智能楼宇室内环境综合监控系统(技术报告)

设计报告智能楼宇室内环境综合监控系统设计报告摘要 本系统实现了一个现代智能建筑的综合监控和管理系统。可用于图书馆、博物馆、高级商业点、大棚温室、实验室、机房等场所环境的智能化、自动化和远程控制。整个系统以节能显著，智能火警、网络化，人性化管理为设计理念，提供了一套科学，经济，节能，高效的综合监控管理手段。系统包括参数采集，数据处理，人机交互，控制输出，数据统计存储五大功能模块，涉及传感器电路设计与信号处理，多系统的通信与协调，上位机软件设计，PC机通信，红外信号的编码与解码，控制系统和策略等多个方面，提供了红外、键盘和PC机操作多种人机交互方式。智能，可靠，操控方便，低能耗，可扩展性强，是本系统的最大特色。关键字 智能楼宇 节能建筑 环境监控 分布式系统 一、设计思路及技术方案概要1. 设计背景随着中国城市化进程的加快，我国的建筑业保持高速发展，但建筑耗能和节能减排的矛盾日益突出。我国建筑耗能占全社会总能耗的比值接近50，建筑物使用过程中的能耗占全社会总能耗的27.7。如果全国建筑全部达到国家规定的节能标准，则每年可节约几十亿吨标准煤，相当于每年可减少电力建设投资上万亿元，并减少排放空气污染。随着国家建设资源节约型和环境友好型社会的推进，在国家政策扶持下，智能节能建筑的成本和效益日益浮现。同时，各类使用者对建筑物的服务要求多样化与服务性能日趋提高，越来越重视生活条件与环境的舒适性、便捷性、安全性和管理组织的严密性等。随着计算机技术、信息技术和控制技术的高速发展和广泛应用，智能控制技术取得了巨大的进展，智能楼宇综合管理系统逐渐成为智能大厦的技术核心。它将建筑物内各弱电子系统集成在一个计算机网络平台上，从而实现子系统间信息、资源和任务共享。它将为业主提供一个高效、便利、可靠的管理手段，给使用者提供全面、高质、安全、舒适的综合服务。智能楼宇综合管理系统是以实现各专业子系统之间的信息资源的共享与管理、各子系统的互操作和快速响应与联动控制，以达到自动化监视与控制的目的。它追求的目标是：信息资源的共享与管理、提高工作效率和提供舒适的工作环境、采用“分散控制、集中管理”的模式，尽可能地减少管理人员和节约能源、能适应环境的变化和工作性质的多样化及复杂性和应付突发事件的发生。因此，节能管理是建筑综合管理的重要内容，由于智能建筑的机电设备采用自动化监控方式，使智能建筑利用先进的综合节能技术成为可能，同时，节能也是建设智能建筑的主要目标之一，能节省运行和管理费用，是智能建筑高效率和回报率的具体体现；消防、安防设备的研究也是当前智能建筑的主要内容，如何提高火灾等消防安防设备的可靠性，避免漏报或误报，并准确定位事故地点，一直是研究的重难点；缺乏针对使用者与管理者的工作和生活便利考虑；缺乏以人机工效学对人机界面、机器与人的共享空间的设计；缺乏在智能化、数字化环境下对不同职能与层次人群的行为处理分析和对策，也是传统智能建筑不完善的地方。电子技术、通信网络技术、智能控制技术、信息处理技术和综合管理技术等新技术的发展，为智能建筑的完善提供了解决方案。当前的所谓智能建筑和节能技术实际上就是以上技术的综合应用和集成。文献2-4详细剖析了智能建筑的系统结构特点，具体介绍了楼宇自动化系统、办公自动化系统、结构化综合布线系统、安保自动化系统的特点、结构和设计标准。5根据智能建筑楼宇自控系统的内容，结合一具体工程实例，论述了楼宇自控系统设计的指导原则，阐述了楼宇自控系统的集成方式，提出智能建筑的楼宇自控系统应与办公自动化系统、通信自动化系统一体化实现。文献6对智能建筑通信网络进行了详细的技术分析，给出了智能建筑通信网络系统基本方案，阐明了智能建筑通信网络的设计要求，并对智能建筑通信网络技术的发展作了进一步的论述。7提出了一种无线式火灾警报器，该火灾报警器检测的是温度，当室温到达预警温度时就自动启动，并发射信号至警报主接收器，进而则触发导通警报声响，或更进一步利用继电器与外界警报铃连通，以提醒人们采取应急措施，防止火灾的扩大蔓延。8提出了一种火灾的判别方法、火灾警报器及火灾接收机，检测的物理量是烟雾浓度，其将烟浓度数字化，再进行低通滤波处理，将进行处理后的滤波值与规定的阈值相比较而判别火灾。当火灾烟雾浓度缓慢增加时，警报输出不会迟缓。针对传统智能建筑中火灾报警系统功能简单、定位困难且存在误报和漏报的问题，9提出一种新的智能火灾报警系统设计，该设计采取基于网络的系统架构，使用智能决策算法，反应快捷，性能可靠，能较好地满足智能建筑对火灾防范的要求。总体来讲，现有的火灾报警器，监测物理量单一，功能简单，定位困难且存在误报和漏报等问题，能够同时根据温度、烟雾、光强等综合判断、智能决策的报警器较少。 在工程设计中，照明系统设计有常规照明控制、楼宇自控BA监控照明、专业智能照明系统控制多种模式，将照明控制纳入整个楼宇自控系统之中是智能建筑的研究趋势。智能照明控制系统，其实就是根据某一区域的功能、不同的时间段、室外光亮度或该区域的用途来自控制照明。11主要探讨智能照明在现代搂宇中应用应该注意的几个问题。