统的信息传输,功能设计方面，1.-N总线的网络协议已经全部完成，只需移植到微控制器平台即可。CAN总线协议的控制芯片已经成熟应用，接口丰富，可在微控制器上应用。CAN总线协议仅实现了物理层和数据徒路层的协议，还需要针对智能建筑电气监控系统扩展层应用的特点开发应川层协议。集成网关可使川基于ARM架构且集成CAN总线接口、以太网接口和USB接口的微控制器，在该平台上实现各接口传输协议的软件开发，以及软件架构和多协议转换任务管理系统的设计。2.1 扩展层群适配器硬件设计群适配器的硬件电路包括MCU模块、1.-N总线接1.1.模块、CAN总线驱动模块、RC电源模块和De-DC电源模块，MCU采用STC公司的STCI2C5A6OS2微控制涔，其指令集兼容8051微控制器，指令周期与时钟周期相同，因此指令执行速度较快33。工作电压为3.55.5V,支持外部时钟源，工作频率最大可达到35MHz。STC12C5A6OS2微控制器片上集成有1280字节SRAM,包含1024字节的内部扩展SRAM,4个16位定时器、2个UART串口、1024字节EEPROM、看门狗，7个I/O管脚具有外部下降沿触发或低电平触发中断功能。微控制器还可利用I)管脚扩展外部RAM,且片上内部扩展SRAM不影响POn、P2口、P3.6、P3.7和A1.E的扩屣功能。1.-N总线网络物理层协议规定，1.-N总线系统以零线为参考电平，故RC电源模块以零线为参考地。电路利用双向可控硅TRIAC1.控制电阻R9、R10、安规电容C4、串联开关二极管D6和电解电容C3和C7组成的充电电路，利用交流电的正半周期和负半周期分别向电解电容C3和C7充电，通过肖特基二极管D9和D1.O将C3阳极和C7阴极的稳压值设为+30V和-30V,DC-DC电源模块以RC电源模块输出的玫)V直流电源作为输入Vi.经电压变换后输出电压VO为5V.应能够提供最大输出电流Iomax为200mA。由于Vi与VO压差较大，若采用线性稔压电源会导致系统功耗较大，故采用效率更高的开关电源芯片MC34063进行设计。3. 2扩展层集成网关硬件设计系统集成网关主要实现智能建筑电气监控系统局域网与远程客户端信息交互。集成网关可通过Internet直接与远程客户端通信，实现传统网关与服务器的集成：或通过通用W行总统(UniVerSa1.Seria1.BUS,USB)与用户已仃的服务器通信，从而我容现有的“网关+服务器”监控模式。集成网关还应具有扩展层接口和远程客户端接口的诊断功能,方便现场维护工程师的网络维护工作。因此系统集成网关的功能模块主要分为电源模块、主控模块、显示模块、CAN总线驱动模块、USB接口模块和以太网接口模块共6部分。TM32F4O7ZGT6拥有众多外设资源，包括容量为192KB的SRAM,容量为IMB的闪存(F1.ASHMemory),还具有高达32位数据总线的灵活静态存储控制器(F1.cxib1.estaticMcinorjContn)I1.enFSMC),可管理最多IGB空间，利用片选信号控制多片SRAM、伪静态随机存他器(PSCudOS1.atiemndOmaCeCSSmcnK)ry.PSRAM)、NOR1NANDF1.ash等多种存储器或者1.CD接口。片上还集成有H个定时罂、3个I1.C接口、3个SPi接口、4个UART接口、2个CAN2.0B协议控制器和1个实时时钟(RCa1.TimeCIockRTC),以及具有专用DMA利全速PHY的USB2O全速主/从机接口和具有DMA的10/100MbPS以太网介质访问控制器(MCdiaACCeSSCoInro1.,MAC)361,显示模块采用4.3英寸、分辨率为800X480的TFT1.CD.其控制芯片NT355IO采用双向16位宽的InId8080总线接口时序与微控制器通信，因此将其与微控制器上FSMC接口的低16位数据线连接。