LonWorks控制网络与总线技术介绍

7.4.5.1　概述

Echelon公司投入115亿美元、700人／年及数十万工程小时，于1991年推出了Lon⁃Works全分布智能控制网络技术。其网络结构由主从式发展到对等式直到今天的客户服务式。作为通用总线（Universal Bus），LonWorks提供了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设备级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作性控制系统所需的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝传输，即对于上层协议及管理软件来说，完全是一个单一的网络。

媒体访问控制采用可预测坚持CSMA（载波侦听和多点接入）算法，该算法保留了CSMA的优点，同时克服了它在控制应用上的缺点，使网络在负载较重的情况下仍能以接近最大吞吐量来工作。LonTalk定义了一种使用区、子网和节点的分层逻辑寻址方式，提高了寻址效率，使得网络中节点的替换和增加非常方便。链路层提供4种基本类型的报文服务：确认、请求／响应、重复／非确认重复以及非确认，并且有选择地提供优先级机制，以提高对重要数据包的响应时间，满足不同类型数据的可靠性要求。表示层采用网络变量技术，使网络通信的设计简化为参数设置，大大简化了复杂的分布式应用的编程。应用层执行操作系统及用户代码，编程采用Neuron C（ANSIC的子集）语言，LonWorks提供了功能强大的开发系统LonBuilder和NodeBuilder，为系统设计和节点开发提供了集成开发环境和工具。

LNS是LonWorks控制网络的操作系统。它采用多客户／多服务器结构，提供了功能强大的网络管理平台，完成一系列网络管理功能，包括节点地址分配、多广播地址组说明、路由器和网桥的定义、网络变量管理、通信服务修改、节点与网络的诊断等。LNS功能丰富，支持不同工业与应用场合中的控制应用。通过内含的TCP／IP功能，可完成Infranet与Internet、Intranet的无缝集成。LNS的分层结构（装置级采用LonWorks、系统级采用TCP／IP），允许数据网络与控制网络相互利用彼此信息，如办公建筑内一名雇员可以通过浏览器监控其所在建筑的环境状态，控制系统也可以通过发送具有优先级的电子邮件给建筑管理者提供状态及报警信息。

Lonpoint System是Echelon公司最新推出的LonWorks网络控制系统产品，主要用于集成新的或传统的传感器、执行器，其接口模块用于各种不同的模拟量和数字量传感器、执行器接口。即使设备内部没有Neuron芯片和LonWorks收发器也能直接与Lonpoint系统接口。对于楼宇自动化和工业控制的应用来说，这是一个经济合算的、具有互操作性的控制系统。Lonpoint系统的设计集中了LNS、LonMark国际互操作性标准，Neuron芯片的分布处理能力以及LonTalk协议的最大优点，由于其专为网络集成商而设计，其硬件和软件均为现成产品，只需要根据实际应用进行相应的配置和安装即可直接使用。

LonWorks技术的网络通信对用户透明，神经元芯片自动完成LonWorks的所有7层网络协议。

Lon网络开发技术主要体现两大特点。其最大特点就是硬件、软件和网络设计可以彼此独立为3个任务。意味着一个节点的功能描述和编程完全不用考虑这个节点是在一个什么样的网络中工作。增、减节点不必改变网络的物理结构。此外用C（Neuron C）语言来开发编程工具，这一特点使得编程工作从汇编语言的烦琐中解脱出来。

总体来说，Lon局部网络技术的控制系统具有如下几方面的特点：

（1）系统具有无中心控制的真正分布式控制节点模式，使控制节点尽量靠近被控设备。

（2）开放式系统结构，具有良好的互操作性。

（3）系统组态灵活，重新构造或修改配置很容易，增加或减少控制节点不必改变网络的物理结构。

（4）控制节点间可通过多种通信媒体连接，组网简单，成本大大降低。

（5）系统整体可靠性高，控制节点故障只影响与其相连的设备，不会造成系统或子系统瘫痪。

（6）网络通信协议已固化在控制节点内部，节点编程简单，应用开发周期大大缩短。

（7）系统总体成本降低，升级改造费用低。

LonWorks技术诞生后，基于LonWorks技术的产品应运而生，并广泛应用于自控系统中。LonWorks控制网络提供了完整的端到端的解决方案，已被广泛用于航空航天、建筑物自动化、能源管理、工厂自动化、医药卫生、军事、电话通信、运输设备等领域，成为互操作网络事实上的国际标准。我国目前在智能大厦和电力工业中已经有所应用，随着业内人士的更多了解，相信会有更为广阔的应用前景。

7.4.5.2　应用案例——基于LonW orks的智能家庭控制系统设计

家庭智能控制系统是智能家庭的一个重要内容，它的发展依赖于网络技术与监控技术在家庭内部的推广。系统的设计首先要在家庭内部以家庭总线的方式构建一个控制网络，各种功能模块根据住户需要直接接入网络，完成信息采集、传输、控制等相关功能；其次要实现家庭网络与外部互联网或者小区局域网的连接，达到远程监控的目的。通过分析智能家庭控制网络的功能及对控制系统的要求，结合LonWorks技术自身的特点，提出LonWorks技术在智能家庭控制系统中的一种应用方案。

1.智能家庭控制系统组成及硬件设计

本系统控制网络是将PC机作为家庭服务器，应用LonWorks技术在家庭内部建立两种介质的控制子网。家庭内部各种设备直接挂接在相应的子网上，各个子网通过路由器相连，不同子网的设备可以和其他子网的设备交互通信，实现家庭的网络化智能控制。