12介绍了智能照明控制系统的特点，并以南京图书馆智能照明控制系统设计为例，详细介绍了图书馆智能照明控制系统的设计，进一步阐述了照明控制是实现照明节能的有效途径。 13 以一医院的应用为例，介绍了楼宇自动化控制系统，中央空调与照明系统的控制过程与楼宇的节能管理三个方面的具体应用。14对智能建筑节能方面存在的问题进行了分析，通过阐述智能建筑工程节能的特点，从空调设备、照明、玻璃幕墙、人才培养等方面提出解决建筑节能问题的办法。建筑节能问题是当前建筑电气研究的一大热点，不断有新的节能方法、节能技术和节能设备被提出。本设计仅仅在该方面做了一些简单有益的尝试。智能楼宇系统内容相当广泛，包括到楼宇自控、安防系统、消防报警系统等20多个细分子系统，涉及到计算机技术、控制技术、通信技术、CRT图形显示技术以及建筑电气、机电设备各个领域.智能建筑技术是多学科的交叉和融汇，对设计者的专业技能要求是多层次、多方位的，强调理论与实践紧密结合，设计与技术紧密结合，如何将新技术应用到新的项目中去也变得越来越重要。2.系统特点和先进性 智能楼宇室内环境综合节能监控系统将建筑物内各环境参数采集和控制子系统集成在一个计算机网络平台上，从而实现子系统间信息、资源和任务的共享。它采用“分散控制、集中管理”的模式，追求的目标是：信息资源的共享与管理、提高工作效率和提供舒适的工作环境、尽可能地减少管理人员和节约能源、能适应环境的变化和工作任务的多样化及复杂性，并能够应付突发事件的发生，给使用者提供一个高效、便利、可靠的管理手段和全面、安全、舒适的综合服务。本系统设计主要基于建筑物的节能、安全和智能化，顺应建设节能型和资源节约型社会的需要。传统的建筑监控系统，控制器仅有主机一台，各种探测器独立工作，协调性和综合性差，适合于中、小型建筑。本智能控制系统，采用多种模拟量探测器，控制系统采用主从式网络结构，综合决策，适应性强，考虑了使用者与管理者工作和生活的便利，改善了传统建筑监控系统人机界面不友好，操控不方便的缺点，尤其适合大型建筑的环境监测和控制管理系统。主要特点和技术进步如下：1.节能理念先进：系统对室内照明的调节，利用传感器采用优先自然光照，照明灯补充照明的方式。在自然光照能满足用户设定照明要求时，关闭照明灯，通过控制采光天窗或门窗，控制室内光照。当自然光不足时，再通过精确控制照明灯光强满足用户设定的室内光照强度。照明光强可根据需要连续调节。室内空气调节系统的控制采用本监控系统的检测器与空气调节装置自身的检测器配合的方式，可以使空气调节系统能耗降低，人的舒适程度增加，同时可以根据需要和实际环境情况扩展对空气调节装置的控制方式和功能。2.火灾等报警系统智能化、可靠性高：火灾的判据要求准确可靠。现有的普通火警探测器监测量单一（感温、感烟、感光），存在误差和漏误判，本设计利用环境监控的其它探测器实现综合决策，综合温度、光强、烟雾的检测值，给出火灾的判据和动作，可靠性高，提高了智能建筑的安全性。3.综合管理方式：传统智能建筑监控系统缺乏在智能化、数字化环境下对不同职能与层次的人的行为的处理分析和对策，本系统采用区域控制和集中控制相结合的方式，控制手段多样，既有现场遥控手动控制方式，又可由远程网络中心集中控制，系统可工作在三种不同模式下以满足不同场合与不同人群的需要。人机界面友好，使用者与管理者操作简单、方便。整个系统由PC机用户软件，主监控系统，从监控系统组成。主系统留有丰富的软硬件扩展接口和网络接口，无须任何升级，便可扩展新的从系统，从系统由各个数据采集模块和控制输出模块组成，各模块间独立性强，简单升级后就能实现对其它环境参数的监控，可扩展性强。主系统适合于整个建筑的监控，从系统根据实际情况可用于各个房间或者某一楼层的监控。为了配合硬件系统，我们为开发了一套功能强大的用户软件，所有监控目标的每一个参数都被实时的送到用户软件的显示界面上。用户可一次性对一个或多个监控目标一年内或几年内的控制参数进行预设，系统会根据保存的文件自动在指定日期将指定控制参数载入指定控制目标，实现自动控制，管理灵活方便。3.系统构成本系统设计分为三大部分：监控中心部分、上位机部分和下位机部分，如图1.1。图1.1 室内环境监控系统结构框图1监控中心部分：由PC机实现，运行稳定，界面友好。其接收下位机传来的各房间的环境参数，并显示或保存需要的数据，也可以将控制命令通过主机发送给各下位机，控制各个房间的环境变化。2上位机部分：即主机。上位机作为子系统的检测数据和控制中心控制命令的传输管理平台，应该运行速度快，稳定性好，I/O接口丰富，全双工的串行通讯。3下位机部分：即从机。下位机分为四个功能模块。（1）数据采集模块 对所在房间温度、湿度、光照、气体浓度等环境参数进行检测。（2）控制命令执行模块 根据监测数据和上位机传送过来的控制命令驱动执行机构，对环境状态进行调节。（3）人机交互模块 包括键盘输入模块、红外遥控模块、LED显示模块。（4）通讯模块 负责与上位机的数据交换和命令接收。可由RS485或以太网实现。