基于Pyxos技術的樓宇傳感器網絡節(jié)點設計

徐月華,劉桂雄

（1.廣東機電職業(yè)技術學院科技處，廣東 廣州 510515；2.華南理工大學機電工程研究所，廣東 廣州 510640）

基于Pyxos技術的樓宇傳感器網絡節(jié)點設計

徐月華1,劉桂雄2

（1.廣東機電職業(yè)技術學院科技處，廣東 廣州 510515；2.華南理工大學機電工程研究所，廣東 廣州 510640）

針對樓宇系統中傳感器的分散分布給施工帶來困難和其非網絡化對樓宇監(jiān)控系統的信息化特性及推廣的阻礙，該文引入Pyxos技術，將傳感器中的敏感元件、轉換電路和變送器進行集成網絡化硬件、軟件設計，構建具有Pyxos檢測層、LonWorks控制層和Internet數據層的教室綜合用電監(jiān)控系統。測試結果表明：傳感器網絡節(jié)點可以與控制網絡上的其他設備進行通信，具有獨立網絡節(jié)點的組態(tài)性和可操作性；嵌入式Pyxos控制網和LonWorks控制網絡以及Internet能無縫集成，實現控制系統底層與上層數據的融合與表示，改變傳統測控系統的格局，而且開發(fā)時間短、性能穩(wěn)定可靠、施工方便。

Pyxos技術；傳感器；LonWorks協議；網絡節(jié)點

0 引 言

傳感器網絡節(jié)點是智能樓宇系統中信息轉換關鍵技術，是現代測控系統最基本的“皮膚”感知元件。然而傳感器體積小，單個傳感器的可用資源十分有限，處理器處理能力、存儲器容量、電能供應、通信帶寬都有限，急需一種性價比高、方便現場接線、易于控制的傳感器網絡技術[1]。美國埃施朗（Echelon）公司推出Pyxos技術，是專為I/O網絡量身定做的平臺，具有低成本和小尺寸，高速度短距離運行，與TCP/IP技術、LonWorks無縫集成等優(yōu)點，用戶可以非常方便

地將其開發(fā)成小而廉價的節(jié)點。目前國內外研究傳感器網絡節(jié)點的成果較多，但基于Pyxos總線的網絡節(jié)點研究很少，例如薛嵐等[2]設計Pyxos嵌入式網絡中鏈路電源模塊；謝雨業(yè)等[3]開發(fā)基于Pyxos總線的智能家居控制系統及徐月華等[4-5]利用Pyxos技術構建實訓室用電監(jiān)控系統。利用Pyxos總線能減少智能樓宇系統工程中傳感器、控制器的分散施工困難，節(jié)約傳感器本身資源，提高整個樓宇系統的智能化程度[6]，降低將LonWorks技術中的Neuron芯片嵌入到每個傳感器中帶來的成本，在短距離內增強信息的轉換速度，有效提高系統的網絡特性。因此，本文重點研究基于Pyxos技術的樓宇傳感器網絡節(jié)點。

1 Pyxos網絡節(jié)點工作機理

傳感器網絡節(jié)點的主要任務是將傳統的傳感器改成具有網絡接口的傳感器，使其具有檢測、控制、?通信等網絡要求的多種功能。因此，網絡節(jié)點包括數據采集、數據通信和協議處理等模塊。

圖1為Pyxos芯片結構圖，集成專門用來采集數據的I/O網絡總線，包括DSP協議處理器、控制寄存器、通信驅動器、I/O接口、時間槽存儲器、時鐘和復位電路等組成部分。其中，DSP協議處理器是完成Pyxos FT協議的主處理器，控制寄存器處理控制Pyxos FT芯片的I/O接口，通信驅動器作為Pyxos網絡收發(fā)器完成數據收發(fā)，I/O接口可設置為通用數字輸入輸出接口或SPI通信接口，時間槽存儲器有1kB靜態(tài)RAM，時鐘和復位電路用于提供片內時鐘及上電復位信號。

針對I/O點數少于5個的情況，為傳感器、控制器加裝一顆Pyxos芯片，不需任何處理器便可構成Pyxos節(jié)點提供4路通用的數字I/O和一路數字輸入；若I/O點數比較多，增加一個微處理器構成功能復雜的節(jié)點[7]。其中Pyxos芯片包含了通信協議并嵌入網絡收發(fā)器，無需任何微處理器可直連簡單的數字I/O，或通過SPI連接其他主處理器實現復雜的I/O應用，從而完成開發(fā)應用。

