基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統(tǒng)研究

摘 要：常規(guī)的智能樓宇自控系統(tǒng)以分散控制為主，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，影響樓宇自控的實(shí)時(shí)性。因此，本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統(tǒng)。在硬件方面，設(shè)計(jì)了嵌入式DDC控制器與JTAG調(diào)試器。在軟件方面，設(shè)計(jì)了智能樓宇自控設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)管理層，以中央工作站、用戶終端為自控主程序，調(diào)用智能樓宇設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)同步函數(shù)，實(shí)時(shí)更新樓宇設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行自控?cái)?shù)據(jù)管理。基于DDC編寫樓宇自控服務(wù)程序，利用Java Bean一次性、任何地方執(zhí)行和任何地方重用的優(yōu)勢(shì)，滿足智能樓宇自控服務(wù)需求。系統(tǒng)測(cè)試證明，本文系統(tǒng)的運(yùn)行性能更佳，能夠應(yīng)用于實(shí)際生活中。

關(guān)鍵詞：嵌入式DDC控制器；智能樓宇；自控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP 311" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

樓宇自控是將樓宇中電梯、水泵、風(fēng)機(jī)和空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)控與管理的過(guò)程。采用設(shè)置傳感器、開關(guān)和光電控制等方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)，為室內(nèi)提供更舒適的環(huán)境[1-2]。為了提高樓宇的自控性能，相關(guān)研究人員研發(fā)了多種自控系統(tǒng)。其中，基于FMEA的智能樓宇自控系統(tǒng)利用失效模式與影響分析，對(duì)樓宇弱電項(xiàng)目進(jìn)行改造控制，并分析和評(píng)估系統(tǒng)設(shè)備在安裝和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的失效模式及其影響，制定針對(duì)性的質(zhì)量控制和改進(jìn)方案。但是，該系統(tǒng)沒有充分考慮潛在的失效模式，會(huì)影響樓宇自控的安全性?；谖⒎?wù)架構(gòu)的智能樓宇自控系統(tǒng)，主要利用微服務(wù)架構(gòu)，將智能樓宇自控系統(tǒng)劃分為多個(gè)獨(dú)立的服務(wù)模塊，每個(gè)模塊具有不同功能，同時(shí)，每個(gè)微服務(wù)模塊還設(shè)置了獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，提高了開發(fā)效率。但是，微服務(wù)架構(gòu)涉及多個(gè)獨(dú)立部署的服務(wù)，運(yùn)維工作較復(fù)雜，需要權(quán)衡運(yùn)行性能與可維護(hù)性間的關(guān)系。因此，本文結(jié)合嵌入式DDC控制器的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了智能樓宇自控系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 嵌入式DDC控制器

在基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統(tǒng)研究中，硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其中比較關(guān)鍵的是嵌入式DDC控制器設(shè)計(jì)，下文將對(duì)嵌入式DDC控制器進(jìn)行深入探討。

1.1.1 控制器核心

DDC控制器的核心是微處理器（Microcontroller Unit，MCU），它負(fù)責(zé)接收傳感器傳來(lái)的電信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Converter，ADC），執(zhí)行控制算法，并輸出控制信號(hào)[3-4]。在充分考慮處理能力、功耗、封裝大小以及是否支持必要的外設(shè)接口等因素的條件下，本文選擇STM32系列微處理器。它具有強(qiáng)大的Cortex-M內(nèi)核處理能力、靈活的低功耗管理、多樣化的封裝選項(xiàng)、豐富的外設(shè)接口（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（Digital-to-Analog Converter，DAC）和通信接口等）以及全面的軟件開發(fā)支持，是構(gòu)建基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統(tǒng)的理想選擇，能夠滿足復(fù)雜控制算法、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理以及與外部設(shè)備進(jìn)行高效通信的需求。

