楼宇自动化中的LonWorks现场总线技术现场应用

现代工业过程控制领域对测控系统的速度、精度、成本等方面提出了更高的要求，全数字、双向、多节点的现场总线应运而生。现场总线是一种串行的数字通信链路，它沟通了生产领域中现场设备之间以及更高层次控制过程设备之间的联系。现场总线的出现带来了自动控制领域的革命性变革，为实施大范围智能控制提供了强大的技术支持。这里主要介绍目前最流行，在楼宇自动化中应用最多的主流LonWorks现场总线技术。

1.现场总线技术概述

到目前为止，工业控制自动化技术经历了两次革命，第一次是20世纪五六十年代从电气传动控制到模拟信号为主的自动化仪表系统。第二次是20世纪七八十年代集散控制系统（DCS）的出现，DCS将计算机引入到控制系统，用分散的I/O模板代替控制室仪表，将分散的测量点通过计算机进行集中监控。然而，DCS系统本身具有以下不可克服的问题：

1）一对一接线，不仅增加了安装维护费用，也降低了系统的可靠性。

2）采用“操作站—控制站—现场仪表”三层主从结构模式，仍存在着可靠性隐患。

3）各个DCS系统采用封闭的协议不利于系统的互操作。

4）模拟信号传递限制了传输介质和拓扑结构的选择。

近代，工业控制领域正进行着第三次革命——基于现场总线的控制系统。

（1）现场总线系统的特点 现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，它在制造业、工业过程、交通和楼宇等自动化系统中具有广泛的应用前景。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通信能力，并且采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统。现场总线系统中还采用公开一致的通信标准，使各个厂家设备可以交互信息，实现互操作，这就是真正意义的开放系统。

现场总线导致传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统——现场总线系统。与传统控制技术相比，现场总线技术具有以下鲜明的特点：

1）开放式控制网络。开放式控制网络允许许多智能设备之间相互通信，而不需加入监控设备并能负责整个系统级的控制算法。网络上的设备构成对等（Peer to Peer）结构，即每个设备负责直接将信息发布到网络上的其他设备。信息由设备的发送器以数据包形式发出，一个或多个接收器接收这些数据包。开放式的控制网络如图1-50所示。

图1-50 开放式的控制网络

2）分布式智能。网络已出现许多年了，除了大型计算机系统外，通常还没有应用到网络控制设备，绝大多数通信协议仍被用来进行计算机或个人之间的数据通信。随着微处理器价格不断下降，可以将微处理器嵌入到价格低廉的控制器和控制设备。在这个意义上说，控制设备具有通信和信息处理的能力（承担传感测量、补偿计算、数据处理和控制任务），该设备亦称为“智能设备”。

3）强大的网络功能。在传统网络中，采用的通信协议通常服务于网络性能的优化。然而在控制网络中，通信协议主要提供智能设备间频繁、可靠、安全的通信，设备间对等的信息传输。现场总线技术采用自由拓扑结构，现场设备自治，以点对点通信方式实现分散基础上的信息融合。通过各种智能网关、桥接器和路由器不仅实现现场设备的分段成组，还可实现现场控制系统向信息系统的集成。

（2）现场总线技术的发展 现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，它的出现使传统的自动控制领域产生了革命性的变革，形成了新型的网络集成或全分布控制系统即现场总线系统。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化的热点，受到全世界的普遍关注。

现场总线自20世纪80年代中期问世以来，传统的自动化仪表、集散控制系统、可编程序控制器的产品功能结构受到了挑战，自动化设备的制造厂家被迫进行产品更新换代，出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器，具有通信功能的智能化数字仪表，以及带有控制模块和故障信息的执行器，大大改变了现有设备的维护管理方式。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络，它可与Internet的企业内部网相连，沟通生产过程现场级设备与更高控制管理层之间的联系，以分布式的智能和强大的网络能力增强了系统的可靠性和品质，代表了工业自动化的发展方向。由于现场总线担负测量控制的特殊任务，具有信息传输的实时性、高可靠性和短帧传送，其传输速率一般在几kB/s至10MB/s之间。

目前国际上有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，它们分别为基金会现场总线（Foundation Field Bus，FF）、美国Echelon公司的LonWorks现场总线、CAN（Control Area Networks）总线和HART（Highway Ad-dressable Remote Trasducer）总线等。其中LonWorks总线以其支持OSI/RM7层模型、支持多种通信媒介及易于实现等诸多特征，受到了广泛的关注。

现场总线技术产品具有很强的开放性、兼容性、可靠性和互操作性，广泛用于工业过程、楼宇、家庭、能源等自动化领域。现场总线技术促使控制网络与信息网络的集成，极大地改变了人们的生产方式和生活方式，扩大了传统控制领域的范畴。2000年3月，Echelon公司开始出售i.Lon1000 Internet服务器。这是一个突破性产品，可以使用在家庭、建筑、工厂和运输系统中的数以百计的LonWorks设备上，并将变成Web的一部分，拓宽了工业领域中的基于Internet的市场和应用。1999年6月，SUN公司展示了LonWorks设备在Jini网络作为共享服务的一幕。Jini的LonWorks代替基于LNS（Lon-Works Network Server）网络操作系统，不需要另外的软硬件和设备驱动。Echelon公司的总裁兼首席执行官Ken Dshman先生这样评价Jini技术与LonWorks网络的结合：“通过结合，LonWorks成为Jini服务提供者；我们可以想象，任何一个设备都能在任何时间、任何地点参与共享其他设备的服务。”