二、方案设计与论证主机和从机的选择有以下几种实现方案：方案一： 采用PLC进行数据采集和控制。PLC专为工业控制而设计，可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，编程简单。由于PLC价格较高，数据采集和联网都需要特殊功能模块的支持，本系统工作环境不是很恶劣，故障后果也不是特别严重，对性价比要求较高，因此不选择此方案。方案二：采用51系列单片机实现本系统。51单片机的优点是成本低，功能灵活，适于控制，开发资源丰富，可靠性和通用性好，设计开发容易。方案三：选用TI公司的超低功耗MSP430单片机作检测和控制核心。MSP430抗干扰性好，工作可靠，集成了一系列外围设备，I/O口和硬件资源丰富，应用领域广泛。MSP430具有5种低功耗模式，在保证系统工作效率的同时能使设备耗电最省。其强大的16位RISC处理器、16位的寄存器，确保了最高指令执行效率；高精度的内部数控晶振使能CPU在1s内从低功耗模式进入工作模式。以上方案均可行，基于本系统要求性价比高，功耗低，节能显著，A/D和I/O口丰富，工作可靠等特点，因此本设计采用方案三来实现数据采集和控制。图2.1 MSP430系统能耗三、硬件电路设计3.1 TI MSP430单片机系统模块1. 主机系统芯片MSP430F247MSP430F247属MSP430F23x/24x(1)/2410系列，是一款超低功耗MCU，具有丰富的系统资源，提供多种系统时钟选择（内部数控振荡器，外部晶振），集成两个16位定时器（比较与捕捉功能，PWM输出），1个比较器；4个串行通信USCI接口（支持波特率自动检测，IRDA编码解码，同步SPI， I2C）；48个I/O口（16个外部中断口）；32KB+256B Flash Memory，4KB RAM；完全满足主机系统设计要求。2. 从机系统芯片MSP430F2274MSP430F2274属于MSP430x22xx系列。是一款超低功耗的混合信号MCU，集成了两个16位计时器（比较与捕捉功能，PWM输出）； 1个10位200-KspsA/D转换（16个采样通道，内部电压参考，采样保持，自动扫描，数据传输控制），1个串行通信USCI接口；2个通用运算放大器，32个I/O口（16个外部中断口）；32KB+256B Flash Memory，1KB RAM；系统资源虽不如MSP430F247丰富，但已经能够完全满足子系统监控的设计要求，且价格低廉，具有比MSP430F247更高的性价比，适于选作从机。本系统通过分布在各房间或楼层的从机系统，获取各目标场所实时的环境数据，经由单片机MSP430F2274系统对采集数据进行处理，并发给上位机MSP430F247，各MSP430F2274从机系统根据实时采集数据和从PC机控制终端或红外遥控获取的预设控制参数进行一一对应的综合处理，运算出对应的控制命令，并驱动各环境状态调节装置（温度、光照、湿度等调节），同时将实时的环境参数数据送到LED显示模块和PC机控制终端上显示。控制系统提供了三种工作模式，PC模式，RC模式，HC模式，也就是系统的控制权在PC机设置，遥控设置和用户实时命令间切换。主从机系统的硬件结构如图3.1所示。图3.1 主从机系统硬件结构框图为程序烧写和在线仿真方便，本设计自制了MSP430开发系统板，如图3.2。该系统板功能强大，工作稳定、通用性好。板上集成了J-TAG下载电路，只需一并口线就可实现程序烧写、在线仿真。电源支持并口取电，也可使用外部电源。配有标准的14口J-TAG口，不仅能对自己编程和仿真，同时能对其它任意一个型号的430单片机，进行编程、仿真，只需根据具体型号，通/断跳线，选择所需信号即可。图3.2 MSP430F247系统电路原理图3.2 环境参数采集模块1. 温度采集模块HU-10S温度模块利用热敏电阻与温度的比例关系反映实际环境中的温度。其温敏电阻阻值输出如下：表3.1 HU-10S的温度响应温敏电阻与10K电阻串联，将被测量温度信号转换成AD能采集的电压信号输入MSP430F2274的A/D端口。Vt=Vcc*(R/(R+R1)Vt=为信号电压； R=温敏电阻阻值； R1=10K温度采集的功能主要是用于控制加热器，例如电炉、取暖器，空调等，对于空调等自带温度采集功能的空气调节装置，采用本监控系统的温度检测器与空气调节装置自身的检测器配合的方式，可以使空气调节系统能耗降低，人的舒适程度增加，同时可以根据需要和实际环境情况扩展对空气调节装置的控制方式和功能。温度采集的值传到监控中心，由监控中心进行处理并发出控制命令，由网络将命令传输到遥控等操作设备上控制空调等的工作，实现远程监控和自动控制。 2. 湿度采集模块HU-10S湿度模块是将湿度传感器的非线性电阻信号转换为线性电压信号输出。便于AD采集，体积小，易安装，长期工作稳定性高，年漂移率小于1.5%，响应时间短，线性输出电压1-3V，满足430系统输入电压要求。其测试参数如下：表3.2 HU-10S的湿度输出电压图3.3 HU-10S在25度时的响应曲线湿度采集的功能主要是用于监控中心控制加湿器等空气调节设备。