1.1.2 電源管理

控制器采用AC22-26V的工作電壓，同時(shí)內(nèi)置電源管理模塊，以保證在不同電壓波動(dòng)下穩(wěn)定工作。此外，為了應(yīng)對(duì)突發(fā)停電情況，控制器還自帶一塊Lithium CR1220、3 V的電池作為備用電源，以維持關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和控制器的基本功能。

1.1.3 輸入/輸出接口

模擬輸入（Analog Input，AI）：控制器支持多個(gè)模擬輸入通道，用于接收來(lái)自溫度、濕度和壓力等傳感器的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后，成為控制器可以處理的數(shù)字信號(hào)。

開關(guān)輸入（Digital Input，DI）：控制器提供多個(gè)DI通道（例如DI1、DI2、DI3和 DI4），用于接收來(lái)自開關(guān)、按鈕等設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)。這些信號(hào)通常為常開節(jié)點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備被激活時(shí)，節(jié)點(diǎn)閉合，并向控制器發(fā)送信號(hào)。

開關(guān)輸出（Digital Output，DO）：控制器具有多個(gè)DO通道（例如DO1～DO6），用于控制樓宇中的燈光、空調(diào)和風(fēng)機(jī)等設(shè)備。DO通道可以輸出高電平或低電平信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)外部繼電器或執(zhí)行器。

模擬輸出（Analog Output，AO）：控制器提供AO通道（例如AO1、AO2），用于將控制信號(hào)輸出到執(zhí)行器，例如調(diào)節(jié)閥、變頻器等。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換后，成為模擬信號(hào)，用于精確控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.1.4 通信接口

控制器備有RS-485通信接口，以便與樓宇自控系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，使控制器能夠接入樓宇管理系統(tǒng)（Building Management System，BMS），進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

1.1.5 抗干擾設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對(duì)樓宇環(huán)境中可能存在的電磁干擾和噪聲，控制器在硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)采取抗干擾措施，例如使用屏蔽電纜、增加濾波器和合理布局電路板等。

1.1.6 散熱設(shè)計(jì)

考慮控制器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生熱量，需要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，例如使用散熱片、風(fēng)扇等散熱元件，以保證控制器穩(wěn)定工作。

1.1.7 可編程性

控制器應(yīng)支持可編程性，即用戶可以利用編程軟件對(duì)控制器的控制邏輯進(jìn)行定制和修改，以便滿足不同樓宇自控系統(tǒng)的需求，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

綜上所述，嵌入式DDC控制器的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面，包括核心微處理器、電源管理、輸入/輸出接口、通信接口、抗干擾設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)以及可編程性等。這些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)共同構(gòu)成了控制器的基礎(chǔ)架構(gòu)，為智能樓宇自控系統(tǒng)提供了有力支持。DDC控制器相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

DDC采用微機(jī)控制技術(shù)，將樓宇中溫度、濕度、壓力和狀態(tài)等輸入預(yù)制程序中，完成控制任務(wù)。

1.2 JTAG調(diào)試器

JTAG調(diào)試器是為嵌入式DDC控制器服務(wù)的硬件，采用JTAG協(xié)議對(duì)各類元件進(jìn)行邊界掃描[5]。將Select-DR-Scan作為臨時(shí)中間狀態(tài)，控制測(cè)試訪問(wèn)端口（Test Access Port，TAP）進(jìn)入DR掃描鏈。JTAG結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，JTAG調(diào)試器采用JTAG協(xié)議，在嵌入式DDC控制器調(diào)試中，通過(guò)TDI（測(cè)試數(shù)據(jù)輸入）、TMS（測(cè)試模式選擇）、TCK（測(cè)試時(shí)鐘）和TDO（測(cè)試數(shù)據(jù)輸出）這4個(gè)主要信號(hào)以及可選的TRST（測(cè)試復(fù)位）信號(hào)對(duì)元件進(jìn)行邊界掃描。TDI用于輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，TMS用于控制測(cè)試狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換，TCK用于提供同步時(shí)鐘信號(hào)，TDO用于輸出測(cè)試結(jié)果，TRST用于復(fù)位JTAG接口。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能樓宇自控設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)管理層設(shè)計(jì)