在微控制器上，将TFT1.CD控制芯片映射为BankI存储块的第4区，故片选信号接FSMC接口的NE4信号线。智能建筑电气监控系统扩展层包括群适配器和集成网关。群适配器实现1.-N总线协议和扩展层协议间的转换，集成网关遵循扩展层协议对系统进行监控，并通过USB总线与X86服务潞通信、通过TCP"P服务器软件与远程客户端通信，同时通过ICD显示各通信模块的工作状态。3.1 扩展层协议设计扩展层主要实现群适配器的管理，扩展层协议栈具有报文分段传输、消息广播、CAN总线错误管理、群适配器状态管理与信息配置等功能。为保证系统的实时性，不同功能对响应时间的敏感程度不同，因此扩展层协议传输报文的优先级应根据执行功能的不同而动态调整。由于系统现场层由1.-N总线构成，故将1.-N总线协议称为现场层协议，1.-N总线报文定义为现场层报文,扩展层协议定义的报文为扩展层报文.生成网关与远程客户端通过客户端文本协议通信，远程客户端解析和发送的报文为文本报文。集成网关也可与X86服务器通过USB总线通信，USB总线传输的报文为USB报文。CAN总线协议未涉及到数据链路层之上的层次，仅能实现CAN总线帧的传输，但并未规定其中所含的信息。因此CAN总线技术无法直接应用于智能建筑电气监控系统。目前在工业控制领域出现了诸如CANOPCn和DCVieCNCt等CAN总线应用层协议3孔此类协议均是直接面向接入现场层设备的CAN总线节点，协议主要完成电气设备分类控制功能。本文的智能建筑电气监控系统中，电气设备分类控制功能由现场层报文实现。扩展层协议实现扩展层设备的信息管理和现场层报文传输，因此扩展层报文应提供提供灵活高效的数据位分配，以适应扩展层的各种功能。4. 2扩展层群适配器软件设计系统上电后对现场层协议和扩展层协议所需的资源进行初始化,并为接收缓冲瑞和发送缓冲器分配内存。现场层报文和扩展层报文均通过中断通知接收，接收后压入接收缓冲器。缓冲器由循环任务读取，其监视缓冲器的状态，在缓冲器不为空时取出报文并根据其内容执行相应任务.现场层协议执行现场层协议的物理层和数据链路层协议，包括总线竞争仲裁协议和帧解析，可由节点软件的该部分模块移植得到。扩展层协议分为CAN协议控制器驱动模块和功能执行模块。CAN协议控制器驱动模块舞动SJ1000芯片，执行CAN总线数据徒路层协议的控制。功能执行模块执行扩展层协议定义的功能。SJA1.ooO通过设计的外部夏位电路完成硬件包位，之后等待MCU通知其进入笈位模式以配置其寄存器。MCU确认SJA1.OOO进入软件曳位模式后配宜其与SJA1.oOo的并口通信方式。MCU利用P2.7管脚作为片选信号。SJAI(Xx)输出中断的信号为低电平.故将MCU的外部中断O(ITO)设置为低电平触发。1.-N总线利用MCU的异步串口中断和定时器O(To)中断完成总线的仲裁，是现场层协议的关键部分，应处于高中断优先级：ITO用于SJA100O与MCU的通信，交换收发报文均采用写入缓冲器的方式，不影响CAN总线报文传输仲裁过程。故ITo处于低中断优先级。4. 3扩展层集成网关软件设计集成网关通过执行扩屣层协议与群适配耦通信，同时作为服务器通过客户端文本协议与远程客户端通信，或作为网关通过USB协议与X86服务器通信。集成网关的1.CD用于显示USB通信、以太网通信和CAN总线通信的状态和群适配罂的异常信息。USB通信模块、服务器通信模块和CAN通信模块分别负责处理USB通信协议、TCP/IP协议和CAN通信协议，收发的报文分别是USB报文、文木报文和扩展层报文。各通信模块接收的报支会传入协议转换模块并申请启动各种协议转换任务。协议转换任务共有4种：文本-扩展层协议转换任务、USB-扩展层协议转换任务、如展层-文本协议转换任务和扩展层-USB协议转换任务.以上4个任务优先级递减，并由协议转换管理模块负货任务的调度。集成网关的CAN通信模块使川MCU的PB8和PB9管脚作为收发传输管脚，CAN总线位定时和验收滤波器的配置与群适配器相同。