3. 光强采集模块光强采集利用光敏电阻GL3516阻值与光强成线性关系的特性，将其与一定值电阻串联分压，从而将光强转换成MSP430的AD可直接采样的电压信号。简单，可靠，成本低廉，灵敏度高。表3.3 光敏电阻GL3516输出特性表规格型号最大 电压(VDC)最大 功耗 (mW)环境 温度 （）光谱 峰值(nm)亮电阻（10Lux)(K)暗电阻（M）响应时间mS照度电阻特性上升下降3系列GL351610050-30+705405-100.630302本系统照明节能的理念先进：系统对室内照明的调节，利用光强传感器采用优先自然光照，照明灯补充照明的方式。在自然光照能满足用户设定照明要求时，关闭照明灯，通过控制采光天窗或门窗，控制室内光照。当自然光不足时，通过精确控制室内照明灯的光强以满足用户设定的室内光照强度。照明光强可根据需要进行连续调节。4. 烟雾检测模块烟雾检测采用MC145010P独立式光电烟雾传感器，其体积小，便于安装，稳定性极好，性价比高，使用寿命长，耗电极微。火灾初起的烟雾会积聚在室内天花板下，光电烟雾探测器能够实时监视探测烟雾的存在，每45s左右对环境进行周期性检测；报警器通过内部智能处理器感应离散光源、微小的烟粒和气雾来检测，一旦检测到烟雾，立刻通过一个内置的专用IC驱动电路和一个外部压电式换能器输出报警声，使人们及早得知火情，将火灾扑灭在萌芽状态。根据具体应用环境的要求，也可把该烟雾检测模块换作MQ-2型气体敏感传感器，检测液化气，丁烷，丙烷，甲烷，酒精，氢气等危险气体的泄漏，只需电路设计时预留一通用接口即可。表3.4 MC145010P的输出参数表火灾的判据要求准确可靠。现有的普通火警探测器监测量单一（只能感温、或感烟、或感光），存在误差和漏误判，并且不能准确定位火灾事故点，本设计利用室内环境监控的其它探测器实现综合决策，综合温度、光强、烟雾的检测值，由监控中心根据综合决策给出火灾的判据和动作，可靠性高，提高了智能建筑的安全性。3.3 人机交互模块1红外遥控模块图3.4 红外遥控接收电路遥控器使用方便，功能多，作单片机系统控制命令的输入，解决了常规矩阵键盘输入线路板过大、布线复杂、占用IO口过多的弊病。接收端电路只需一个一体化集成红外接收管，如果接收管信号弱，可加接三极管放大信号。图3.5 红外遥控发送电路遥控器采用脉宽调制编码。遥控器无键按下，红外发射二极管不发出信号，遥控接收头输出信号1。有键按下时，0和1编码的高电平经遥控头倒相后输出信号0，引起单片机中断(单片机预先设定为下降沿产生中断)。单片机在中断时关闭其中断功能，使用输入功能，通过软件延时或计时器判断高低电平时间，便可知接收到的是引导码还是0和1。这里测的是高电平时间，如果计时值为4.5ms，接收到的是引导码；如果计时值等于1.12ms，接收到的是编码0；如果计时值等于2.25ms，接收到的是编码1。在判断时间时，应考虑一定的误差值。因为不同的遥控器由于晶振参数等原因，发射及接收到的时间也会有很小的误差。2. LED显示模块LCD具有最强的显示功能，然而可视距离有限，只有半米左右，成本较高，因此本设计使用4位LED数码管显示，显示内容有限，但足以满足要求，可视距离远可达5米左右，成本低。图3.6 LED显示效果显示模块由四位数码管和74LS273锁存器，一片74LS139组成，8个数据信号，2根位选信号。显示数据由P4口输出，位选信号由P5.1，P5.2输出。工作时，位选信号通过139选中第一位数码管的273锁存，数据信号送上该位上要显示的数据，位选信号再切换到下一位数码管，依此重复4次，便能完成一次显示。显示会在每次用户发出控制命令后显示系统对用户操作的响应，没有控制命令发出时，显示会自动显示选定房间的温度，湿度，光照三个环境参数数据。图3.7 LED显示电路3. 串口通信模块PC机与247主机，247主机与各2274从机子系统间都使用RS232串口通信。波特律统一设置为9600，247和2274的系统时钟使用片内数控振荡器，频率1M，波特率时钟源选择MCLK，即BRCLK=MCLK=1MHZ。波特率分频系数计算公式为：N = fBRCLK/Baudrate即N=1M/9600=104.16，分频寄存器分为整数和分数部分，其计算公式为：整数部分：UCBRx = INT(N)分数部分：UCBRSx = round( ( N INT(N) ) * 8 )即UCBRx = INT(104.16)=104UCBRSx = round( ( 104.16 104 ) * 8 )=1波特率设置没有绝对正确值，这取决于波特率时钟与理想扫描时钟的时间误差累积。公式仅作参考，用来大致确定寄存器的值的范围，具体值需要在调试过程中实验。调试可使用串口调试助手，以能持续地正确传送数据为准。下图是一常用频率下的波特率设置及其对应的收/发误码率。图中带下划线的一行为我们所使用的波特率时钟和波特率。4. 