2 Pyxos傳感器網絡節(jié)點設計與開發(fā)

應用于智能樓宇中的傳感器種類較多，包括門磁開關、紅外傳感器、溫度傳感器等，可依據輸出信號分類為開關量和模擬量。紅外傳感器是智能樓宇中

來用實現報警功能的常用器件，溫度傳感器用來檢測室內溫度，是節(jié)能降耗不可缺少的檢查元件。本文選用這兩個傳感器來說明數字量、模擬量網絡節(jié)點的設計方法。

2.1 Pyxos傳感器網絡節(jié)點設計與開發(fā)

紅外探測器常用于智能樓宇探測區(qū)域中人員出入情況的判斷。當人體進人探測區(qū)時，紅外探測器感應到移動人體溫度與背景溫度的差異信號并作為報警信號依據[8]，報警控制器接收各探測器發(fā)出的報警信號，驅動現場警號報警，并通過網絡傳遞警情，及時保護人身及財產安全。

圖2為基于Pyxos技術紅外探測器的節(jié)點電路圖，包括紅外探測器、低頻信號放大電路、信號處理與保持電路、Pyxos等電路模塊。紅外探測器電路工作步驟為：（1）紅外探測器檢測到信號，經R1傳遞到雙運算放大器U1A中；（2）U1A輸出后分兩路，一路送至信號處理電路（U1B、U2A）進行信號處理，一路送至比較器U2B（LM339）中，方便調試時檢測。其中，R18、U1B、U2A等組成信號處理電路，U1B及其外圍電路構成延時放大電路，放大交流信號，進行溫度補償，防止誤報警并適應環(huán)境溫度變化。信號保持電路由R7、運放U2C、U2D（兩個LM339接成比較器）和二極管D6組成，起到保持信號穩(wěn)定的作用。U2C、U2D的輸出信號連接到Pyxos芯片的IO腳，Pyxos芯片采集到紅外信號后將紅外狀態(tài)通過Pyxos網絡傳送到其他節(jié)點。Pyxos內部固化控制軟件，對于紅外探測器這種控制策略較為簡單的數字傳感器，加裝一顆Pyxos芯片，無需編程便可構成Pyxos網絡節(jié)點。

2.2 Pyxos溫度傳感器節(jié)點設計

圖3為溫度采集模塊硬件結構圖，由鉑電阻電橋測溫電路、模擬開關DG508、電壓放大器MAX478和A/D轉換器TLC2543組成。

鉑電阻直接檢測的信號微弱，阻值隨溫度變化不大，為提高測量精度，選用溫度系數好的精密電阻和鉑電阻組成電橋。在鉑電阻電橋測溫電路中，可檢測3路Pt電阻。電阻R64、R63及可調電阻R68構成橋的參考臂。電阻R67、R71、R72及Pt電阻構成橋的另一臂。通過Pt電阻采集的溫度信號有3路，經DG508的A1、A0選擇一路后，與橋參考電壓同時輸入到MAX478電壓差分放大器，將Pt電阻產生的微弱信號放大成0～5V的電壓信號，經A/D（TLC2543）轉換成為數字量，再由微處理器根據Pt電阻溫度特性采用專用算法計算成實際溫度[9]。

AD586可提供低噪聲、高精度（5.000 V）的單極性參考電壓源。它的低頻噪聲＜4μVp-p，高頻噪聲大約為200uVp-p。在芯片的Noise ReductI/On端與地之間連接一個1μF的電容，使該電容與內置的電阻形成一個低通濾波器，從而進一步降低噪聲。

TLC2543是可編程的12位開關電容逐次逼近模數轉換器，包括片選（CS），輸入/輸出時鐘（I/O CLOCK）和數據輸入端（DATA INPUT）3個控制輸入端。通過一個串行三態(tài)輸出端與主處理器或其外圍的串行口通信進行傳輸數據。除了高速轉換器和通用控制能力外，芯片具有11個模擬輸入通道，內部帶有采樣-保持電路。在轉換結束時，輸出端變高指示轉換完成[10]，具有量化誤差小、系統I/O資源占用少的優(yōu)點。

3 軟件設計實現與應用

基于Pyxos技術的溫度傳感器節(jié)點軟件包括系統初始化、時間讀取、溫度采集、溫度數據濾波、溫度報警及產生報警記錄、Pyxos網絡通信命令處理等模塊。室內環(huán)境溫度一般不會出現快速變化，對溫度數

據進行平滑濾波處理，可以得到比較穩(wěn)定的溫度參數。圖4為參數測控軟件流程。

經網絡測試，基于Pyxos技術的傳感器節(jié)點可以獨立地與控制網絡上的其他設備如LonWorks控制點等進行通信，實現了數據、圖片等信息的高效轉化和無縫網絡集成，簡化了系統結構，降低組網成本及維護成本。