报文发送缓冲器和接收缓冲器采用循环队列设计，作为各通信模块收发FIFo的补充。5智能建筑电气监控系统扩展层测试与分析基于智能建筑电气监控系统的结构设计、扩展层的硬件和软件设计，对系统进行测试。对扩展层设备的各通信接口进行球顶测试，分析通信接口的可靠性。构建系统测试环境案并测试扩展层协议的一致性，基于系统测试环境配置系统应用场景并测试多子系统和多协议间的互操作性.5.1扩展层设备测试对扩展层群适配器和集成网关的各通信接口分别进行测试，以分析各通信接口传输不同报文时的稳定性。5.1.1 群适配器1.-N总线接口测试对3个群适配器构成的1.-N总线系统进行测试，群适配器的1.-N总线ID分别为5、6和7。为模拟1.N报文的收发，设计数据域长度为2字节至10字节、数据域内容为随机数的报文。上位机下发报文至1.-N总线测试专用设备，设备通过1.-N总线接口发送至群适配潞，群适配器将收到的报文打包并通过1.-N总线接1.1.发回。时返回报文计数，并与原报文比对从而计算正确率，每种报文以100mS周期发送100次。测试结果表明,报文返回数量符合预期，返回报文内容准确性为100%,群适配器1.-N总线接口性能可靠。5.1.2 群适配器与集成网关CAN总线接口联合测试群适配器与集成网关CAN总线接口联合测试环境，群适配器的群ID分别为100、IO1.和102.上位机产生数据场长度为2至8字节的报文,并填充随机数，通过RS232总线将报文下发至集成网关，发送周期为50ms,集成网关通过CAN总线接口广播绐群适配器，群适配那收到报文后原样发回。上位机接收返回的报文并检测与原报文是否相同。5. 1.3集成网关USB接口测试生成网关的USB接口承载系统中儿乎所仃的报文传输，故上位机测试软件BUSHsmd以1Oms周期发送Ki机数报文与其通信，集成网关收到报文后立刻将报文发回上位机。USB接口测试结果如图图1所示，图中OUT端点为上位机发送报文，IN端点为集成网关返回报文，括号内为报文数量。测试结果表明，上位机发出的报文全部得到返回，没有出现报文丢失的现象,返I可报文的准确率达到100kIa111HH1.a1HHH1/.77777Z7Z777777777/7777777777777777711IuIHouIH阳ffio1.1.IHINrJiIJhaSe5s(reIiW4()1I.(X200)4()2.1.9(200)801.1.0(200)8()2.1.0(200)12()I.I.(X2(X)12O2.1.(X2OO)6()1(200)2402.1,0(200)图1USB接口测试结果USB接口测试结束后断开集成网关与上位机的USB连接，图5.3显示了USB从连接到断开过程在集成网关1.CD上的显示，从图中可知,集成网关能就实时监测并通过1.CD显示USB接口的连接状态.USB断开图2USB接口连接状态显示5. 1.4集成网关服务器软件测试集成网关服务等局域网中进行测试,其IP地址为192.】68.1.111,集成网关服务器实现系统中客户端文本报文的传输，并负责多个客户端的管理。令8个NC1.ASSiSt测试客户端同时连接集成网关，其中一个客户端以100mS周期性发送长度为40字节的报文，桀成网关将接收的信息群发至所有客户端，测试结果如图5.4所示。测试结果显示客户端共发送76054条报文,报文接收成功率100%,集成网关服务器软件未出现丢包和其他错误现象，运行稳定可靠。5. 2系统测试环境构建按照第2章设计的智能建筑电气监控系统结构构建/测试系统。测试系统由3个群组成，群1和群3各管理4个节点，群2管理3个节点，节点接有数量不等的继电器模块和电力开关模块.3个群适配器通过双纹线连接至集成网关，集成网关通过USB总线连接至PC机或作为服务冷与远程客户端通信。5. 3系统测试系统测试分为扩展层协议一致性测试和系统应用与互操作性测试。