以中央工作站、用戶終端為自控主程序，調(diào)用智能樓宇設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)同步函數(shù)[6-8]，實(shí)時(shí)更新樓宇設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自控?cái)?shù)據(jù)管理。樓宇設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷如公式（1）所示。

Q=K?M?（T1-T2） （1）

式中：Q為樓宇設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷；K 為與樓宇設(shè)備特性、系統(tǒng)配置等相關(guān)的綜合常數(shù)，它反映了在特定的樓宇設(shè)備和系統(tǒng)條件下，流量、溫差與設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷間的比例關(guān)系；M為流量；T1為回水總管溫度；T2為供水總管溫度。

在自控設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，自動(dòng)化控制決策如公式（2）所示。

y=s（wTx+b） （2）

式中：y為智能樓宇輸出的運(yùn)行數(shù)據(jù)；s為自動(dòng)化控制函數(shù)；w為環(huán)境向量；T為溫度向量；b為參數(shù)向量；x為輸入向量。

在數(shù)據(jù)管理層中，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如公式（3）所示。

z=（x-u）/δ （3）

式中：z為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；u為均值；δ為標(biāo)準(zhǔn)差。

在智能樓宇自控系統(tǒng)中，分析各類運(yùn)行數(shù)據(jù)間的潛在關(guān)系，如公式（4）所示。

（4）

式中：r為皮爾遜相關(guān)系數(shù)；xi、yi分別為第i個(gè)輸入向量、第i個(gè)輸出向量；、分別為x、y的均值。

當(dāng)r＞0或r＜0時(shí)，運(yùn)行數(shù)據(jù)間存在正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，能夠根據(jù)相關(guān)情況，判斷樓宇設(shè)備的自控情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集流量、溫度等關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式精確計(jì)算設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷。并根據(jù)環(huán)境、溫度和用戶輸入等參數(shù)做出自動(dòng)化控制決策，同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便進(jìn)行深入分析。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)揭示數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)，對(duì)樓宇設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控與即時(shí)調(diào)整，保證樓宇運(yùn)營(yíng)既高效，又舒適。

2.2 基于DDC的樓宇自控服務(wù)程序編寫

將自控服務(wù)程序與嵌入式DDC控制器端口連接在一起，設(shè)定溫度、濕度等參數(shù)閾值，保證樓宇自控的有效性。自控服務(wù)程序代碼如下所示。

//[1]function initializeSystem（）｛

//[2]initializeDDCConnection（）；

//[3]initializeDataStorage（）；｝

//[4]function initializeDDCConnection（）｛

//[5]

//[6]//\"BACnet\"，\"controllerIP\"，\"controllerPort\"；｝

//[7]function initializeDataStorage（）｛

//[8]

//dataStorage=createDatabaseConneation（\"databaseName\"，\"user\"，\"password\"）；｝

｛[9]//data=ddcConnection.readData（\"sensorID\"）；

//[10]//dataStorage.storeData（\"sensorDataTable\"，data）；｝

//[11]//ddcConnection.sendControlCommand（deviceId，controlCommand）；｝

//[12]While（true）｛//[13]

