基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統研究

摘 要：常規的智能樓宇自控系統以分散控制為主，系統響應時間較長，影響樓宇自控的實時性。因此，本文設計了基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統。在硬件方面，設計了嵌入式DDC控制器與JTAG調試器。在軟件方面，設計了智能樓宇自控設備運行數據管理層，以中央工作站、用戶終端為自控主程序，調用智能樓宇設備運行狀態參數同步函數，實時更新樓宇設備運行狀態，進行自控數據管理?；贒DC編寫樓宇自控服務程序，利用Java Bean一次性、任何地方執行和任何地方重用的優勢，滿足智能樓宇自控服務需求。系統測試證明，本文系統的運行性能更佳，能夠應用于實際生活中。

關鍵詞：嵌入式DDC控制器；智能樓宇；自控系統

中圖分類號：TP 311" " " " " 文獻標志碼：A

樓宇自控是將樓宇中電梯、水泵、風機和空調等設備進行在線監控與管理的過程。采用設置傳感器、開關和光電控制等方法實時監測設備的工作狀態、運行狀態，為室內提供更舒適的環境[1-2]。為了提高樓宇的自控性能，相關研究人員研發了多種自控系統。其中，基于FMEA的智能樓宇自控系統利用失效模式與影響分析，對樓宇弱電項目進行改造控制，并分析和評估系統設備在安裝和使用過程中可能出現的失效模式及其影響，制定針對性的質量控制和改進方案。但是，該系統沒有充分考慮潛在的失效模式，會影響樓宇自控的安全性。基于微服務架構的智能樓宇自控系統，主要利用微服務架構，將智能樓宇自控系統劃分為多個獨立的服務模塊，每個模塊具有不同功能，同時，每個微服務模塊還設置了獨立的數據庫，降低了系統的維護成本，提高了開發效率。但是，微服務架構涉及多個獨立部署的服務，運維工作較復雜，需要權衡運行性能與可維護性間的關系。因此，本文結合嵌入式DDC控制器的優勢，設計了智能樓宇自控系統。

1 硬件設計

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研究中，硬件設計是系統實現的基礎，其中比較關鍵的是嵌入式DDC控制器設計，下文將對嵌入式DDC控制器進行深入探討。

1.1.1 控制器核心

DDC控制器的核心是微處理器（Microcontroller Unit，MCU），它負責接收傳感器傳來的電信號，進行模數轉換（Analog-to-Digital Converter，ADC），執行控制算法，并輸出控制信號[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接口等因素的條件下，本文選擇STM32系列微處理器。它具有強大的Cortex-M內核處理能力、靈活的低功耗管理、多樣化的封裝選項、豐富的外設接口（包括模數轉換（ADC）、數模轉換（Digital-to-Analog Converter，DAC）和通信接口等）以及全面的軟件開發支持，是構建基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統的理想選擇，能夠滿足復雜控制算法、實時數據處理以及與外部設備進行高效通信的需求。

1.1.2 電源管理

控制器采用AC22-26V的工作電壓，同時內置電源管理模塊，以保證在不同電壓波動下穩定工作。此外，為了應對突發停電情況，控制器還自帶一塊Lithium CR1220、3 V的電池作為備用電源，以維持關鍵數據的存儲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）：控制器支持多個模擬輸入通道，用于接收來自溫度、濕度和壓力等傳感器的電信號。這些信號經過ADC轉換后，成為控制器可以處理的數字信號。

開關輸入（Digital Input，DI）：控制器提供多個DI通道（例如DI1、DI2、DI3和 DI4），用于接收來自開關、按鈕等設備的狀態信號。這些信號通常為常開節點，當設備被激活時，節點閉合，并向控制器發送信號。

開關輸出（Digital Output，DO）：控制器具有多個DO通道（例如DO1～DO6），用于控制樓宇中的燈光、空調和風機等設備。DO通道可以輸出高電平或低電平信號，以驅動外部繼電器或執行器。

模擬輸出（Analog Output，AO）：控制器提供AO通道（例如AO1、AO2），用于將控制信號輸出到執行器，例如調節閥、變頻器等。這些信號經過DAC轉換后，成為模擬信號，用于精確控制設備的運行狀態。

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的其他部分進行數據傳輸和交換，使控制器能夠接入樓宇管理系統（Building Management System，BMS），進行遠程監控和控制。

1.1.5 抗干擾設計

為了應對樓宇環境中可能存在的電磁干擾和噪聲，控制器在硬件設計上應采取抗干擾措施，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 散熱設計

考慮控制器在長時間運行過程中可能會產生熱量，需要進行散熱設計，例如使用散熱片、風扇等散熱元件，以保證控制器穩定工作。

1.1.7 可編程性

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

綜上所述，嵌入式DDC控制器的設計涉及多個方面，包括核心微處理器、電源管理、輸入/輸出接口、通信接口、抗干擾設計、散熱設計以及可編程性等。這些設計細節共同構成了控制器的基礎架構，為智能樓宇自控系統提供了有力支持。DDC控制器相關技術參數見表1。

DDC采用微機控制技術，將樓宇中溫度、濕度、壓力和狀態等輸入預制程序中，完成控制任務。

1.2 JTAG調試器

JTAG調試器是為嵌入式DDC控制器服務的硬件，采用JTAG協議對各類元件進行邊界掃描[5]。將Select-DR-Scan作為臨時中間狀態，控制測試訪問端口（Test Access Port，TAP）進入DR掃描鏈。JTAG結構如圖1所示。

