CN107450434B - 一种基于二级网络的楼宇自控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二级网络的楼宇自控系统及方法，一级信息网络由独立的智能节点构成，采用有线传输的以太网络架构，具备了自识别、自组织、自协调的能力；二级控制网络直接面向现场各系统，采用433MHz的无线传感器网络架构，满足现场各系统的测控要求。本发明重点解决了各系统的信息传输的可靠性及系统集成过程中的设备增减等在线即插即用的具体问题，实现了楼宇控制网络的扁平化管理。

Description

一种基于二级网络的楼宇自控系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑智能化技术领域，尤其涉及一种基于二级网络的楼宇自控系统及方法。

背景技术

楼宇自控系统是智能建筑控制系统中内容最丰富、控制管理最复杂、智能设备最多的建筑智能化系统，是智能建筑最重要的组成部分之一。目前，市场上的楼宇自控系统大都采用分层结构模式，主要为现场总线拓扑结构，简单来说，主要可分为管理层、控制层、现场层。现有的楼宇自控系统普遍采用这种分级集成的系统架构，传感器、执行器都通过总线通信网络相连，系统中一旦有设备的加入或退出都要对相应的上层系统做出修改，对设备使用方和管理者都带来不便，比如需要定时对软件进行升级和新系统功能的重新定义。这种分级架构依赖整个系统中的每一个环节，特别是顶层处理器，并且需要收集全部信息后才能做出相应的分析计算和控制决策，这就使得系统的稳定性和效率难以满足某些特定应用的需要。

随着建筑内的应用数量和建筑规模的增长，对顶层的通信质量和计算能力都将提出更高的要求，而如果采用扁平化网络的系统架构和分布式的计算方式，则可以有效地解决上述问题实现信息的区域共享和快速响应等问题。所以，有必要从网络架构层面来考虑改变系统结构应对目前出现的难题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种基于二级网络的楼宇自控系统及方法，该系统及方法基于管理层的信息网与设备层的控制网组成的二级网络楼宇控制系统架构，信息网由独立的智能节点构成，采用有线传输的以太网络架构，具备了自识别、自组织、自协调的能力；控制网直接面向现场各系统，采用433MHz的无线传感器网络架构，满足现场各系统的测控要求。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

本发明公开了一种智能节点，包括：

数据接口：用于实现不同智能节点之间的数据通信；

无线模块：用于通过通信接口与设定区域内底层设备控制器建立无线通信；

标准数据集：对应楼宇设定区域内建筑环境或设备的设定参数数据列表；

控制模块：用于实现应用下载、删除，参数设置、参数查询、参数修改以及控制指令下发的功能列表；

所述控制模块与数据接口、无线模块和标准数据集分别连接。

进一步地，所述智能节点无IP地址，通过调用控制模块的参数设置功能列表设定智能节点的名称。

进一步地，通过设置不同的通讯频段，将不同的智能节点与设定区域内的外部设备进行关联。

本发明还公开了一种基于二级网\络的楼宇自控系统，包括：

一级信息网络和二级控制网络；

所述一级信息网络包括：通过网线进行信息传递的若干智能节点；每一个智能节点对应楼宇空间内的一个设定区域创建；所述智能节点采用权利要求1-3所述的任一种智能节点；

所述二级控制网络包括：底层设备控制器；

所述智能节点通过无线通信方式与对应的底层设备控制器通信，智能节点采集并存储底层设备的参数信息、向底层设备控制器下达控制指令。

进一步地，所述二级控制网络还可以包括：上位机；所述上位机直接访问与其关联的智能节点，并通过设置跳数的方式来访问直接关联智能节点的邻居节点，或者通过搜索智能节点的名称来直接访问相应的智能节点。

上位机通过调用智能节点的参数信息，实现对参数信息的显示和监控。

进一步地，所述一级信息网络中的各个智能节点之间相互平等，任何一个智能节点的加入或删除对整个系统都不产生影响。

进一步地，所述智能节点与底层设备控制器采用点对点的通信方式，智能节点与底层设备控制器通过设定相同的频率实现相互通信。

进一步地，智能节点与底层设备控制器之间采用“数据——确认”的通信方式；如果在设定时间t内收到正确的确认帧则认为通信成功，结束通信过程；否则，再次发送通信帧并等待确认；如果发送通信帧次数超过设定次数，并且最后一次发送通信帧超过时间t还没有收到确认帧，则认为通信失败，结束通信过程。