现场总线技术的发展虽然才有十几年的时间，但国外的工业控制基础较好，而且各种总线技术的标准都是由他们提出的。我国近几年也掀起了研究和应用现场总线技术的热潮，中国计算机协会工控专委会成立了LonWorks控制网络协作网，成员已达40多个，大型建筑业过程控制系统已逐渐推广现场总线系统。

（3）LonWorks总线技术的优势 美国Echelon公司于1992年研制成功了LonWorks测控网络。LON（Loncal Operating Networks）总线是该公司推出的局部操作网络，Eche-lon公司开发了LonWorks技术，为LON总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。其通信协议LonTalk支持OSI/RM的所有7层模型，这是LON总线最突出的特点。Lon-Talk协议通过神经元芯片（Neuron Chip）上的硬件和固件（Firmware）实现，提供介质存取、事务确认和点对点通信服务，还有一些如认证、优先级传输、单一/广播/组播消息发送等高级服务。网络拓扑结构可以是总线型、星形、环形和混合型，可实现自由组合。另外，通信介质支持双绞线、同轴电缆光纤、射频、红外线和电力线等。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品开发周期。

高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得LonWorks产品广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理、火灾报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等。为了便于各个厂商不同设备的互操作，Echelon公司和一些LonWorks用户在1994年成立了LonMark互操作协会。协会的主要任务是制定和推广LonMark技术的设计指导标准，并帮助生产厂商和最终用户制造与使用可互操作的Lon-Mark产品。

LonWorks网络协议已成为诸多组织、行业的标准。消费电子制造商协会（CEMA）将LonWorks协议作为家庭网络自动化的标准（EIA-709）。1999年10月，ANSI接纳LonWorks网络的基础协议作为一个开放工业标准，包含在ANSI/EIA709.1中。国际半导体原料协会（SEMI）明确采纳LonWorks网络技术作为其行业标准，还有许多国际行业协会采纳LonWorks协议标准，这将巩固LonWorks产品在诸行业领域应用的地位，推动LonWorks技术的发展。

2.LonWorks控制网络的构成

LON总线是当前最为流行的现场总线之一，它具有很强的开放性、兼容性、灵活性、可靠性和可互换作性。

（1）LonWorks控制网络结构 LonWorks控制网络结构包括五个部分：网络协议（LonTalk）、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件。其中，网络设备包括智能测控单元、路由器和网关等；执行机构包括传感器、变送器等；管理软件包括Lon_- Talk开放式通信协议，并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。在Lon-Talk协议的协调下，以往那些孤立的设备融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk是面向对象的网络协议、支持OSI7层协议，设备节点之间的数据传递通过网络变量的互联实现。神经元芯片是除LonTalk协议之外的又一LonWorks技术核心产品，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可以作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。

图1-51所示为LonWorks控制网络结构框图。

图1-51 LonWorks控制网络结构图

1）LonWorks节点。节点被称为智能设备，它包括一个神经元芯片、LonTalk收发器、存储器、电源和外围电路。节点是物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网络接口卡都是节点。节点具有两种类型：基于芯片的节点和基于主机的节点。

①基于芯片的节点。神经元芯片是一组复杂的VISI器件，一个神经元芯片包含应用CPU、I/O处理单元和通信处理器。因此，一个神经元芯片加上收发器就可构成一个典型的现场节点，负责现场设备的通信和简单数据处理任务。图1-52a为基于芯片的节点结构框图。

②基于主机的节点。神经元芯片是8位总线，最高主频为10MHz。对于一些复杂的控制，如带有PID算法的单回路、多回路，其控制就力不从心。而采用HostBase结构是解决这一矛盾的好方法：将神经元芯片作为通信处理器，用高级主机的资源完成复杂的测控功能。图1-52b为一个典型的基于主机的节点结构图，其中主处理器可以是微控制器或计算机等。

2）路由器。路由器是LonWorks技术的一个主要部分，用来连接不同通信介质的LON网络。在LonWorks技术中，路由器包括中继器、桥接器和路由器。路由器除连接不同媒介的LON网络外，还能控制网络交通，增加信息通量和网络速度。

图1-52　LON节点

a）基于芯片的节点　b）基于主机的节点

3）网络协议。设备在运行程序的适当时刻发布信息，由于这些程序不是同步运行，也可能有多个设备试图同时对话。因此，设备间的信息传递需要以一系列的规则和进程的形式加以组织，这些规则和进程称为通信协议，通常简称协议。协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一设备在发送信息时所期望对方采取的操作。协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内，或通过网络管理工具下载到设备中。LonWorks技术采用LonTalk协议。

4）通信媒介。通信媒介是节点（设备）之间信息传输的物理介质，包括双绞线、电力线、红外线、光纤和同轴电缆等。

5）网络管理工具。一个典型的现场控制节点（智能测控单元）主要包括以下几个功能块：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。当单个节点建成之后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来。一旦网络建成并正常运行后，需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有节点网络变量和显示报文变化的情况。网络管理工具的主要功能有：

①网络安装。网络安装可通过Service pin按钮或手动的方式设定设备的地址，然后将网络变量互联起来，并且可以设置四种报文方式：发送无响应、重复发送、应答和请求响应。