在圖1中，JTAG調試器采用JTAG協議，在嵌入式DDC控制器調試中，通過TDI（測試數據輸入）、TMS（測試模式選擇）、TCK（測試時鐘）和TDO（測試數據輸出）這4個主要信號以及可選的TRST（測試復位）信號對元件進行邊界掃描。TDI用于輸入測試數據，TMS用于控制測試狀態機的轉換，TCK用于提供同步時鐘信號，TDO用于輸出測試結果，TRST用于復位JTAG接口。

2 軟件設計

2.1 智能樓宇自控設備運行數據管理層設計

以中央工作站、用戶終端為自控主程序，調用智能樓宇設備運行狀態參數同步函數[6-8]，實時更新樓宇設備運行狀態，從而實現自控數據管理。樓宇設備運行負荷如公式（1）所示。

Q=K?M?（T1-T2） （1）

式中：Q為樓宇設備運行負荷；K 為與樓宇設備特性、系統配置等相關的綜合常數，它反映了在特定的樓宇設備和系統條件下，流量、溫差與設備運行負荷間的比例關系；M為流量；T1為回水總管溫度；T2為供水總管溫度。

在自控設備運行的過程中，自動化控制決策如公式（2）所示。

y=s（wTx+b） （2）

式中：y為智能樓宇輸出的運行數據；s為自動化控制函數；w為環境向量；T為溫度向量；b為參數向量；x為輸入向量。

在數據管理層中，對運行數據進行處理，如公式（3）所示。

z=（x-u）/δ （3）

式中：z為標準化數據；u為均值；δ為標準差。

在智能樓宇自控系統中，分析各類運行數據間的潛在關系，如公式（4）所示。

（4）

式中：r為皮爾遜相關系數；xi、yi分別為第i個輸入向量、第i個輸出向量；、分別為x、y的均值。

當r＞0或r＜0時，運行數據間存在正相關或負相關關系，能夠根據相關情況，判斷樓宇設備的自控情況。

在實際應用中，系統實時采集流量、溫度等關鍵設備運行數據，運用公式精確計算設備運行負荷。并根據環境、溫度和用戶輸入等參數做出自動化控制決策，同時對原始數據進行標準化處理，以便進行深入分析。利用皮爾遜相關系數揭示數據間關聯，對樓宇設備狀態進行全面監控與即時調整，保證樓宇運營既高效，又舒適。

2.2 基于DDC的樓宇自控服務程序編寫

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

//[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；[2]為初始化DDC控制器連接；[3]為數據庫連接；[4]為初始DDC控制器連接函數；[5]為建立DDC控制器與通信協議的連接；[6]為使用BACnet或Modbus協議；[7]為初始化數據存儲函數；[8]為連接到數據庫或數據倉庫；[9]為從DDC控制器采集數據；[10]為將數據存儲到數據庫中；[11]為根據設備ID和控制命令控制設備；[12]為進入主循環，持續運行；[13]為等待1 s，進而重復循環。利用Java Bean一次性、任何地方執行和任何地方重用的優勢，滿足智能樓宇自控服務需求。

3 系統測試

為了驗證本文設計的系統是否滿足智能樓宇自控需求，需要對上述系統進行測試，對基于FMEA的系統、基于微服務架構的系統以及本文基于嵌入式DDC控制器的系統進行比較。具體的測試過程和測試結果如下所示。

3.1 測試過程

本次測試在M數字大廈進行。根據該建筑的自控需求，自控系統建設包括冷源系統、空調系統、新風系統、排風系統、給排水系統和變配電系統等方面，建筑形式更舒適、安全。

在測試過程中，實時采集樓宇設備的運行數據，利用公式（1）計算設備運行負荷，運用公式（3）對運行數據進行標準化處理，以便進行深入分析。在該基礎上，采用Ethernet網控制樓宇各個設備，根據公式（2）做出自動化控制決策。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的送風溫度存在異常增加的情況，其余為正?，F象。調整上述異常風機的送風溫度，使其滿足樓宇送風需求。

3.2 測試結果

在上述測試條件下，比較基于FMEA的系統性能、基于微服務架構的系統性能以及本文設計的基于嵌入式DDC控制器的系統性能。測試結果見表3。

由表3可知，本文進行了系統響應速度測試、大規模并發測試、數據處理能力測試和擴展性測試。在響應測試方面，模擬了3種用戶請求，響應時間在200 ms以內，即可保證響應性能滿足系統需求。100個用戶同時訪問系統，無崩潰或延遲問題，能夠滿足穩定運行的需求。在數據處理方面，能耗數據、環境數據等數據處理時間在5 min以內，數據準確率高于90%，能夠滿足樓宇自控需求。在擴展性測試方面，用戶數量、樓宇規模均增加1倍，系統性能仍能保持正常，CPU占用率低于50%，能夠滿足系統的運行需求。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、基于微服務架構的智能樓宇自控系統后，系統的各個性能均存在一定弊端，會影響樓宇自控需求。而使用本文設計的基于嵌入式DDC控制器的智能樓宇自控系統后，系統的各個性能均能滿足實際需求，符合本文研究目的。

4 結語

現代建筑建設離不開智能技術，智能樓宇自控系統更是保證建筑舒適、安全環境的重要元件。嵌入式DDC控制器具有高效、靈活、智能化的優勢，在各類建筑中具有廣泛應用。因此，本文利用嵌入式DDC控制器設計了智能樓宇自控系統。從控制器、調試器2個方面完成硬件設計，并從管理層、服務程序2個方面，輔助硬件完成樓宇自控服務。采用嵌入式DDC控制器的集成控制對樓宇環境進行實時調整，從真正意義上滿足人們的生活與生產需求。

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