以太网通信模块本系统可以利用现在普遍连接的以太网进行数据传输和控制命令的传送，只需要配合现有建筑内的办公自动化系统或互联以太网网络的适配器即可，系统预留接口。图3.8 MSP430常用波特率设置及其误码率图3.9 串口通信电路3.4 控制输出模块对温度和光照的控制是日常生活和工业控制中最常见的，建筑内的空调系统，采光系统，照明系统，都是这一类的控制。本系统控制输出模块也分为温控和光控部分。两部分各有特点。图3.10 控制模块电路1温度控制采用白炽灯模拟温控调节装置。单片机控制信号，经隔离和放大后驱动继电器输出。图3.11 温度控制模块对于空调等自带温度采集功能的空气调节装置，采用本监控系统的温度检测器与空气调节装置自身的检测器配合的方式，可以使空气调节系统能耗降低，人的舒适程度增加，同时可以根据需要和实际环境情况扩展对空气调节装置的控制方式和功能。温度采集的值传到监控中心，由监控中心进行处理并发出控制命令，由网络将命令传输到遥控等操作设备上控制空调等的工作，实现远程监控和自动控制。2. 采光和照明控制在光照调节系统的设计中，为到达节能目的，采用自然采光和灯光照明两种方式相结合对光照强度进行精确控制。系统对外界射入室内的自然光照采样，如果外界光照能满足室内照明需求，则关闭照明灯，打开采光天窗。采光输出采用电机驱动模拟天窗来实现。采光效果达到设定光照要求时，电机会自动停止。天窗滑动槽两端装有红外对射管ST150作天窗位置检测。如果自然光不能满足照明需求，再通过调节灯光亮度补偿。图3.12 采光装置照明输出采用PWM方式对照明灯亮度进行微调控制，247的计时器模块具有PWM输出功能。PWM信号从247的TA1，TA2口输出，经74LS244转换成5V信号，分别送到电机驱动芯片L298N的两个使能端，L298N的4个输入信号两两接在VCC和GND上，4个输出信号分别驱动两个照明灯炮并始终处于开启状态。通过改变PWM信号的占空比，就可控制小灯亮暗。图3.13 照明精确控制电路四、软件系统设计4.1 系统软件流程系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，主机向从机子系统发送数据采集命令，收到相应从机返馈回的数据后，判断该从机当前工作模式并将各从机的状态参数发送给PC控制终端，实时显示和保存数据。从机根据采集参数和监控中心的命令，进行控制运算，根据控制命令执行控制输出。图4.1 系统软件流程图4.2 系统工作频率系统设计并不要求CPU进行大量数据处理和运算，使用1M的片内数控振荡器作为系统时钟已经能够满足系统实时响应的要求。系统时钟设置如下：WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /关看门狗BCSCTL1=CALBC1_1MHZ; /设定DCO为1MHZDCOCTL CALBC1_1MHZ;4.3 A/D采集模块247系统P6口有8个外部12位A/D口，2274系统有9个外部10位A/D口，分散在各个端口上，并且都是端口复用。显示模块上显示的最低位为个位，需要用到A/D采集的环境参数每个房间有3个，所以无论是A/D精度还是数量都已经能够满足要求。247每一个A/D通道都有各自的存储寄存器，相互独立，便于操作和读取。以操作P6.0,1,2三个A/D口为例，参考电压选为AVCC和AVSS，多通道单次顺序采样，设置如下：P6SEL=0x07; /选择A/D功能ADC12CTL0=ADC12ON+MSC+SHT0_8; /打开A/D内核,单次触发，连续转换ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_1; /多通道单次转换ADC12MCTL0=INCH_0;ADC12MCTL1=INCH_1;ADC12MCTL2=INCH_2+EOS; /转换结束/此处加入更多通道ADC12IE=0x04; /开P3.2口A/D中断ADC12CTL0|=ENC; /打开A/D内核2274的9路A/D共用一个存储寄存器AD10MEM，每个通道完成转换后的A/D值都会送往AD10MEM，单通道单次采样相对更容易实现，只需在A/D功能函数中三次触发A/D转换即可，触发前应先选择好A/D通道。10位A/D满量程为3FF，即1023，在确定正，负参考电压后，其AD转换值计算公式如下：4.4 红外解码模块MSP430外部中断口丰富，共有16个外部中断口。红外信号解码利用MSP430的外部中断功能。整个解码工作全部由P1口中断服务程序完成。图4.2 红外解码程序流程图一个完整的红外编码共33位，分别是1位引导码，8位用户码，8位用户码，8位数据码，8位数据反码。同一遥控器大多只有一种地址码，不同遥控器使用不同地址码，万能遥控除外。这取决于编码芯片。本设计采用TC9012，它提供了8种用户码，用户编码一共有8种，是利用“SEL”脚与“KO0KO7”中的任一脚相连接来进行选择的。本遥控系统用户码为010。图4.3 红外编码格式因为人体会发出10mm左右特定波长的红外线，实际也是一个干扰源，所以抗干扰很有必要。