②网络维护。网络维护主要是在系统正常运行情况下，增加、删除设备以改变网络变量和显示报文的内部连接。网络维护还是一个错误设备的检测和替换的过程，检测过程可以查出设备出错是应用层的问题（例如一个执行器由于电动机故障而不能开闭）还是通信层问题（例如设备脱离网络）。由于采用动态分配地址方式，只需将数据库中提取的旧设备的网络信息下载到新设备即可，而不必修改网络上其他设备。

③网络监控。应用设备只能得到本地的网络信息，即网络传送给它的数据。然而在许多大型的控制设备中，往往有一个设备需要查看网络所有设备的信息。例如，在过程控制中需要一个超级用户，用户可以在网上，甚至以远程的方式（如Internet）监控整个系统。通过节点、路由器和网络管理这三部分的有机结合就可以构成一个带有多种介质和完整的网络。

（2）LonWorks网络的技术支持 LonWorks技术的目标是提供建造开放控制系统所需的便捷、具有优良性价比的开发平台，该平台提供一套完整的设计、创建和安装智能控制设备的工具。LonWorks技术的关键部件包括：

1）神经元芯片。神经元芯片是一种专用于价格低廉的控制设备使之具有智能和网络功能的半导体器件。神经元芯片包括通信功能，含有用户代码的应用处理功能和由设备开发商提供的I/O设备。

2）神经元芯片应用程序。LonWorks应用程序用Neuron 编写。一旦编写完毕，Neuron C代码就被编译成机器码形式并下载到或连接到芯片上。Neuron C是以ANSIC为基础，并具有三项重要扩展功能：

①新的语句类型——When语句，引入了“事件”并定义了任务执行顺序。

②对显示和隐式报文格式的集成信息处理机制。

③新的对象类——网络变量，简化了节点间的数据共享。

3）收发器（Transceivers）。收发器提供神经元芯片与LonWorks网络的物理通信接口。收发器简化了可互操作的LonWorks节点的开发并用于许多类型的通信介质的拓扑结构，具有不同收发器类型的产品需要通过路由器实现节点之间的互操作。

4）LonWorks节点。每个连接到网络上的LonWorks设备称为节点，节点包括一个神经元芯片和收发器。根据节点的功能，节点可以嵌入传感器、执行器、I/O外围电路等。节点的应用程序不仅接收和发送网络上的信息，而且可以进行传感信号和控制逻辑的数据处理，例如PID控制、数据采集和调度。

5）路由器（Routers）。路由器支持多种通信介质，路由器也可以控制网络流量，增加网络的吞吐率。一个路由器通常由两个互联的神经节点构成，每个节点的收发器类型与路由器所连接的信道兼容。

6）开发工具（Development Tools）。开发工具包括多节点开发环境、调试应用程序环境、安装和配置节点的网络管理器和监视网络流量的协议分析仪。开发工具使产品开发商便于设计基于LON控制网络的节点。其中，LonBuilder工具是一个开发多节点的集成工具，包括许多可选的工具，而Node Builder是单节点开发工具，LonMaker for Win-dows是网络设计和系统管理工具。

7）网络适配器（Network Adapters）。网络适配器是网络接口设备，它并不连接传感器和执行器，而是外部主机（例如计算机）的物理接口。该设备的应用程序提供通信协议和API（应用程序接口），使得基于主机的程序（例如网络工具）可以访问LON网络。Echelon公司PLCTA-1网络适配器就是一个网络接口设备，把它插入计算机内部的ISA总线槽，就可以用网络工具（LNS和LonMaker）访问LON网络。

8）网络操作系统（Network Operating System，NOS）。网络操作系统提供一个公共的、支持诊断、控制、安装和配置的面向网络的系列服务。网络操作系统考虑了单个或多个用户使用的多个工具之间的并发服务问题，它支持访问LonMark对象和配置属性的LonMark服务，支持多生产厂家生产的每个设备配置标准插入（Plug-ins）。

（3）LonWorks控制网络特征 LonWorks是一种具有强劲实力的全新现场总线技术，它提供了一个开放性强的局部操作网络，其显著的特征在于：功能强大的神经元芯片、系统的互操作性和LonTalk通信协议。

1）功能强大的神经元芯片。神经元芯片是LonWorks系统设备的核心器件。对于开发商来说，神经元芯片的特征在于它的完整性。神经元芯片内的处理器和内嵌的通信协议简化了系统编程。准确地说，神经元芯片已提供了ISO/OSI通信协议模型的前6层，仅需要开发商进行应用层编程和参数配置。因此，基于神经元芯片的系统开发相当简便。

神经元芯片包括3个8位微处理器、随机存储器RAM、只读存储器ROM以及通信和I/O接口。ROM中驻存一个操作系统、LonTalk协议和I/O函数库。RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序，每一个神经元芯片在制造期间被赋予一个唯一的48位码的标识，称为标识码。神经元芯片由两个最大的半导体生产商（Toshiba和Mo-torola）生产，这保证了芯片的低价位。1997年9月，20MB芯片的出现使网络的反应时间降至3～4ms，使I/O性能提高了一倍。新出现的低能耗芯片MC143120LE2FD采用3V工作电压，减小了电力消耗，广泛适用于传感器、执行器、安全检测器和自动调温器，尤其适用于建筑物内嵌的分散控制网络。