进一步地，当发送方有多条通信帧需要发送的时候，连续发送多条通信帧，收发节点双方能够并行处理多个通信帧。

本发明还公开了一种楼宇监控系统，包括：基于二级网络的楼宇自控系统和云平台；所述云平台与智能节点通信，实现数据的实时共享。

本发明还公开了一种基于二级网络的楼宇自控系统的实现方法，包括：

(1)构建楼宇自控系统的一级信息网络：

对应楼宇内不同的功能区域分别创建智能节点，各个智能节点之间相互平等，任何一个智能节点的加入或删除对整个系统都不产生影响；不同的智能节点之间通过网线连接实现通信；

(2)构建楼宇自控系统的二级控制网络：

通过设置不同的通讯频段，将不同的智能节点与对应区域内的底层设备控制器进行关联；

(3)各智能节点采集并存储本区域的底层设备的参数信息并实现设备信息监控，通过智能节点向设定区域的底层设备控制器发出控制命令，采用分布式计算的方式完成整个系统的任务。

本发明的有益效果：

本发明二级网络楼宇自控系统利用分布于空间中的各智能节点相互协作完成整个智能系统的控制决策功能，各节点利用分布式处理技术完成各项任务，可通过任一一个节点来访问整个系统。节点之间相互独立，能够实现任意节点的加入或删除对整个系统不造成影响，减轻了原来集成控制中央控制器的压力。

本发明二级网络楼宇自控系统解决了各系统的信息传输的可靠性及系统集成过程中的设备增减等在线即插即用的具体问题，任何设备的加入/剔出都不影响整个系统的运行，能够即插即用，实现了楼宇控制网络的扁平化管理。

本发明二级网络楼宇自控系统应用范围绝不仅仅限于建筑，除了建筑领域的空调控制、照明控制、节能诊断以外，还可以应用于其他多个领域如智能电网、智能交通、停车场管理等等。

附图说明

图1为本发明二级网络楼宇自控系统组成示意图；

图2为本发明二级网络楼宇自控系统结构示意图；

图3为本发明智能节点硬件框图；

图4为本发明智能节点与底层设备通信成功示意图；

图5为本发明智能节点与底层设备通信失败示意；

图6为本发明上位机界面示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一方面，本发明公开了一种基于二级网络的楼宇自控系统，如图1和图2所示，包括：一级信息网络和二级控制网络；

一级信息网络包括：通过网线进行信息传递的若干智能节点；每一个智能节点对应楼宇空间内的一个设定区域创建；

智能节点相当于一台多核的计算机，整体提供各种控制、管理、计算能力。每一个智能节点对应楼宇空间内的一个设定区域创建，智能节点之间通过网线实现各个节点之间的信息传递，构成整个楼宇自控系统的一级信息网络。

各智能节点是相互平等的，任何一个智能节点的加入或删除对整个系统都不产生影响，系统能自动识别网络的拓扑关系。

智能节点内置433MHz无线模块，智能节点可通过无线的方式来和对应区域内的底层智能设备进行通讯，完成数据采集、命令下达等功能。

智能节点无IP地址，但可以在其内置的数据表格中设定其名称(如房间号)，上位机可直接访问与其直接关联的智能节点，并通过设置跳数来访问直接关联的智能节点的邻居节点，也可以通过房间号来直接访问相应的节点。

二级控制网络包括：底层设备控制器和上位机；

智能节点通过无线通信方式与对应的底层设备控制器通信，智能节点采集并存储底层设备的参数信息、向底层设备控制器下达控制指令。

上位机直接访问与其关联的智能节点，并通过设置跳数的方式来访问直接关联智能节点的邻居节点，或者通过搜索智能节点的名称来直接访问相应的智能节点。

另一方面，本发明公开了一种智能节点，其结构如图3所示，包括：

数据接口：用于实现不同智能节点之间的数据通信；各个智能节点之间通过网线形式实现各个节点之间的信息传递。

无线模块：用于通过通信接口与设定区域内底层设备控制器建立无线通信；

智能节点内置433MHz无线模块完成智能节点与所对应区域的底层设备控制器的通信，433MHz无线模块采用TI公司的CC1101芯片，模块支持的无线频率是：400MHz～464MHz，此频率可以调整，不同的地理位置频率不同。与Zigbee协议所支持的2.4GHz的频率波段相比，该频率范围的频率较低，波长就相对较长，所以在这种频率下工作的芯片衍射效果要比工作在2.4GHz下工作的芯片要好，在楼宇内的传输距离要更远。

为了保证能和智能节点的433MHz模块通信，本发明采用433MHz点对点的无线通信方式，所述智能节点与底层设备控制器采用点对点的通信方式，智能节点与底层设备控制器通过设定433MHz模块相同的频率自动加入网络，彼此互不影响。

