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1 楼宇测控网点及其节点
楼宇或智能小区测控网络是家庭或建筑物内部各种测量控制设备、家用电器、公用设施、安全防卫设备等作为节点而形成的控制局域网，用以在小范围内实现信息传输与网络节点集中监控管理。一般采用专用网络或现场总线技术，如Lonworks、CAN、BACnet等。随着人们对网络的应用需求与日俱增，对此类测控网络的应用功能要求也在不断增长。身在办公室的人们希望操作家中的微波炉、清点家中电冰箱内的储物现状，接收安防系统的报警信号并查看家中的安防设备的工作状态，小区物业管理人员希望在值班室随时监视供水、供电、供热、消防、安保系统的状况，维修人员希望对电梯实行远程故障诊断与维护等。这些应用需求促使测控网络进一步拓展其作用的地域范围。因而测控网络与互联网这一世界上最大的网络信息资源结合，成为首选的解决之道。技术开发人员正致力于让这些测控网络能方便地挂接在Internet上，或让家用电器之类的各种节点设备能直接成为互联网上的成员，甚至将Web服务器功能集成在测控节点之中，使其成为Internet上具有网络信息发布能力的Web节点。基于Web技术的测控应用节点应运而生。

Web技术又被称为互联网技术，这也是Word Wide Web中网络与数字通信技术的俗称。按ISO开放系统互连参考模型的分层结构，它包括有通信模型中物理层与数据链路层的以太网技术；网络层的网际互连协议IP；传输层的传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP；会话层至应用层的简单邮件传送协议SMTP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、虚拟终端TELNET等，即把以太网和TCP/IP协议族紧密的捆绑在一起，再加上超文本链接HTTP、动态网页发布与网络浏览等。

现代楼宇中涉及多种网络：电话网、有线电视网、计算机网、控制和监测网。而在智能大厦中基于以太网的办公网络往往遍布各个楼层，测控节点也分布于楼内外各处。如能使这两类网络合二为一，将测控信息融入以太网，将会给楼宇或小区的设计布线安装维护带来诸多方便，也给楼宇管控一体化提供了基础条件。开发基于Web技术的楼宇测控应用节点，使其按以太网接入方式直接与计算机网络挂接，甚至成为Internet上的合法成员，便可方便地借助网络对测控节点实现远程监视操作、诊断维护。

本文以作者自行开发的小区公用设备监控系统中基于Web技术的楼宇测控应用节点为例，介绍其产品开发中的相关技术。在望京某住宅小区公用设备监测系统中，作者采用基于互联网技术的楼宇智能节点，组成了公用设备监控系统。该小区由9幢高层住宅楼组成，每幢楼都有生活供水系统、配电系统、供暖系统、和消防系统需要进行检测，由于整个小区已经接入了宽带网，因此可以很方便地运用其已有的网络系统，对公用设备实现基于互联网的监控。

2 测控网络中公用设备监控系统的应用功能
小区公用设备监控系统主要包括以下几个部分：
1）生活供水系统：用于检测生活水泵运行状态（继电器干触点输入）、蓄水池高水位报警（干触点输入）、低水位报警（干触点输入）、污水池高水位报警（干触点输入）。
2）配电系统：用于检测配电盘开关状态（干触点输入），输入电压值和电流值（模拟量输入）。
3）供暖系统：用于检测热水进水温度（模拟量输入），热水回水温度（模拟量输入），膨胀水箱高位报警（干触点输入），膨胀水箱低位报警（干触点输入）。
4）消防系统：用于消防蓄水池高水位报警（干触点输入）、消防蓄水池低水位报警（干触点输入）、检测正压风机运行状态（干触点输入）、敲击开关状态（干触点输入）。
监测系统除了具有信息采集和实时显示的基本功能外，还需要对各种监测数据实行集中存储、备份；对状态越限实行报警，及时通知管理人员采取相应措施；满足对历史数据实行查询、统计、报表等功能要求，并能对如节点位置、IP地址、密码等系统参数进行统一设定和维护。