2）系统的互操作性。在过去的20多年中，控制系统的结构随着技术的进步发生了很大的变化。连接到局域网的分布处理的微机替代了连接到哑终端的集中式的大型机设备，进而由功能强大的计算机组成的分布式对等网络替代了分散式控制网络。信息系统产品的巨大成功关键在于微处理器、通信协议、操作系统和硬、软件产品的工业标准化。LonWorks系统提供了一个开放系统设计平台，使得不同厂家的产品在LON网上都可以实现无缝地互操作。

LonWorks系统的互操作性是指开放网络中的许多智能设备之间可以相互通信，不需加入监控设备负责整个系统的控制流程。LonWorks系统的互操作标准由LonWorks互操作协会负责制定。LonWorks互操作协会的工作主要在于：

①建立标准收发器及相关物理通道规范。

②设备应用程序的建立和文档化的标准化定义。

LonWorks规范详细描述了设备的应用层接口，包括网络变量、配置属性、一般和特殊的控制所用的默认和上电行为等。

③通信协议LonTalk。LonTalk协议是LonWorks系统的灵魂，它固化于神经元芯片中，是直接面向对象的网络协议。LonTalk支持OSI/RM模型的7层协议，支持多种传输介质和多种传播速度。其地址设置方法提供了巨大的寻址能力，提供了可靠的通信服务，保证了数据的可靠传输。

3.LonWorks通信协议

LonWorks协议称为LonTalk协议和ANSI/EIA709.1控制网络标准，是LonWorks系统的核心。该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。LonTalk协议能提供报文确认、报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。

（1）LonTalk协议简介 1993年，美国Echelon公司推出了LonWorks新技术，提供了开放的低层通信网络——局部操作网络，称为LonTalk协议。采用神经元芯片的网络节点含有LonTalk协议固件，使得网络节点可以可靠地通信，完成各种功能。网络节点是相互独立的，可以做到在任一节点发生故障时，不会影响整个网络工作，从而提高了系统的可靠性和可维护性。另外，由于各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，并且在系统规模大时避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。

LonTalk协议符合ISO/OSI参考模型的7层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，是一套完整、安全、有效的通信协议系统。

1）LonTalk协议特点。

①LonTalk协议采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。

②LonTalk协议支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、同轴电线、无线电和红外线、光纤传输介质等。

③互操作性强。网络上任一节点可以对其他节点进行操作，传输控制信息。

④响应时间快，通信安全可靠。

2）LonTalk协议的功能。LonTalk协议符合ISO制订的开放系统互联OSI标准，具有完备的7层协议，见表1-7。由表中可以看出，LonTalk提供的服务包括：物理信息管理；命名机制、数据包寻址和路由选择；通信的高可靠性；优先级管理和外部帧及数据表示等。

3）LonTalk协议标准。LonTalk协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议，像Ethernet和Internet协议一样，它是一个公认的标准并遵循OSI模型分层规则。为了确保满足控制网络的可靠和对等的通信标准，LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、抗干扰性强的通信机制。

表1-7给出了OSI7层协议模型以及对应的LonTalk协议服务。

表1-7 LonTalk协议的各层功能

（续）

①物理层。物理层定义了在通信信道上位流的传输。物理层确保一个源设备发送的位流准确地被目的设备所接收。LonTalk协议基于传输介质，多个物理层协议支持不同的通信介质（如双绞线、电力线等）。

②数据链路层。数据链路层定义介质访问方法和确保有效利用单一信道的数据编码。物理层的位流被分割成数据帧，数据链路层定义源设备发送数据帧的时刻，目的设备如何接收数据帧以及检测传输错误，同时还定义了优先级机制以确保重要信息的传送。

③网络层。网络层定义了来自源设备的报文是如何选择路由到达一个或多个目的的设备。网络层定义设备名称和地址，还定义了当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。

④传输层。传输层确保可靠的报文传输。报文可以用一种确认服务方式来进行数据交换，即源设备等待来自接收设备的确认信号并且当未收到确认信息时重发报文。同时，传输层还定义了由于丢失确认报文重发时，如何排除重发报文。

⑤会话层。会话层对较低层数据交换加以控制，它支持远程操作，使得客户可以对远程服务提出请求，并接收对请示的响应。它还定义了一个认证协议，使得报文接收者确认发送者是否有权发送该报文。

⑥表示层。表示层定义报文数据的编码，报文被编码为网络变量、应用报文或外部帧，用标准化网络变量类型SNVTS支持网络变量的互操作。

⑦应用层。应用层定义为一种低层交换数据的公共语义解释，使不同的应用程序中网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传（发送）或上传（接收）。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。

（2）LonTalk提供的服务

1）物理通道管理。LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络，这些传输介质包括双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆和光纤等。不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同。每个网络节点连接到物理信道上，一个或多个信道具有特定频率的射频，一条电力线信道是与交流电力线相连的线段。多条信道由网桥和路由器连接，收发器是神经元芯片与信道的接口，信道的传输速率与传输介质和收发器有关。

2）LonTalk协议的命名机制和寻址方式。

①神经元芯片命名。神经元芯片具有一个特有的48位标识（Neuron ID），Neuron ID由芯片生产厂家唯一确定，并且终生不变。由此，Neuron ID作为神经元芯片的名字，可以唯一地区别于其他神经元芯片。

②地址。地址是一个对象或一组对象的特有标识，与名字不同，地址是可以改变的。LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。尽管Neuron ID也可以作为地址，但它不能作为寻址的唯一方式，这是因为该寻址方式只支持一对一的传输，将需要庞大的节点路由表以优化网络流量，仅当网络安装和配置时，才使用芯片的Neuron ID寻址方式。