标准数据集：对应楼宇设定区域内建筑环境或设备的设定参数数据列表；

每个智能节点都包含了一套标准的数据集，数据集对应楼宇内建筑环境或设备的各种参数，如房间内的温度、湿度、设备的电量数据等等，底层设备上传的对应数据通过映射的关系到智能节点的标准数据集中。

控制模块：用于实现应用下载、删除，参数设置、参数查询、参数修改以及控制指令下发的功能列表；

智能节点具有计算、存储、信息收发等功能，智能节点内置操作系统协议，自带若干APP，APP定义为具有应用下载、删除、参数设置、参数查询等不同功能的列表，可通过APP触发帧调用这些APP以实现不同功能。

智能节点内置查询APP和修改APP，通过触发这两个APP能够实现信息采集、指令下发等功能，通过上位机软件合理利用采集到的信息，编写控制策略实现各种控制功能。

可根据需要自由连接各智能节点，支持即插即用，通过设置不同的通讯频段便可以将传感器、执行器、透传板等外部设备关联到不同的智能节点。

第三方面，二级网络楼宇自控系统的通信协议具体如下：

智能节点和设备之间规定了开放的通信接口协议，用户可以通过该协议触发执行APP。该协议默认有一些APP，可以帮助用户完成定义智能节点区域名称，定义用户权限，查询系统资源、运行状态、版本号等，以及下载、删除APP。通过协议规定的通信帧，可以触发这些内置APP，从而实现上述功能。协议规定了触发APP的过程以及当APP执行完成后，返回变量处理结果的通信帧和相应的处理过程。协议假设通信过程中智能节点与用户设备之间的物理链路层通信是可靠的，由双方共同采用的物理链路层协议规定。物理链路层可以采用串口等物理层标准，还可以采用其他通信方式，如RS485，Ethernet，各种无线通信标准等，只要能保证链路层的点对点可靠通信，应用层就可以采用本通信协议。

1、底层设备发送的数据通信帧格式如表1所示。

表1底层通信帧

需要注意的是：如果进行分片传输，需要用帧名称来判断分片是否属于同一个帧。相同通信帧的不同分片，帧名称相同，分片号不同。此外，如果通信内容不需要分片传输，即只有一个分片，则分片总数和分片号都为0x0001。

2、上层(智能节点)通信帧格式

上层应用帧共有3种类型，确认帧，数据帧，触发帧，如表2所示。

表2通信帧类型

各类应用层通信帧的帧格式定义如下：

(1)确认帧

当通信帧接收方正确接收到对方发来的正确通信帧后，回复确认帧。确认帧内容只包括对方通信帧的帧名称、分片号。具体格式如表3。

表3确认帧

(2)数据帧

数据帧由智能节点发出，通过数据帧将结果返回给用户设备。数据帧格式如表4所示。

表4数据帧

(3)APP触发帧

APP触发帧用于让用户设备通过通信帧，在APP允许此种触发方式的条件下，触发APP发起执行。发送方为用户设备，接收方为智能节点。帧格式如表5所示。

表5 APP触发帧

3、通信机制

本通信协议描述的通信过程发生在用户设备与智能节点之间。用户设备与智能节点之间通信机制一律采用“数据——确认”的通信方式。即在通信过程中，除确认帧以外的各种通信帧，都由发送方主动发起，并等待接收方的确认帧。如果在100ms内收到正确的确认帧则认为通信成功，结束通信过程，如图4所示；否则，再次发送通信帧并等待确认；如果发送通信帧次数超过3次，并且最后一次发送通信帧超过100ms还没有收到确认帧，则认为通信失败，结束通信过程，如图5所示。

需要注意的是：

1)以上通信过程描述是以一个通信帧的一个分片为基本对象描述的。当通信帧数据长度较大需要分片传输时，每个分片都按照上述方式通信。

2)当发送方有多条通信帧需要发送的时候，可以连续发送多条通信帧，收发节点双方可以并行处理多个通信帧，而不必串行处理。

为方便调试，通信模块的用户访问接口为UART接口，设置与串口1对应的CC1101的频率为418.6MHz，与智能节点中104号房间的CC1101频率对应。并通过串口调试助手打开对应的串口1，波特率设置为115200，数据位为8，无校验位，停止位为1，无流控。通过串口调试助手发送数据帧，上位机界面如图6。

本发明二级网络楼宇自控系统利用分布于空间中的各智能节点相互协作完成整个智能系统的控制决策功能，各节点利用分布式处理技术完成各项任务。节点之间相互独立，能够实现任意节点的加入或删除对整个系统不造成影响。

