微控制器在楼宇自动化系统中的应用介绍

楼宇自动化超越便利;它引入了一种全新的方式来提高我们生活各方面的效率。因此，它将被视为在辅助生活，个人和财产安全以及能源效率方面必不可少的。当然，这个概念比物联网要长得多，但它可以说是最近的趋势，如物联网和大数据，再加上公用事业分布中更为成熟但同样进步的发展 - 智能仪表授权 - 将提供理想的背景将智能建筑提升到一个新的水平。

已建立的技术

在将所有连接的想法变为现实之前很久，数据已在建筑物内的服务之间共享，以协调和控制它们。这些楼宇自动化系统（BAS）在过去三十年中不断发展;从可能难以扩展或维护的不同的，定制的解决方案，到基于引起互操作性的行业标准的系统。

因此，虽然可能仍然没有确定的范例，但现在这种系统显示出越来越常见的拓扑结构;建筑物管理系统位于建筑物控制系统的上方，后者又监督将监视多个终端节点的区域控制器。这种层次结构决定了对通用网络基础设施和协议的需求。物理接口可以在各个层之间变化;以太网在BMS级别可能很普遍，而诸如ZigBee和蓝牙等低成本和低功耗无线协议正在成为节点级别的最爱之前也就不足为奇了。

然而，BAS具有来自每个“参与者”的特定需求，因此，他们需要能够以一致且可靠的方式进行通信。为了实现这一目标，业界已经在很大程度上标准化了BACnet协议，该协议能够在各种有线或无线连接上运行。 BACnet标准定义了通过以太网，RS-485，RS-232和其他协议标准（包括ARCNET和LonTalk）进行通信的方式，以及支持Web服务（如UDP，IP和HTTP）的协议。因此，它实际上已经成为贯穿BAS的各个层的共同线程。

重要的是，BACnet同样位于大型应用处理器的家中，因为它位于低功耗微控制器上，这意味着它可以部署在最小的节点中。

传感器节点

可以将BACnet功能添加到一系列微控制器，例如基于Cortex-M3内核的微控制器，甚至更简单的8位设备，如Atmel的AVR ATMega644P系列。该器件的核心提供32个通用8位工作寄存器，所有这些寄存器都直接连接到ALU（图1），它构成了开源BACnet开发套件的基础（参考文献1）。 p>

除了在20 MHz下提供高达20 MIPS的RISC内核外，ATMega644P还提供一系列外设，可用作BAS中的节点设备，例如六个PWM通道和一个8通道10位ADC，以及许多串行接口（图2）。这将使其在监视访问或占用的节点中有用，例如，本地计算需求相对较低的情况。

图1：ATMega644P RISC内核提供32个直接连接到ALU的8位通用寄存器。

图2：ATMega644P提供了许多外围设备，可以在楼宇自动化系统中配置为传感器节点。

对于需要更多本地处理的应用，可能需要更强大的MCU。

在这种情况下，类似ADI公司的ADuCM360可能更合适。它基于ARM Cortex-M3内核，具有更强大的内核，但更重要的是，它具有更复杂的混合信号模块，如图3所示。

图3：ADI公司的ADuCM360集成了精密数据采集系统和ARM Cortex-M3内核。

采用双通道24位ADC，可支持6个差分或11个单端输入通道。它还具有可编程传感器激励源，专为包括自动化和过程控制以及智能传感器系统的应用而设计。数据采集系统可以达到3.9 k样本/s，并且可以直接连接到电池供电应用中的精密传感器。片上固件支持串行接口的在线编程，并且还支持UART非侵入式仿真。

显示技术

随着楼宇自动化系统变得越来越复杂，周围的节点也越来越复杂;从简单，不显眼的传感器到旨在与人们更直接互动的设备。这引入了对MCU的额外要求，例如与显示器接口或驱动显示器的能力，可能具有某种形式的用户界面，例如电容式触摸传感。与其他传感器接口的需求将增加，在节点本地执行更复杂的预处理的需求也会增加。

所有这些都指向更强大的MCU，ARM一直在培养这种功能。其Cortex-M技术的形式。 Cortex-M系列的最新成员是Cortex-M7内核，也是第一款面向市场推出的器件，是STMicroelectronics的STM32F7系列。核心代表了Cortex系列的重大发展;它提供具有动态分支预测的六级双发布流水线，并支持一组DSP指令，可提供更高效的信号处理和复杂的算法执行。还包括单精度浮点单元，但核心仍与Cortex-M4系列二进制兼容。图4显示了STM32F745xx和STM32F746xx系列的框图。

图4：ST的STM32F745xx和STM32F746xx系列的框图。

除核心外，ST还集成了LCD-TFT显示控制器，可直接连接各种LCD和TFT面板，分辨率高达XGA（1024x768）。为了补充核心的功能，ST还增加了自己的Chrom-ART加速器;图形加速器，提供高级位，blitting，行数据复制和像素格式转换。还包括数码相机接口，能够通过8位至14位并行接口与CMOS传感器和相机模块连接，以接收视频数据。该接口可在54 MHz下维持高达54 Mbyte/s的数据传输速率。

结论

楼宇自动化的概念已存在多年，因此它代表了技术与终端市场之间的协同作用。随着技术的发展，概念也在不断发展，现在，随着物联网的发展，智能建筑的潜力正在快速增长。随着由MCU启用的节点变得更加“智能”，消费者将从更安全和有益的自动化水平中受益，这反过来将产生更大的需求。

然而，也许不典型的是，它仍然是一个可以利用更成熟的MCU的领域; 8位设备仍然在BAS节点中占有一席之地，而基于尖端核心的最新设备无疑将成为一种流行的节点解决方案，可提供更好的用户体验。