为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的地址形式，如域、子网和节点地址，除此之外，还有组地址。

③寻址方式。该方式由域地址、子网地址和节点地址等方式组成。

a）域地址（Domain）。域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。多个域可以占有同一个信道，所以域地址可以用来隔离不同网络上的节点。例如，两个相邻的建筑物或许在同一信道上，并且建筑物使用的网络节点装备有同一频率的无线射频收发器。为了避免这些节点所运行的应用程序的相互干扰，每个建筑物内的节点可以被配置为分属不同的域。域地址用域标识符ID来表示，域标识符（ID）可以分为0B、1B、3B或6B，域标识符是唯一的。

b）子网地址（Subnet）。一个子网是在同一域中节点的逻辑集合。一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。子网中的所有节点必须在同一信道上，并且子网不能跨越智能路由器。如果一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。

c）节点地址（Node）。一个子网内的节点被赋予该子网内的唯一的节点标识码，节点标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点。一个域中最多可以有32 385个节点（255×127）。

d）组地址（Group）。组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个节点最多可以属于15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1B。

e）芯片地址（Neuron ID）。除了子网/节点地址之外，节点可以用Neuron ID寻址。Neuron ID为48位长，这个ID码是唯一的。

域/Neuron ID寻址方式是在网络安装期间对节点进行初始配置时，由网络管理工具将每个节点配置给一个或两个域，并且配置子网和节点标识码。

④寻址格式。节点有5种寻址方式，寻址格式确定了地址格式的字节数，每种寻址格式的字节数见表1-8。注意，在计算整个地址长度时，应在表1-8中给出的地址长度基础上再加上域地址长度（该域地址长度范围为0～6B）。

表1-8 LonTalk协议的5种地址格式

3）网络管理与网络设备。

①网络管理。一个LonWorks网络是否需要一个网络管理节点，取决于实际应用的需求。一个网络管理节点具有以下功能：

a）寻找未配置的节点并下载网络地址。

b）停止、启动和复位应用程序。

c）访问节点通信统计。

d）配置路由器。

e）下载新的应用程序。

f）提取运行网络的拓扑结构。

在一个开发环境中，网络管理节点的应用相当于LonBuilder开发平台的网络管理器，其任务包括定义、配置、下载和控制LonWorks网络。LonBuilder协议分析仪具有监视、采集和显示网络通信流量以及性能统计等功能。

②路由器。一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包。路由器可以用以下4种路由算法之一来配置。

a）中继器。中继器是一个最简单的路由器，数据包只能前向传输。利用中继器，一个子网可以跨越多个信道。

b）网桥。网桥在两个信道间前向转发，并与本域的所有数据包相匹配。利用网桥，子网可以跨越多个信道。

c）学习路由器。学习路由器监视网络流量并在域/子网级感知网络的拓扑结构，并利用所学知识在信道间为数据包选择路径。

d）配置路由器。与学习路由器相似，配置路由器借助其内部的路由表在信道间为数据包选择路径。与学习路由器不同的是，其内部路由表的内容由网络管理工具定义，网络管理工具可以为子网和组寻址定义路由表以优化网络流量。

4）LonTalk提供的通信服务。

①网络效率。网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。例如：应答服务方式是最可靠的，但它与非应答方式和非应答重发方式相比需要较大的网络带宽；它具有优先权的报文实时发送，对其他报文的发送是不利的；使用报文认证服务可使安全性增加，但要传送的报文数量将是无报文认证服务的两倍。

②LonTalk报文服务。LonTalk协议提供以下4种可选择的报文服务：

a）确认服务（Acknowledged）。这是最可靠的服务方式，以这种方式发送报文，发送方必须收到每个接收节点的确认信号。如果事务定时器溢出还没有收到所有节点的全部确认信号将重新发送，而重发次数和事务定时是可以任选的。确认信号由神经元芯片的网络CPU产生，而无需应用程序干涉。事务ID号用于跟踪报文和确认信号，以避免应用程序不会收到重复的报文。

b）请求/应答服务（Request/Response）。请求/应答服务与确认服务有相同的可靠性，发送方需要接收到每个接收节点的应答信号，也包括重发次数和事项定时。应答信号包含数据，所以该方式适用于远程过程调用或客户机/服务器应用。

c）非确认重发服务（Unacknowledged repeated）。这是一种比较可靠的方式，报文向一个或一组节点发送多次，而不等待应答信号。这种报文方式适合于向节点数较多的组进行广播传送，这时如果组内节点都产生应答，网络就会过载。

d）非确认服务（Unacknowledged）。非确认服务是最不可靠的一种服务，它不需要等待接收节点的应答信号，它适用于对网络效率要求很高而网络带宽有限，且对报文的丢失不敏感的应用场合。

③冲突检测。LonTalk协议的冲突退避的算法是特有的，称为预测P-坚持CSMA（Predictive P-presistence CSMA），它在保留CSMA优点的同时，克服了其缺点，保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。当使用支持硬件冲突检测的传输介质（双绞线）时，一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议就可以有选择地取消报文的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发。

④报文认证。LonTalk协议支持报文认证服务，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送，它用于防止未授权节点介入应用。报文认证的实现是在节点安装时，分配到一个48位的密钥。一个报文被接收方接收，发送方和接收方要有相同的密钥。