图1为小区公用设备监控系统框图。图中各楼分系统的楼宇智能节点均通过接入楼内的以太网，最终与中心计算机相连，管理人员通过中心的监控计算机可以随时察看现场的每一个节点中的数据，了解到整个小区的设备运行状况。此外，在需要时还可以通过互联网直接访问小区数据库，甚至可以直接访问某一个节点。为方便管理人员查询，每个楼宇智能节点都被编程为具有Web服务器的监测节点，这样，管理人员不用预装专用的检测软件，就可以通过以太网浏览各个节点的信息，从而降低了系统的成本，同时还可以有效的提高系统维护的效率，提高物业管理水平。

3 测控网络中的专用与通用节点
测控网络中智能节点是智能楼宇或智能小区中最基本的测控单元，它直接与传感器或执行器相连，通过网络通信与其它智能节点或计算机相互交换信息，产生相应的信息或动作，如产生报警信息、打开执行器等。即把楼宇智能节点定位于楼宇或小区控制的最底层。每个节点都应具有一定的通信能力，依靠在节点之间、节点与其它网络设备或监控计算机之间的数据通信，组成一个具有完整功能的测控系统。在产品开发中，一般将智能节点分为专用节点和通用节点两大类。

专用节点是指具有某一特定功能的节点，它们的软、硬件设计围绕着一个特定的应用，并且往往是和传感器、执行器集在一起作为一个统一的节点产品。它的功能相对独立，不易修改。例如由两个温度传感器、一个流量传感器和CPU组成的热能表就是一个典型的专用节点。其中CPU除了负责采集处理温度和流量信号，最终计算出所使用的热能值外，还要负责数据通信的有关处理。该节点功能专一，其最基本的功能就是计算并提供热能值。因而设计中各部分都围绕着计算并传输热能值的功能进行，一旦程序固定，用户只能接受现有的功能。它只能连接固定的接口设备，I/O接口均已固定，不支持其它物理量的输入，一般也不容许传感器的参数变动。例如，如果温度传感指定的是Pt1000型铂电阻，那么就不能用Pt1000型的铂电阻所代替。因此相关的产品往往出自专业的制造厂家。

通用节点是指可根据应用需要，灵活配置功能的节点。其软、硬件设计适合按现场要求来设定节点功能。它们一般和传感器、执行器分离。用户可以根据实际需要在一定范围内选用不同类型的传感器或执行器。由于现场安装的实际需要，通用楼宇智能节点的I/O接口一般为2到8个通道。

通用智能节点功能变化性较强，作为一个通用节点，它的每一个输入或输出通道所代表的意义或执行的动作在安装前是不确定的，需要根据用户所连接的具体设备来配置其通道功能，因而各节点功能的差异很大。

由于现场设备的多样性，通用楼宇智能节点的I/O接口应该能适合不同的输入/输出量，例如对开关量输入，应该既能够允许干触点输入，又允许有源触点输入；对模拟量输入，需要通过某些参数设置，来满足电流或电压输入的不同幅度要求。通用楼宇智能节点一般由测控设备厂家或OEM厂家提供，最终由产品或系统集成商完成系统配置和调试。

通用节点的硬件一般比较稳定，但软件变化较大。只要硬件接口能够满足一定规范，就可以适应大多数的应用场合。硬件调试稳定后若没有机械结构或其它特殊原因需要调整，那么其总体结构就不用改变。而软件则不同，由于应用场合千变万化，随着应用需求和解决方案不断的扩展、新算法的提出等原因，为适应不同的需求，往往需要调整软件或修改参数设置，以提供具有更好的产品。
图1中的系统采用了通用节点的设计方案，在供水、供电、供暖、消防子系统中都采用了同一种通用节点。