为了简化电路，加强稳定性，这里使用相对简单并效果较好的软件虑波。方法就是利用引导码有4.5ms的连续低电平，一般的干扰脉冲不会超过一个毫秒。只需在中断程序中延时2-3个毫秒，然后读取信号的电位，高电平为干扰，低电平为信号。这样能基本滤除干扰。如要更好滤波效果，可在4.5ms的引导码结束前进行两次或多次同样的验证。同样，用户码也可用来抗干扰，只需先对用户码验证，再决定是否读取数据。图4.4 红外接收软件滤波方法软件滤波程序如下：P1IE &= 0x08; /送中断P1DIR &= BIT3; /设为输入口delay(630); /延时5ms，if(P1IN_BIT3)P1IE |= 0x08; / 如为干扰，开中断P1IFG &= 0x08; /清除标志位，return; /退出中断服务函数 /如不是干扰，此处加入解码程序。4.5 计时器模块系统在对照明灯亮度调节时用了PWM信号，PWM信号由计时器A产生，信号对频率没有特殊要求，以大于100HZ为宜，只要小灯不出现闪烁即可。计时器A使用ACLK做为时钟源，采用工作模式1，P1.2,3为两个PWM信号的输出口。CCR0中的数据决定PWM信号周期，修改CCR0的值便可改变PWM信号的周期。CCR1和CCR2中的数据分别决定P1.2和P1.3口上PWM信号的占空比。占空比计算公式如下：计时器A初始化如下：P1DIR |= 0x0F; / P1.2，P1.3 输出P1SEL |= 0x0C; / P1.2 /P1.3使用TA1/2功能CCR0 = 100; / PWM 周期CCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1 复位/置位模式CCR1 = 0; / CCR1 PWM 占空比CCTL2 = OUTMOD_7; / CCR2 复位/置位模式CCR2 = 0; / CCR2 PWM 占空比TACTL = TASSEL_1 + MC_1; / 时钟源为ACLK，递增计数4.6 串口通信模块MSP430F247系统有两组UART口，分别用来与计算机和从机MSP4302274系统通信。串口数据接收在中断程序中完成，程序流程图如下：图4.5 串口接收程序流程图按公式，UCBRx应为104，UCBRSx应为1，但这样的设置在我们的系统上并不能正确收发，经过大量调试后，最后确定分频系数为99.5。串口设置如下：P3SEL = 0xf0; /P3.4,5,6,7为USCI_A0 TXD/RXD,USCI_A0 TXD/RXD功能UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; /波特率时钟为SMCLKUCA0BR0 = 99; /分频系数与此同时104相差5UCA0BR1 = 0;UCA0MCTL =UCBRS2; /小数部分UCBRSx=4UCA1CTL1 |= UCSSEL_2; /串口1设置，因为247要同时与PC机，UCA1BR0 = 99; /2274子系统通信，为了统一，三都使UCA1BR1 = 0; /用一样的波特律设置。UCA1MCTL =UCBRS2;UCA0CTL1 &= UCSWRST; /串口0复位UCA1CTL1 &= UCSWRST; /串口1复位 IE2 |=UCA0RXIE; /串口0接收中断允许 UC1IE |=UCA1RXIE; /串口1接收中断允许串口数据格式为1位启始位，8位数据位，1位停止位，共10位。使用串口发送数据时，对串口发送缓冲寄存器赋值即可，硬件会自动用波特率时钟信号自动将缓冲寄存器中的数据送到发送移位寄存器，再一位一位的送到串行发送口上去。这个过程需要一定时间，长短取决于波特率大小。所以，如果是连续发送，两次发送间需有一定时间间隔。否则，如果上一个数据还没有被完全移出时，对寄存器赋值，后赋的值就会丢失。当需要连续发送数据时，可在两次发送间调用一次软件延时，延时时间只要比硬件完成发送的时间略长即可。也可查询发送完成标志位，发送标志位为0时原地等待，当发送标志位置位时，再发送下一个数据。或者允许发送完成中断，在串口发送中断服务程序中发送下一个数据。图4.6 串口发送程序流程图系统间的串口通信数据主要是子环境数据和控制数据。本系统模拟了两个房间的数据采集和控制，每个房间3个环境数据，3个控制数据。环境数据由底层向顶层发送，控制数据由顶层向底层发送。以247主系统和PC机通信为例，每次发送给PC机的数据为两个房间的共6个环境数据，为了区分不同房间的不同数据，每个数据前都有一个地址数据，这样每次需连续发送12个数据。两次发送间使用软件延时，延时时间刚刚略大于硬件发送数据所需时间。