系统拓扑结构如图7-18所示，分为家庭服务器、路由器和底层智能节点3个层次。

图7-18　家庭控制网络拓扑结构

1）基于PC机的家庭服务器

上位机采用客户／服务器（Client／Server）的信息处理模式。PC作为家庭服务器，通过插于机内ISA总线上的PCLTA适配卡接入家庭内的LonWorks网络，与网络上的其他节点进行通信，从而可在PC机节点上监视和控制网络中的各种参数以及相应家庭内部的各种状态。同时，PC机可以通过ADSL技术、HFC技术或以太网技术接入小区局域网或互联网，实现家庭网络的Internet接入。PC机服务器配备了网络环境下能提供家庭信息服务的程序系统，可以接收网络上多台客户机的请求，启动相关处理进程，以实现家庭的远程监测与控制。

2）路由器

路由器设计主要是基于RTR-10核心模块和两个收发模块（分别到两个通道上）。由于系统涉及双绞线和电力线两种通信介质，因此相应地就有两种路由器：双绞线到电力线路由器和双绞线到双绞线路由器。(www.xing528.com)

3）智能节点

整个网络包含灯光控制、家电控制、温度及湿度控制、自动抄表、安防报警、键盘及显示控制、电话及语音控制7种智能节点。

（1）灯光控制节点：该节点控制室内灯具的开关及照明度，通过使用照明度探测、红外感应等手段实现门灯、照明设备的自动控制。

（2）家电控制节点：该节点控制传统家用电器的开关，通过使用红外线传感器和红外线发生器，实现室内部分电器的红外遥控。

（3）温度及湿度控制节点：该节点测量当前室内温度、湿度值，并在液晶显示器上显示。同时该值与设定值进行比较，将差值送至空调末端设备控制器，实现室内环境的自动控制。

（4）自动抄表节点：该节点实现家庭水表、电表和煤气表的自动抄送，解决入户抄表扰民和人为读数误差问题。其工作原理是利用电子技术和传感技术，将住宅耗能计量表的数据转换为电脉冲信号，由节点进行采集、计数和存储，然后将三表数据传送到上位机进行进一步处理。

（5）安防报警节点：该节点实现家庭的安全防范，包括红外防盗探测、煤气泄漏、火警探测、紧急求助按钮等。其工作原理是当发生抢劫盗窃、火灾、煤气泄漏等警情，首先触发感应探测器或紧急按钮部分，然后节点将报警信号传送到上位机进行报警处理。

（6）键盘及显示控制节点：该节点实现室内的键盘及显示控制，设有16只按键和一块液晶显示器，用于状态的设置和查询，如设防／撤防、数据查询、电器控制等。

（7）电话及语音控制节点：该节点实现电话及语音控制。电话接口电路包括振铃测试、模拟摘机、信号音测试、双音频接收、双音频发送等电路，用于实现电话的指令控制，如电话留言、电话报警、远程控制家电等。

七种智能节点的硬件设计根据节点功能的难易程度分为两类：单处理器的智能节点和双处理器的智能节点。单处理器智能节点是以神经元芯片为核心，如图7-19所示。神经元芯片不仅要实现节点与网络的通信，而且通过将其I／O口直接连接到传感器／执行器上，实现端口数据的实时采集、监视和控制，主要用于功能较为简单的节点，如自动抄表节点、安防报警节点等。双处理器智能节点是将神经元芯片作为通信协处理器，而复杂的监控则用高级处理器（如80C196KC）来完成，如图7-20所示，主要应用于功能较为复杂的节点，如键盘及显示控制节点、电话及语音控制节点等。

图7-19　单处理器的智能节点设计

图7-20　双处理器的智能节点设计

2.系统软件设计

该系统软件包括智能节点软件和上位机监控软件。

1）智能节点软件

各个智能节点上，神经元芯片的应用程序采用NobeBuilder开发环境下的Neuron C语言进行开发，主要完成信号采集、状态监控、定义网络变量以及节点通信等任务。Neuron C是以ANSIC为基础，专门为神经元芯片而设计的编程语言，同时加入通信、事件调度、分布数据对象和I／O功能。而基于双处理器的智能节点，其主处理器的应用程序由汇编语言或C语言编写，主要完成液晶显示、红外遥控、语音控制等复杂测控任务。在节点开发和组态成功后，各节点在现场完成数据的采集和处理，并将各类信号以网络变量的形式实时送入LonWorks网络中，相应节点自由交互通信，实现网络化的智能控制。

图7-21　节点开发流程

节点程序的开发流程如图7-21所示。

2）上位机监控软件

上位机监控软件以Windows98作为软件平台，利用Echelon公司LonManager系列中的DDE Server软件与插于PC机内ISA总线上的PCLTA接口卡进行通信。采用Visual Basic 6.0完成监控软件的开发。软件开发是以消息的响应为核心，DDE服务器定时从LonWorks网络上获取最新网络变量信息，触发监控软件中定义的消息，然后由监控软件完成相应的功能。监控软件的核心是处理各个消息之间的关系并在此基础上完成监视和控制的功能，主要是监测需要实时显示的重要系统参数以及相应的控制，主要由初始化模块、网络参数设置及监视模块、历史数据记录模块以及各个具体任务模块组成。

现阶段国内家庭智能化建设主要集中于开发远程抄表系统、安防报警系统和家电控制系统，与国外相比，智能化程度不同。然而，随着信息技术的发展，家庭智能化的程度也将越来越高，因此现有系统的设计应该能够适合未来家庭智能化的发展。本系统具有以下特点：

（1）控制系统做到了多网合一，大大简化系统布线。

（2）网络中每个节点都能完成控制和通信功能，部分节点故障不会影响系统稳定。

（3）LonWorks在网络结构上的自由拓扑特性和软件设计上的完全面向对象，使其易扩充、易组态。