4 通用节点的核心芯片IP2022
经过仔细的分析和挑选，作者在通用节点的设计中最终确定了选用UBICOM公司的单片机IP2022TM作为核心芯片，它在具有强大网络通讯功能的同时，还具有一定的I/O处理能力，很适合作为楼宇智能节点的核心芯片。
IP2022包括了组成单片机应用系统所需要的绝大部分资源--主运算单元（CPU）、程序和数据存储器、通用定时器、多种网络通讯接口、模/数转换器和通用I/O接口等，用户只需要加入少量外围电路就可以实现所希望的应用系统。用做楼宇智能节点的主芯片时，测控I/O的通道数量不多，逻辑功能简单，资源需求也不会很大，所以只需要一片IP2022单片机，加上电平转换、功率转换器件等接口，便可组成结构简单的楼宇智能节点。

IP2022单片机的一个最突出的优点就是在硬件上支持多种通讯协议，尤其是对以太网的支持，使它具有网络处理器的美称。IP2022上有两个全双工的串行控制器（SER/DES），它们都可以支持10Base-T Ethernet、USB1。1、SPI、UART、Bluetooth等通讯，因此它不但可以在以太风上直接进行通讯，而且还可以作为网关，把其它协议的数据包转化成以太网的数据格式进行通信。IP2022的SER/DES还专门把介质存取控(MAC--Media Access Control)层集成到了芯片之中，从而简化了通讯部分的结构。图2 为IP2022的内部结构框图。

IP2022虽然简化了通讯部分的线路，但并没有因此降低通讯部分的效率。在IP2022有关软件功能块的支持下，不管使用TCP还是UDP协议进行通讯，都能够以大于10M的通讯速率完成通讯任务。

IP2022单片机提供了52个可编程的通用I/O接口。通过编程可以把它们定义成输入、输出接口，并行、串行接口，或是中断请求端口等，另外，IP2022还提供了8路10位模数转换器，其中有管脚还可以组成电压比较器。楼宇智能节点一般对输入输出的精确度要求并不高，因而IP2022的这些功能完全可以满足应用需求。

IP2022的应用程序建立在一套高效而实用的操作系统——ipOS之上。在ipOS中可以通过函数调用来管理各种I/O功能，包括它所支持的以太网通讯功能。它具有很高的代码效率，在I/O控制、TCP/IP通信服务等所有功能都使用的情况下，只需要41k的程序存储器和2K数据存储器，即总共43k的存储空间。由于IP2022片内有64k的程序存储空间，因此还有20k左右的用户程序空间，这对楼宇通用节点的应用一般是足够了，用户不必另外扩充片外存储器。

IP2022具有120M的片内时钟，其指令周期为8.3ns。它如此高速运行却只要求4.8M的片外晶振频率，也就是说内部频率是外部的25倍。这给线路设计带来了许多的便利，首先，采用较低的外部频率不至于引起讨厌的高频干扰，从而可简化线路板设计；其次，对产品的加工工艺要求也比较简单，便于降低材料和加工成本；最后，由于可减少系统对外的电磁辐射，使产品更容易达到电磁兼容性的要求。IP2022芯片允许接入两个晶体振荡器，一个是4.8M的高速晶振，另一个是32.768K的低速晶振。高速晶振在程序运行时使用，而低速晶振则在芯片休眠状态下工作，以便有效降低系统的功耗，减少能源浪费。

UBICOM公司为IP2022提供了许多模块化的软件功能块，便于用户自己根据需要搭建系统。由IPIOTM提供对与I/O控制有关的函数调用，IpStackTM提供TCP/IP协议栈和NE2000以太网驱动等。在实际应用中，可以从子模块（函数）中得到想要的应用功能，使编程变得比较轻松简单，可大大提高产品开发调试的速度，降低开发成本。

UBICOM公司还推出了一套与IP2022单片机相配套的集成开发环境--UBICOM Unity IDE,该环境支持C语言编译器，用户可以用C语言编写来完成自己的程序。另外，该开发环境还提供了数个事例程序，为开发人员提供参考。开发人员可以利用此环境，对自己的系统直接进行在线仿真、调试。

IP2022单片机的程序存储器采用FLASH结构，可以重复写入，用户可以根据需要修改自己的程序，通过一个SPI接口将其写入芯片，别外，IP2022单片机还提供了在程序运行当中进行再编程的能力，也就是说，可以通过网络远程修改节点的程序，最终组成一个基于Internet的具有可塑能力的测控网络。