⑤LonTalk协议中的定时器。在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器：

a）事务定时器（Tramsaction Timer）。

b）重发定时器（Repeat Timer）。(www.xing528.com)

c）组接收定时器（GroupReceive Timer）。

d）非组接收定时器（Non-Group Receive Timer）。

e）缓冲器释放定时器（Free Buffer Wait Timer）。

在使用确认报文服务时，事务定时器定义在重发之前对确认信号的等待时间，这个时间可在报文地址表中的目的地址中定义。如果一个节点在事务定时器送出之前没有收到确认信号，将重新发送同一报文，重新控制计数器重发的次数。

重发定时器用于非确认重发报文服务，当要访问的节点数量很大时，确保报文被每个需接收的节点都接收到。因为节点数量很大，如果使用确认方式的报文，服务时网络中的数据流量会变得很大，使反应时间变慢，重发次数最多为15次。

当一报文到达目标节点时，接收节点检查报文的源地址和事件ID。如果在源地址和事务ID中都没有发现有效的“接收事务”，就产生了一个新的接收事务。如果因为节点用完而使有效事务不能产生时，报文就会丢失。假设节点能够为报文分配一个有效的事务记录，节点将启动接收定时器，节点根据发送节点的寻址方式选择启动哪个接收定时器。如果发送者用组地址寻址，在报文的地址表中就有一个组地址的入口地址，接收节点则启动组接收定时器。如果使用其他寻址方式，则节点启动非组接收定时器。

⑥网络接口。LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的LonWorks应用，主处理器可以是微处理器、微控制器或计算机。主处理器管理LonTalk协议的第6和7层，并且使用LonTalk网络接口管理协议的1～5层。LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。

不同的网络接口具有不同的网络接口协议。在主处理器上执行的应用程序通过网络驱动器与网络接口通信，网络驱动器管理缓冲器分配，将来自或发往网络接口的数据送入缓冲器，并且在网络接口层协议中屏蔽主机应用的任何差异。LonTalk网络驱动器定义了主机应用与网络驱动器之间的标准报文格式。

⑦数据表示。LonTalk协议采用面向数据的应用协议，在这种方式下，节点间以标准工程单位或其他预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据，而命令语句封装在接收节点的应用程序中且不是将命令在网上传送。这种方式同一工程量可送到多个节点，每个节点对该数据有不同的应用程序。

“数据表示”由基于芯片节点的芯片固件完成，在基于主机的节点中，“数据表示”由主处理器完成。

a）网络变量。网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项，网络变量可以是数据项或是一个结构，网络变量用关键字Network定义，每个网络变量由应用程序表明其数据类型。对于基于芯片的节点来说，当在一个应用程序中通过赋值操作引起了输出网络变量的变化，神经元芯片固件自动地用LonTalk协议服务在网络上传播其更新的值。

b）显示报文。将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU（应用层数据单元）下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传APDU判断是否显示报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。

（3）介质访问控制和MAC层协议　介质访问控制层（Media Access Control，MAC）是数据链路层的一部分。由于网络介质多种多样，相应的就有多种介质访问控制方法，所以，为了使数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法，将数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）。LLC与介质无关，MAC则依赖于介质。所谓MAC协议就是确定设备怎样才可以安全地先送数据包，以减少冲突的控制算法。

LonTalk在物理层协议上支持多种通信协议，也就是为适应不同的通信介质而支持不同的数据解码和编码。例如，通常双绞线使用差分曼彻斯特编码；电力线使用扩频；无线通信使用频移键控（FSK）。由于LonTalk考虑对各种介质的支持，LON总线可以允许使用非常广泛的通信介质，如双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电线、光纤甚至是用户自定义的通信介质。

LonTalk支持在通信介质上的硬件碰撞检测，LonTalk可以自动地将正在发生碰撞的报文取消，重新再发。如果没有碰撞检测，当碰撞发生时，只有到响应或应答时才会重发报文。

1）LonTalk MAC子层。LonTalk协议的MAC子层是链路层的一部分，使用OSI各层协议的标准接口和链路层的其他部分进行通信，如图1-53所示。局域网中存在多种介质访问控制协议，其中使用最广泛的是载波多路监听（CSMA），LonTalk的MAC是该协议的一种改进。

对于常用的CSMA/CD，在轻负载的情况下具有很好的性能，但当在重负载情况下，一包数据在发送，可能有许多网络节点等待网络空闲。一旦这包数据发送完毕，网络空闲，这些等待发送的节点就会马上发送报文，而同时发送必然产生碰撞。产生碰撞后，由避让算法使之等待一段时间再发，假如这段时间相同的话，重复的碰撞仍会发生，使得网络效率大大降低。

图1-53 MAC子层通信框图

2）带预测P-坚持CSMA。LonTalk MAC子层协议使用改进的CSMA介质访问控制协议，该协议称为带预测P-坚持CSMA，它在保留CSMA协议优点的同时，克服了它在控制网络中的不足。带预测P-坚持CSMA的所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。每个节点发送前随机地插入0～W个很小的随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文前平均插入W/2个随机时间片。而W则根据网络积压参数（Backlog）变化进行调整，其公式为