扩展层协议一致性测试是测试扩展层协议各功能的执行是否遵循扩展层协议.系统应用与互操作性测试中将按照典型的应用场景设计系统功能，测试各群之间和各协议之间的互操作性。5. 3.1扩展层协议一致性测试通过扩展层协议一致性测试以险证集成网关和群适配器对扩展层协议规定的报文格式和功能的兼容性。第一、扩展层对现场层报文的透传功能测试扩展层协议的基本功能是为现场层报文提供透明传输通道，可承载现场层的指令报文、查询报文、配置报文即其相对应的反饰报文等全部类哒的报文，同时为过长的现场层报文提供报文分段传输服务。每项测试均执行100次。由测试结果可知测试项目全部执行成功，返回报文内容准确，故扩展层对现场层报文的透明传输功能的可行性得以验证且传输稔定可靠。第二、扩展层消息广播功能测试扩展层消息广播功能可用于实现现场层和扩展层部分功能，如全部群适配器的群ID查询、多节点信息查询和多节点控制等。每条广播报文均发送100次，反馈报文符合预期数量即为成功。由测试结果可知，所有的广播报文均成功发送并获得群适配器或节点的响应，由此验证扩展层消息广播功能可行且运行稳定。第三、群适配潺信息配置功能测试用户可发送扩展层功能报文实现群适配涔群ID的配设并实时生效。可知群适配罂的群ID均被成功配置。第四、其他功能测试通过对CAN总线附加干扰和改变布线方式测试CAN总线错误管理功能，群适配器均成功发送错误管理报文，且扩展层报文数据域内容与CAN协议控制器寄存器中记录的CAN总线错误值一钗。集成网关周期性检查所有群适配器的牛.命状态，多次未响应和发送反馈报文的群适配器将被判定为离线状态，集成网关将通过1.CD显示离线群适配器的群ID信息。当再次收到离线群适配瑞的反馈报文时，集成M关将解除其离线状态。当3个群正常运行时，切断群1和群2的电源，集成网关通过检测得知其处于离线状态，则1.CD显示丢失群的群1D.测试结果均为成功。5. 3.2系统应用和互操作性测试智能建筑电气监控系统扩展层建设立足于用户的实际使用需求，目的是构成完整的智能建筑电气监控系统，使现场层的任意节点之间可以相互通信，因此扩展层协议和现场层协议应具有高度的互操作性。故本文按照用户的使用需求，基于系统测试环境配置实际的系统应用场景，通过可视的实验现象和报文分析以脸证子系统互操作性和多协议互操作性。远程客户端控制群1节点13第1路硅控门开启，防后节点13和其他节点按照预先的节点功能重配置方案调取目标以相互通信，形成闭环链式控制。结束语设计了智能建筑电气监控系统扩展层协议，实现了多子系统的集成和系统的集中监控，提升了了系统间的互操作性。系统中各1.-N总线构成的子系统构成现场层，通过扩展层群适配器耦合,不同子系统下的节点能够相互通信和相互控制.基于CAN总线帧结构定义J'扩展层协议报文的格式,根据实际需求设计了报文分段传输、消息广播、CAN总线错误管理、群适配器信息配置与查询和群适配器生命维护等扩展层功能及各功能的优先级配置。针对报文分段传输消耗过多系统内存资源的问题,设计一种具备动态优先级的报文分段传输方法。该方法减小广报文接收端用于笆存报文不完整分片的内存,提高门“存利用率，实现分段报文的快速揖组。（2）完成群适配器的设计，设计了现场层协议和扩展层协议的相互转换软件流程,实现了群适配器之间基于扩展层协议的通信.基于STCI2C5A60S2微控制器设计了群适配器的硬件电路,包括电源电路、1.-N总线接口电路和CAN总线驱动电路.实现了扩展层协议栈的软件编程与现场层协议核的移植“（3）完成了集成网关的设计，针时异构网络协议交互的问题，提出一种多协议转换任务管理方法，实现了多种通信协议间的互操作。基于STM32F407ZGT6微控制器设计了集成网关的硬件电路，包括电源与USB接口电路、CAN总线架动电路和以太网接口电路，并实现了USB通信、TCP服务器和扩展层协议栈的软件设计，实现了集成网关对USB接口状态、TCP客户端状态和群适配器工作状态的监控和显示。