IP2022单片机的批量订货价格约8美元/片。但从整个系统的角度来衡量，由它为核心的楼宇智能节点的综合成本相对来说是比较低的，这是因为IP2022单片机具有很高的集成度，所以在组成系统中节省了许多其它的芯片，如以太网介质存取控制芯片、A/D转换芯片、外扩的程序或数据存储器芯片等，因此器件整体的成本并不高。
从这些特点可以看出，在楼宇智能节点的应用中IP2022是一款相当不错的芯片，它不但可以保证系统对I/O通道的测控功能，还能支持按以太网接入Internet的需要，具有良好的性能价格比。

5 楼宇智能节点的硬件结构
楼宇智能节点在硬件结构上应该包括：
1）支持通信与应用功能的中央处理单元、运算单元、存储单元等。
2）基本的I/O接口能力。由于楼宇智能节点定位在楼宇或小区测控的最底层，直接与现场传感器或执行器相连。
3）通信接口。使节点之间、节点与其他网络设备和PC机之间可以交换信息，进而组成一个具有完整功能的测控系统。
4）电源部分。保证系统供电。
图3为基于IP2022的楼宇智能节点的硬件结构框图。从图中可以看出，它以IP2022单片机为核心，只需再配以电源、晶体振荡器、接口及电平转换电路等，因而具有结构简单的特点。

6 节点应用软件
应用节点的软件程序大致分成三部分：主程序、信息采集程序和通信处理程序，包括公共网关接口（CGI）程序和支持UDP传输的通讯程序。
除了初始化之外，主程序的任务是要支撑整个系统正常运行的主循环，包括实时监测并及时响应各种通讯和定时中断事件。初始化过程中除了要对定时器、I/O端口等实行初始设置外，还要设置好节点运行的各种底层软件，以太网协议栈、TCP/IP协议支持软件、Web服务器支持软件等，以便支持整个系统的正常运行。

在完成了各种初始化和支持软件的调用后，程序便进入主循环，实时监测网络通信和时钟运行，保证及时响应通讯和定时中断事件。网络通信中采用CGI通用接口，实现可交互的动态网页。可以通过标准输入或环境变量来得到服务器的输入信息，并通过标准输出向服务器输出信息，这样用户可以通过浏览器与服务器实现互动。

应用程序中利用IP2022集成开发环境中ipModules库里的软件模块，以实现基于Web的楼宇智能节点的通信与应用功能，使人们在PC机上通过浏览器可方便地观察到节点信息。这里所用到的软件模块有：
（1）ipOS——基于IP2022的操作系统；
（2）ipStack——支持TCP/IP堆栈；
（3）ipWeb——支持Web服务器的函数模块；
（4）ipEthernet——支持10Base-T的介质存取和物理层控制模块。
在应用系统中，还要在节点上建立一种能够实时输出数据的机制，不用等到客户提出请求才提供数据，而是在遇到合适的条件时主动向中心管理计算机（或服务器）发送信息。需要智能节点主动发送的信息主要有设备正常运行信息和报警信息两类，它们的性质有所不同：前者所传送的信息是用来作为数据存储和备份的，实时性要求不高，因此可以隔一段时间发送一次；而报警信息不但要存储和备份，还要及时通知中心管理人员作出相应响应和处理，因此遇到这种情况，信息必须及时发出，并要设计一个应答机制来满足可靠性的要求。

7 结束语
由于近年来我国的经济一直保持着较高的发展速度，而建筑业更是方兴未艾，智能楼宇自控（BA）在我国已得到快速发展。而其潜在的市场更是让人心动。据估计我国每年有上千亿美元的楼宇自控市场，也有人说目前世界上最大的BA市场就在中国。尽管我国自己的BA系统还处于发展初期，但基于互联网技术的楼宇自控产品的开发，各国都还离开起跑线不远，我国完全有能力在新型BA技术与产品的开发中走出具有自己特色的发展之路。