4 應 用

實際應用中，由門磁節(jié)點、紅外節(jié)點、開關節(jié)點、照明控制節(jié)點、溫度測量節(jié)點等組成樓宇Pyxos傳感器網，與LonWorks現場總線網集成后，組成Pyxos檢測層、LonWorks控制層及Internet數據層的樓宇用電監(jiān)控系統。利用溫度傳感器節(jié)點軟件對樓宇內照明、風扇等用電設備進行本地和遠程控制，對用電量、室內溫度等參數進行網絡化集中管理，實現對開關門、人員進出入等網絡報警燈等功能。圖5為軟件運行曲線顯示結果，其中溫度組件顯示歷史數據，數據曲線平滑，較好地反映了實際情況，此系統實現對樓宇內溫度、開關門、人員進出、燈光、風扇等使用狀態(tài)進行監(jiān)控與顯示，系統開發(fā)簡單，安裝操作方便，性能穩(wěn)定。

5 結束語

（1）基于Pyxos技術的傳感器節(jié)點可以獨立地與控制網絡上的其他設備進行通信，具有網絡節(jié)點的特性，使傳統的傳感器升級為集檢測、邏輯編程運算、網絡協議通信等功能于一身的智能化控制器，突破傳統紅外探測器使用局限，擴展紅外探測器的功能。

（2）基于Pyxos技術的傳感器節(jié)點借助現場總線技術和以太網技術，改變傳統傳感器、控制器、執(zhí)行器之間復雜的現場聯接方式，實現控制系統底層與上層數據的融合與表示，真正達到測控的一體化和分散化，增強系統遠程診斷、維護能力，提高測控系統智能化程度。

[1]徐月華，劉桂雄.利用Pyxos技術的實訓室用電監(jiān)控系統[J].現代制造工程，2010（7）：143-146.

[2]薛嵐，楊帥，史宜巧，等.Pyxos嵌入式網絡中鏈路電源模塊的設計[J].電子工業(yè)專用設備，2008（166）：44-47.

[3]謝雨業(yè)，曾珞亞，許錦標.基于Pyxos總線的智能家居控制系統[J].軟件導報，2012（4）：69-71.

[4]陳志忠，徐月華.基于Pyxos技術的樓字用電監(jiān)控系統[J].建筑電氣，2010（6）：17-19.

[5]陳志忠，徐月華.計量芯片ADE7758在三相多功能網絡電能表中的應用[J].自動化與信息工程，2010（1）：26-29.

[6]Wang S Q，Xing H S，Xing J C，et al.Research on the reliability of the Pyxos network[C]∥2010 International Conference on Electrical and Control Engineering，2010（443）：1802-1806.

[7]劉永生.PyxosTM技術介紹[J].儀器儀表標準化與計量，2007（2）：92-95.

[8]倪杰.基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統[J].中國安防，2008（6）：92-95.

[9]王延年.基于單片機的鉑電阻高精度溫度測控系統[J].電子測量技術，2006，29（4）：51-54.

[10]杜福嘉，汪達興.應用BP神經網絡校正鉑電阻溫度傳感器非線性的方法[J].中國科學院研究生院學報，2006，23（2）：155-158.

Design of sensor network node for buildings based on Pyxos technology

XU Yue-hua1，LIU Gui-xiong2
（1.Office for Science and Technology，Guangdong Mechanical&Electrical College，Guangzhou 510515，China；2.Mechanical and Electrical Engineering Institute，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In building systems，it is difficult for the construction of scattered sensors，while nonnetworked sensors affect the popularity and information characteristics of building monitoring systems. So on the basis of Pyxos technique，the sensor sensitive components，conversion circuits and transmitter integrated networking hardware and software were designed.And the classroom integrated power monitoring system that has Pyxos detection layer and LonWorks control layer and data layer structures was set up.The experimental results show that the sensor network nodes can communicate with other devices on the control network，with the configuration and operational independence of network nodes.Pyxos embedded control network and LonWorks control networks and the Internet can be seamlessly integrated to achieve representation of the control system with the upper ground floor data with short time and stable performance and low price，which change the traditional pattern of measurement and control systems.

Pyxos technology；sensor；LonWorks network；network node

TU972；TP212；TP393.032；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）04-0071-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.018

2014-03-04；

：2014-05-07

廣東省科技廳科技計劃項目（2012B010100046）

徐月華（1965-），女，湖南益陽市人，教授，主要從事網絡化測控研究。