整个发送任务由一个发送函数UCA0T (void)完成：void UCA0T (void) UCA0TXBUF=134; delay(40); UCA0TXBUF=cur_temp0; delay(40);UCA0TXBUF=135; delay(40); UCA0TXBUF=cur_hum0; delay(40);UCA0TXBUF=136; delay(40); UCA0TXBUF=cur_light0; delay(40);UCA0TXBUF=144; delay(40); UCA0TXBUF=cur_temp1; delay(40);UCA0TXBUF=145; delay(40); UCA0TXBUF=cur_hum1; delay(40);UCA0TXBUF=146; delay(40); UCA0TXBUF=cur_light1;接收采用中断方式接收。接收中断服务程序根据地址将接收到的控制数据与对应的控制变量对号入座。#pragma vector = USCIAB0RX_VECTOR_interrupt void rx0_isr(void) pc_recive=UCA0RXBUF; /数据读取 if(pc_recive=134)pc_flag=1; /地址处理 else if(pc_recive=136)pc_flag=2; else if(pc_recive=144)pc_flag=3; else if(pc_recive=146)pc_flag=4; elseif(pc_flag=1) pcset_temp0=UCA0RXBUF; /数据处理 else if(pc_flag=2) pcset_light0=UCA0RXBUF; else if(pc_flag=3) pcset_temp1=UCA0RXBUF; else if(pc_flag=4) pcset_light1=UCA0RXBUF; pc_flag=0; 4.7 监控中心软件系统设计控制中心由PC机及软件来实现，因为PC机运行速度快、功能强、存储容量大、界面直观，满足作为控制中心和保存大批量数据的要求。由于VB语言语法简单，易学易用，可视化界面设计容易，因此选择.NET构架的Visual Basic 2008编程软件进行监控系统软件的开发。单片机编码的数据送到PC机，经解码送入数组保存并显示在主界面，同时能够绘制出实际环境变化曲线。系统每天0时自动载入当天24小的预设数据值，自动编码发送给单片机。该软件界面友好，易操作，参数设置方便快捷，可绘制出环境变化曲线，能够自动保存数据为TXT文件列表。图4.7 PC机软件系统主界面主界面如图4.7，功能如下：1、 显示选中房间的当前温度、湿度、光照状态，并在坐标系中绘出实时曲线。2、 可以通过在坐标系中画线实现预设各参数值，也可在“温度预设时刻表”中填写相应时间的值实现预设各参数值。3、 以分钟为单位显示当前各项预设值。4、 载入功能，加载以前的设置做为当前设置。5、 保存功能，将当前设置保存，可做为每天或指定日期的设置（在0点时系统自动加载当天的设置）。6、 每小时将实际数据保存为TXT文件列表。7、 调用其它窗口或切换为其它模式。可在主界面中点击“显示所有房间”复选框，显示当前各房间状态，如图4.8。关闭本窗口时退回主界面。图4.8 显示所有房间状态窗口图主设置界面（如图4.9）：本窗口可由主界面中“S”按钮弹出或右键菜单中的“设置”按钮弹出，可实现对软件系统的各项设置：1、 串口设置，软件会自动列出当前可用的串口供选择。2、 启动模式，包括正常、迷你模式、最大化、最小化四种模式。3、 房间数目，最大支持12个房间。4、 背景设置，选择用户喜欢的图片作为背景，支持GIF、JPG、BMP等图片格式。5、 颜色设置，包括温度、湿度、光照的预设曲线和实际曲线颜色的设置。6、 恢复为默认的设置。图4.9 主设置界面五、系统测试和整机指标1、 测试仪器与设备测试仪器和所需的使用设备见表5.1。表5.1 测试仪器和所需的使用设备序号名称、型号、规格数量1温度计0100 摄氏度 12湿度计13秒表14DT9025数字万用表15TDS2012数字存储示波器（100MHz、1.0Gs/s）12、 测试方法利用温度、湿度的物理测试仪，与本设计的测量数据进行比较，并以设定值作为控制目标，衡量本系统的控制精度和响应时间。3、 测试环境测试时间：2008年12月1日测试环境温度：12 天气状况： 阴转多云4、 指标测试表5.2 温度测试参数表测试序号设定值（单位：）控制终止 显示值（单位：）温度计测量值（单位：）控制输出 状态响应时间 （分钟）测量波动范围（单位：）1908990.5加热88922808081.0加热78813606060.5加热59614302931.0加热29315252425.0加热4024266202121.0加热1520217151515.0加热614168101110.5降温310119555.0降温836表5.3 光照测试参数表测试序号设定值（单位：lx）初始显示值（单位：lx）控制终止 显示值（单位：lx）控制输出 状态响应时间（秒）光照输出平衡范围（单位：lx）1304032关天窗1030342152816关天窗7151935166关天窗5594282关天窗404520522开天窗1220246402141开天窗1540447453248先开天窗后开照明灯645498504451灯亮度增加250549455147灯亮度减小3454910305132先关灯再关天窗53034整机指标：采集部分： 1、采集通道数：8路2、采集精度：10 位A/D 转换通讯部分： 1、传输信号电平幅度：-15V+15V2、传输线数目：2根控制中心部分：1、采集数据能完整被PC机显示，显示精度满足要求2、能将测量历史数据正确保存为TXT文本数据控制预设曲线与控制输出曲线基本吻合，满足控制要求，如图5.1，蓝色为预设值，红色为控制输出值。