W=BL×W_base

式中，W为随机时间片的个数；BL为网络积压的估计值；W_base为16。

图1-54给出了带预测P-坚持CSMA概念示意图，图中Beta1为空闲时间周期，Be-ta1＞1bit+物理延时+MAC响应时间；Beta2为随机时间周期，Beta2＞2bit×物理延时+MAC响应时间。

当一个节点试图占用通道发送信息时，首先在Beta1周期检测通道有没有信息发送，以确定网络空闲。若空闲，节点产生一个随机等待T，T为0～W时间片中的一个。当延时结束时，节点发送报文。否则节点检测有无信息发送和接收信息，然后再重复MAC算法。

图1-54 带预测P-坚持CSMA概念示意图

3）带预测P-坚持CSMA实现。带预测P-坚持CSMA在保留P-坚持CSMA优点的前提下，通过对网络负载的预测，在网络轻载时，给网上节点分配数目较少的随机时隙以减少节点媒介访问延时；在网络重载时，给网上节点分配数目较多的随机时隙以减少各节点因同时发送消息带来的冲突。由此可见，由于实现了随机时隙数目的动态调整，从而实现了概率P值的动态调整。可以看出，随机等待时间T等于随机时隙数目乘以时隙长度。

节点对某一时刻网络负载进行预测的结果反映在BL的网络积压取值上。BL是对当前网络繁忙程度的估计，每一个节点都有一个BL值。某个要发送消息的节点在它发送的消息包中插入将要应答该消息的接收节点的数目，所有收到该消息包的节点的BL值通过加上该应答数使自身的BL值更新。每个节点在消息包发送结束时，BL值自动减1。由此实现了每个节点都能动态地预测在某一时刻有多少节点要发送消息包。

4）优先级带预测P-坚持CSMA。实验表明，36个LonWorks节点互联，采用一般的P-坚持算法，当每秒要传输的报文达500～1000包时，碰撞率由10%上升到54%。而采用预测P-坚持算法在500包以下时碰撞率很低，在500～1000包时稳定在10%，可见预测P坚持CSMA不能避免冲突，只能降低冲突至最小。在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供一个可选择优先级的机制。该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片（Priority Slot），在发送过程中，优先级数据报文将在那个时间片里将报文发送出去。优先级时间片从0～127：0表示不需等待立即发送；1表示等待一个时间片；……。低优先级的节点需等待较多的时间片，而高优先级的节点需等待较少的时间片。这个时间片加在P-概率时间片之前（即节点的随机等待时间T之前）。非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成后，再等待P-概率时间片后发送。这样，加入优先级的节点具有更快的响应时间。图1-55为优先级带预测P-坚持CSMA示意图。

（4）LonTalk协议的链路层及网络层

1）LonTalk协议的链路层。LonTalk协议链路层提供在子网内，链路层协议数据单元（LPDU）帧顺序的无响应传输。它提供错误检测能力，但不提供修正错误的能力。当一帧数据CRC校验错时，该帧数据被丢掉。

图1-55　优先级带预测P-坚持CSMA示意图

在直接互联模式下，物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编码，在专用模式下根据不同的电气接口采用不同的编码方案。CRC校验码加在NPDU（网络层数据单元）帧的最后。

2）LonTalk协议的网络层。LonTalk协议在网络层给用户提供一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送、响应等。在网络管理上有网络地址分配、出错管理、网络认证和流量控制，而路由器的机制也在这一层实现。

LonTalk协议定义了一种分层编址方法，这种方式使用了域地址、子网地址、节点地址。为了进一步简化多个分散节点的编址，LonTalk协议还定义了另一级地址，这就是组地址。下面针对各种编址方式进行叙述。

①域地址。LonTalk编址的最顶层是域，是一个或多个通道上的节点的一个逻辑集合（一个通道是指在物理上能独立发送报文而不需转发的一段介质）。只有在一个域中的节点才能互相通信。换句话说，在同一通道上的节点完全可以通过赋予不同的域名而执行不同的网络应用，并绝对做到不同的网络应用之间完全独立、互不干扰地运行。所以，域又称为虚拟网络。

域标识使用域标识符，域标识符对应的字节数可在0B、1B、3B、6B的4个值中选择。

②子网地址。编址的第二层是子网，子网是域中节点的一个逻辑集合。每个子网的节点数最多为127个，而每个域最多可有255个子网。子网中的所有节点必须是在同一区段上，子网不能跨越智能路由器。

③节点地址。编址的第三层是节点。子网中的每个节点都被赋予一个唯一的数值，该数是7位二进制值，这样每个子网最多可配置的节点数为127个。

④组地址。一个组是一个域中的节点的逻辑集合。与子网不同，作为一个组的节点无需考虑它在域中所处的物理位置。一个域中最多可指定256个组，而且对采用应答服务或请求/响应服务的组节点数最多为64个，对采用非应答服务的组节点数不限制。单独的一个节点可同属于多个组（最多15个组）。组编址的优点是降低随同消息发送的地址信息的字节数，同时也使同一组中的多个节点可同时接收网上发出的单个消息。节点的组不仅可跨越同一域中的多个子网，而且可跨越多个通道。

⑤神经元芯片标识。已知神经元芯片的标识符ID可用做地址，并且这个ID值只在网络安装及配置时用做网络寻址。网络管理工具用在节点安装时，用它给安装的节点配置属于一个域还是两个城，对应用消息不使用这种编址格式。

