基于一线总线和温度传感器DS18820实现智能建筑温度测试系统设计

1、引言

智能建筑是建筑技术与通信、计算机、控制等技术相结合的产物，楼宇自动化系统（BAS）是智能建筑的重要组成部分，它综合传感、计算机、控制和信息等技术，对建筑物的空调、电力、电梯、给排水、防火、防盗和视频监控等设备实行综合自动管理，具有安全保护、实时监控等功能。温度测试系统是楼宁自动化中设备监控系统的主要子系统，主要用于测试智能建筑中不同区域的温度，为智能建筑的空调系统和给排水系统的控制和调节提供数据。

2、一线总线器件及系统硬件设计

智能建筑温度测试系统要求的测温范围为-40℃～120℃，误差为±1．5℃。其中智能建筑内外部环境的测温范围为－40℃～45℃；通风道测温范围为－30℃～120℃；水管内水温测温范围为O℃～100℃；根据各区域所需冷暖热量的多少调节冷热水量及空调送风量，实现建筑节能。综合上述测温范围及系统实现的可行性，选择基于一线总线的数字温度传感器DS18820实现温度测量。采用DALLAS公司的一线总线通信协议，所有与测量主机的数据通信均通过一条数据线实现双向数据传输。系统使用单一主机控制一个或多个从属器件，所有主从器件通过漏极开路或三态端口连接到数据总线，每个器件在不发送数据时释放总线。

2．1 DS18820简介

DS18820是一款可组网的数字式温度传感器，支持直接数字输出，零功耗等待，无需外部调理电路，结构简单，可靠性高。适应电压范围在3．0～5．5 V，在寄生电源方式下可由数据线供电；双向通讯通过单总线接口串行方式实现；通过编程可直接读出 9～12位分辨率的数字温度值，对应转换时间为93．75～750 ms，对应温度分辨率为0．5℃～0．062 5℃；温度测量范同为－55℃～125℃，其中－10℃～85℃之间测量精度可达±0．5℃；64位全球唯一编码保证联网可靠寻址。DS18820的内部结构如图1所示。图1中D0为数据输入／输出端，该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。VDD是外部+5 V电源端，不用时接地。

2．2 系统硬件设计

测量主机的总线接口卡采用一线总线指令卡，指令卡一侧接主机USB端口，另一侧向现场提供总线。指令卡从USB接口获取电流，向总线上所有微功耗组件统一供电，避免不同信号源和电源共处一个系统中的交互影响，提高系统抗干扰能力。通过把USB端口转化为虚拟串口实现主机和总线的通讯，使用标准串口编程实现总线数据读写。一线总线技术使用分度号定义传感器。指令卡把已处理信号和对应分度号、通道号送入主机实现数据实时显示和存储。DS18820的引脚DQ接一线总线数据线，VDD和GND引脚接总线地线，总线与一线指令卡对应的DQ、GND接线端相连。由于温度信号实时性要求较低，采用数据总线供电（寄生供电）方式，VDD端无需接外部电源，DS18820从数据总线取电。

3、系统软件设计

软件主要实现计算机与指令卡的数据通讯和实时显示、存储。首先注册登记要使用的温度传感器，将传感器信息与分度号对应保存到指令卡中，同时，分配每个传感器的通道号。程序运行中可随时增减传感器的数目。根据硬件的实际连接情况确定传输数据的虚拟串口，接收现场返回的温度数据，对该数据的操作包括实时趋势曲线显示、历史数据保存和重现等。设计程序由VB实现，采用ActiveX控件iPlotX实时显示趋势曲线。温度采集流程如图2所示。

图2中，初始化包括设置虚拟串口号、数据保存间隔。同时，由于温度是缓变信号，应综合系统控制需求合理设置采样间隔。初始化完成后，打开虚拟端口，读取指令卡数据。此时，如果传感器未在指令卡上登记分度号和通道号，则需进行登记，同时需更改硬件连接。DS18820的DQ接指令卡REG口，指令卡自动读取分度号、分配通道号并保存：如果主机中已保存指令卡数据信息，则可直接将其下载到指令卡中。指令卡中保存以分度号区别的各传感器种类和以通道号区别的传感器个数，下达采集指令后，通过一线总线获得各传感器的温度数据。使用iPlotX控件画图时，可根据指令卡中传感器数目使用AddChannel方法动态增减通道数目，并使用不同颜色曲线标识不同通道数据。趋势曲线监控的同时，后台根据初始化设置的存储时间间隔将温度数据保存至Ac-cess数据库，作为历史数据以供查询需要。图3为两通道DS18820采集温度数据的实时曲线。

4、系统构建中的注意点

总线上传输的数字数据是在传感器中通过A／D转换完成的，需一定的转换时间，因此要合理设置采样间隔。同时，由于采用串行数据传送，连接DS18820的总线电缆有长度限制。若将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆，正常通讯距离可达150 m，在采用DS18820设计长距离测温系统时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。测温电缆线采用屏蔽双绞线，一对接地线与信号线，屏蔽层在源端单点接地。

5、结论

一线总线使用户可方便地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。测温范围和精度完全满足智能建筑温度测量的需要，可提供环境温度控制的实时数据，保证建筑物的舒适性和节能性。责任编辑：gt