图5.1 24小时软件控制记录曲线六、总 结本系统根据题目设计的要求，对温度、湿度、光照强度、烟雾等环境参数进行了检测和显示，通过三种控制手段对温度和光照进行了闭环控制。其中温度控制通过MSP430单片机对继电器通断电来实现。光强控制通过自然采光和照明控制相结合精确控制，体现了节能设计理念。提供了多种工作模式供用户选择，智能化的分析和决策。具有功能强大的PC机控制界面软件，为用户提供了更全面的视角，更便捷、高效的管理手段，同时为用户节省了大量人力和能耗开支。系统功耗省、可扩展性强，具实际应用价值。系统也存在一些不足。例如，检测和控制功能还不是很全面；系统间通信方式和通讯距离有限。针对这些特点和不足，可在以下方面继续改进：1. 更多更全面的参数检测，更有效，更合理的控制输出。如可对空气成分进行监测，并加入通风控制，改善目标场所的空气质量。可加入视频监控，让用户获得目标场所的视频信息，实现楼宇安防控制等。2. 系统间通信可采用RS485代替RS232，以获得更远的传输距离，或者完全运行于局域网（Intranet），采用TCP/IP协议，实现各系统相互之间的互连。3. 利用可控硅等电力电子技术，实现弱电对强电的精确控制。4. 系统功能模块化，接口标准化：用户可根据需要，选择自己需要的功能，去除多余的功能，节省开支，使产品更具竞争力。开发方进行系统开发时只需对已有的硬件模块进行简单的连接，并调用对应的软件模块即可，简化开发与系统调试工作，节省大量开发费用投入，缩短开发周期，同时便于后期维护与系统升级。参考文献1 程大章. 智能建筑理论与工程实践J. 建筑电气，2004，23（z1）2 彭巨光. 建筑智能化系统结构剖析J. 低压电器，2007，103 陈一才. 大楼自动化系统设计手册M. 北京：中国建筑工业出版社，1994，2302704 戴汝为. 智能系统的综合集成M. 杭州：浙江科学技术出版社，1995，1281605 高素萍. 楼宇自控系统的专业化与系统集成J. 低压电器，2007，86 王维新. 智能建筑通信网络技术分析J. 西安文理学院学报（自然科学版），2005，37 林荣丰. 无线式火灾警报器P. 中华人民共和国国家知识产权局，实用新型，CN98204519.0，1998 8 森田阳介,小川靖洋. 火灾的判别方法、火灾警报器及火灾接收机P. 中华人民共和国国家知识产权局，发明专利，CN200710186495.1，20079 袁昌立. 智能建筑中基于网络的智能火灾报警系统设计J.中国水运，2006，1010 周爱农，张胜强. 浅议智能照明系统设计与楼宇自控BA之间的关系J. 智能建筑电气技术，2005，4(3)11 朱宽胜. 智能照明在现代楼宇中的应用J. 科技资讯， 2008，2412 王幸强. 南京图书馆智能照明控制系统设计J. 低压电器，2008，813 尹伟臣. 楼宇自动化控制在医院的应用与节能J. 科技资讯导报，2007，2314 文桂萍. 智能建筑的节能问题及对策J. 四川建筑科学研究，2008，34(1)附录遥控按键说明：1 房间切换键：选择用户需要进行操作的房间。2 模式切换键：选择当前房间的工作模式。3 显示切换键：选择当前房间显示的环境参数。4 菜单切换键：选择用户要进行的操作。5 +/ON操作： RC模式下的设定温度，湿度+1。HC模式下：（1）ROOF选项：打开/停止采光板。 （2）LIGT选项：增加照明灯亮度。 （3）HEAT选项：打开加热装置。6 -/OFF操作： RC模式下的设定温度，湿度-1。HC模式下：（1）ROOF选项：关闭/停止采光板。 （2）LIGT选项：减少照明灯亮度。 （3）HEAT选项：关闭加热装置。LED显示说明：1. L-XX：当前房间光强2. H-XX：当前房间湿度3. C-XX：当前房间温度4. RO.1: 当前房间为15. RO.2: 当前房间为26. PC.：当前房间当前模式为电脑控制的PC模式。7. RC.：当前房间当前模式为遥控控制的RC模式。8. HC.：当前房间当前模式为用户控制的HC模式。9. ST.C：当前房间RC模式下用户操作选项为温度预设。10. ST.L：当前房间RC模式下用户操作选项为光照预设。11. LIGT：当前房间HC模式下用户操作选项为照明灯调节。12. ROOF：当前房间HC模式下用户操作选项为采光井控制。13. HEAT：当前房间HC模式下用户操作选项为加热装置控制。25