本发明二级网络楼宇自控系统可结合云计算、嵌入式技术、无线网络技术建立一种高效的楼宇监控系统，是一种更加灵活、快捷的监控方式。智能节点采集到的数据可以上传到云上进行存储，结合云计算技术实现数据的网络化管理和高效的分享，可利用嵌入式技术在该平台的基础上实现更多的楼宇自控相关的功能，如智能照明、智能空调的控制等。该平台可利用现有的无线网络技术实现更加高效快捷的可视化和在线的监控和管理。

该网络架构起源于建筑领域，但应用范围绝不仅仅限于建筑，除了建筑领域的空调控制、照明控制、节能诊断，还可以应用于其他多个领域如智能电网、智能交通、停车场管理等等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于二级网络的楼宇自控系统，其特征在于，包括：

一级信息网络和二级控制网络；

所述一级信息网络包括：通过网线进行信息传递的若干智能节点；每一个智能节点对应楼宇空间内的一个设定区域创建；所述智能节点包括：数据接口：用于实现不同智能节点之间的数据通信；无线模块：用于通过通信接口与设定区域内底层设备控制器建立无线通信；标准数据集：对应楼宇设定区域内建筑环境或设备的设定参数数据列表；控制模块：用于实现应用下载、删除，参数设置、参数查询、参数修改以及控制指令下发的功能列表；所述控制模块与数据接口、通信接口和标准数据集分别连接；所述智能节点无IP地址，通过调用控制模块的参数设置功能列表设定智能节点的名称；所述一级信息网络中的各个智能节点之间相互平等，任何一个智能节点的加入或删除对整个系统都不产生影响；

所述二级控制网络包括：底层设备控制器；所述智能节点通过无线通信方式与对应的底层设备控制器通信，智能节点采集并存储底层设备的参数信息、向底层设备控制器下达控制指令；所述智能节点与底层设备控制器采用点对点的通信方式，智能节点与底层设备控制器通过设定相同的频率实现相互通信；

所述二级控制网络还包括：上位机；所述上位机直接访问与其关联的智能节点，并通过设置跳数的方式来访问直接关联智能节点的邻居节点，或者通过搜索智能节点的名称来直接访问相应的智能节点；智能节点内置查询APP和修改APP，通过触发这两个APP能够实现信息采集、指令下发功能，通过上位机软件合理利用采集到的信息，编写控制策略实现各种控制功能；可通过设置不同的通讯手段将外部设备关联到不同的智能节点；

智能节点和设备之间规定了开放的通信接口协议，用户可以通过该协议触发执行APP；通过协议规定的通信帧，可以触发这些内置APP；协议规定了触发APP的过程以及当APP执行完成后，返回变量处理结果的通信帧和相应的处理过程；智能节点与底层设备控制器之间采用“数据——确认”的通信方式；如果在设定时间t内收到正确的确认帧则认为通信成功，结束通信过程；否则，再次发送通信帧并等待确认；如果发送通信帧次数超过设定次数，并且最后一次发送通信帧超过时间t还没有收到确认帧，则认为通信失败，结束通信过程。

2.一种楼宇监控系统，其特征在于，包括权利要求1所述的基于二级网络的楼宇自控系统，云平台；所述云平台与智能节点通信，实现数据的共享。

3.一种如权利要求1所述的基于二级网络的楼宇自控系统的实现方法，其特征在于，包括：

(1)构建楼宇自控系统的一级信息网络：

对应楼宇内不同的功能区域分别创建智能节点，各个智能节点之间相互平等，任何一个智能节点的加入或删除对整个系统都不产生影响；不同的智能节点之间通过网线连接实现通信；

(2)构建楼宇自控系统的二级控制网络：

通过设置不同的通讯频段，将不同的智能节点与对应区域内的底层设备控制器进行关联；

(3)各智能节点采集并存储本区域的底层设备的参数信息并实现设备信息监控，通过智能节点向设定区域的底层设备控制器发出控制命令，采用分布式计算的方式完成整个系统的任务；智能节点内置查询APP和修改APP，通过触发这两个APP能够实现信息采集、指令下发功能，通过上位机软件合理利用采集到的信息，编写控制策略实现各种控制功能；

(4)智能节点和设备之间规定开放的通信接口协议，用户可以通过该协议触发执行APP；通过协议规定的通信帧，可以触发这些内置APP；协议规定了触发APP的过程以及当APP执行完成后，返回变量处理结果的通信帧和相应的处理过程；智能节点与底层设备控制器之间采用“数据——确认”的通信方式；如果在设定时间t内收到正确的确认帧则认为通信成功，结束通信过程；否则，再次发送通信帧并等待确认；如果发送通信帧次数超过设定次数，并且最后一次发送通信帧超过时间t还没有收到确认帧，则认为通信失败，结束通信过程。

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