//sleep（1000）；｝｝

在上述代碼中，[1]為初始化函數(shù)；[2]為初始化DDC控制器連接；[3]為數(shù)據(jù)庫(kù)連接；[4]為初始DDC控制器連接函數(shù)；[5]為建立DDC控制器與通信協(xié)議的連接；[6]為使用BACnet或Modbus協(xié)議；[7]為初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)函數(shù)；[8]為連接到數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)；[9]為從DDC控制器采集數(shù)據(jù)；[10]為將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；[11]為根據(jù)設(shè)備ID和控制命令控制設(shè)備；[12]為進(jìn)入主循環(huán)，持續(xù)運(yùn)行；[13]為等待1 s，進(jìn)而重復(fù)循環(huán)。利用Java Bean一次性、任何地方執(zhí)行和任何地方重用的優(yōu)勢(shì)，滿足智能樓宇自控服務(wù)需求。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足智能樓宇自控需求，需要對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)基于FMEA的系統(tǒng)、基于微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)以及本文基于嵌入式DDC控制器的系統(tǒng)進(jìn)行比較。具體的測(cè)試過(guò)程和測(cè)試結(jié)果如下所示。

3.1 測(cè)試過(guò)程

本次測(cè)試在M數(shù)字大廈進(jìn)行。根據(jù)該建筑的自控需求，自控系統(tǒng)建設(shè)包括冷源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和變配電系統(tǒng)等方面，建筑形式更舒適、安全。

在測(cè)試過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集樓宇設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷，運(yùn)用公式（3）對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便進(jìn)行深入分析。在該基礎(chǔ)上，采用Ethernet網(wǎng)控制樓宇各個(gè)設(shè)備，根據(jù)公式（2）做出自動(dòng)化控制決策。自控功能管理界面見表2。

在表2中，AHU-17-01-02、AHU-17-03-01、AHU-17-03-02和AHU-17-04-02的送風(fēng)溫度存在異常增加的情況，其余為正?，F(xiàn)象。調(diào)整上述異常風(fēng)機(jī)的送風(fēng)溫度，使其滿足樓宇送風(fēng)需求。

3.2 測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試條件下，比較基于FMEA的系統(tǒng)性能、基于微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)性能以及本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式DDC控制器的系統(tǒng)性能。測(cè)試結(jié)果見表3。

由表3可知，本文進(jìn)行了系統(tǒng)響應(yīng)速度測(cè)試、大規(guī)模并發(fā)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理能力測(cè)試和擴(kuò)展性測(cè)試。在響應(yīng)測(cè)試方面，模擬了3種用戶請(qǐng)求，響應(yīng)時(shí)間在200 ms以內(nèi)，即可保證響應(yīng)性能滿足系統(tǒng)需求。100個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)，無(wú)崩潰或延遲問(wèn)題，能夠滿足穩(wěn)定運(yùn)行的需求。在數(shù)據(jù)處理方面，能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)處理時(shí)間在5 min以內(nèi)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高于90%，能夠滿足樓宇自控需求。在擴(kuò)展性測(cè)試方面，用戶數(shù)量、樓宇規(guī)模均增加1倍，系統(tǒng)性能仍能保持正常，CPU占用率低于50%，能夠滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。在其他條件均一致的情況下，使用基于FMEA的智能樓宇自控系統(tǒng)、基于微服務(wù)架構(gòu)的智能樓宇自控系統(tǒng)后，系統(tǒng)的各個(gè)性能均存在一定弊端，會(huì)影響樓宇自控需求。而使用本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統(tǒng)后，系統(tǒng)的各個(gè)性能均能滿足實(shí)際需求，符合本文研究目的。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代建筑建設(shè)離不開智能技術(shù)，智能樓宇自控系統(tǒng)更是保證建筑舒適、安全環(huán)境的重要元件。嵌入式DDC控制器具有高效、靈活、智能化的優(yōu)勢(shì)，在各類建筑中具有廣泛應(yīng)用。因此，本文利用嵌入式DDC控制器設(shè)計(jì)了智能樓宇自控系統(tǒng)。從控制器、調(diào)試器2個(gè)方面完成硬件設(shè)計(jì)，并從管理層、服務(wù)程序2個(gè)方面，輔助硬件完成樓宇自控服務(wù)。采用嵌入式DDC控制器的集成控制對(duì)樓宇環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從真正意義上滿足人們的生活與生產(chǎn)需求。

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