节点使用的编址格式有5种，不同的编址格式决定了原地址及目标地址将占用的字节数，编址格式见表1-8。

4.LonTalk高层协议

（1）LonTalk协议的传输层和会话层 LonTalk协议的核心部分是传输层和会话层，传输层管理着报文执行的顺序和报文的二次检测，传输层是无连接的，它提供一对一节点、一对多节点的可靠传输，信息认证也是在这一层实现的。

会话层主要提供了请求/响应的机制，它通过节点的连接来进行远程数据服务（remote servers），使用该机制可以遥控以实现远端节点的过程建立。LonTalk协议的网络功能虽然是在应用层上来完成的，但实际上也是由提供会话层的请求/应答机制来完成的。

（2）LonTalk协议的表示层和应用层 LonTalk协议的表示层和应用层提供以下5类服务。

1）网络变量服务。在LonTalk协议表示层的数据项被称为网络变量（NV）。网络变量可以是单个的数据项（NeuronC变量），也可以是数据结构或数组，其最大长度可达31B。每个网络变量都有一个数据类型，它在应用程序中定义。当定义为输出网络的变量改变时，能自动地将网络变量的值变成APDU（应用层协议数据单元）下传并发送，使所有把该变量定义为输入的节点收到该网络变量的改变。当上传信息时，能根据上传的APDU判断是否是网络变量，以及是哪一个输入网络变量并激活相应的处理进程。

2）显示报文的服务。将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组织成APDU下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传的APDU判断是否显示报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。

3）网络管理服务。LonTalk网络管理提供地址分配服务，分配所有的节点地址单元，包括域号、子网号、节点号以及所属的组名和组员号，值得注意的是NeuronID是不能分配的。网络管理体制还包括设置路由器的配置表。

4）网络跟踪服务。网络跟踪提供对节点的查询和测试，查询节点的工作状态以及一些网络的通信错误统计，包括通信CRC校验错误、通信超时等。LonTalk协议还发送一些测试命令并对节点进行测试。

5）通信服务。LonTalk协议支持网络的消息服务、冲突检测和避免。消息服务提供了四种类型的报文服务，包括确认服务、请求/响应、重发服务和非确认服务。除此之外，还有冲突避免和冲突检测。

LonTalk的MAC子网层采用带预测P-坚持CSMA算法，是一种有效的冲突避免算法，它使得网络即使在过载的情况下，仍可以达到最大的通信量，而不至于发生因冲突过多致使网络吞吐量急剧下降。如果收发器（双绞线）支持硬件冲突检测，LonTalk协议就支持冲突检测和自动重发。一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议便能立刻重发因冲突而损坏的消息包。如果无冲突检测，在采用应答服务或请求/响应服务时，发生冲突后的发送节点不能立即知道已发生冲突而确定重发，只有在未收到接收节点返回的确认或响应并且事务定时器超时发生后才能确定发送失败，然后重发。如果采用非确认服务，在冲突发生时消息包必将丢失。为了设计快速响应并可靠通信的网络，必须综合考虑服务类型并采用冲突检测电路。

5.基于LonWorks技术设计开放系统

Echelon公司发明了LonWorks协议并作为LonWorks系统的主要维护商，成千上万的控制产品制造商应用LonWorks系统。Echelon公司的宗旨是创建一个标准的，具有优良性价比的解决方案，使得底层的控制设备方便地相互通信，并且采用标准通信方式使各种制造商的产品可以在同一网络上进行互操作。Echelon公司开发的LonWorks系统具有三个基本目标：第一，优化的控制网络协议；第二，设备中使用的协议在价格上具有竞争力；第三，协议的引入必须使运行程序不受卖方产品的影响，因为这样会破坏其互操作性。基于这些目标，Echelon公司提供了一个用于设计、创建、安装智能控制设备的完整系统。也就是说，该系统提供了除设备应用和特定应用工具之外的所有设备开发商和系统集成商所需的工具。

（1）LonWorks系统硬件 LonWorks系统由以下部件组成：神经元芯片、收发器、LonWorks设备以及网络设备（如网络接口、路由器和网关等）。

1）LonWorks设备硬件。

①神经元芯片。为了实现控制网络系统的标准性和经济性，Echelon公司设计了神经元芯片。“神经”这个名字意指人类大脑与网络控制运行之间的相似性。在人类大脑中没有中央控制部件，数千万的神经元连接成网络。每个神经元通过各种通道提供信息。每个神经元具有其特定功能，但缺少任一个并不影响网络的整体性能。神经元芯片的优势在于它的完整性，它由一个内嵌的协议和多个处理器组成。人们知道，网络通信协议标准是国际标准化组织制定的OSI/RM7层协议，然而神经元芯片提供了前6层协议（系统开发商不需要对这一部分进行任何开发和编程），开发商仅需对应用层编程和配置，这使得系统开发变得相当简便。

绝大部分LonWorks设备利用了神经元芯片的功能，并把神经元芯片用做控制处理器。设备制造商提供在神经元芯片上运行的应用程序，把I/O设备连接到神经元芯片。神经元芯片中含有多处理器、只读存储器ROM、随机存储器RAM、通信和I/O子系统。只读存储器ROM包含操作系统LonWorks协议和I/O函数库，芯片由非易失存储器存放配置数据和应用程序，这些可以通过LonWorks网络下载。每个神经元芯片在制造过程中被赋予一个永久性的、唯一的48位码，称为Neuron ID。神经元芯片系列产品很多，具有不同的速度、存储器类型和容量以及接口。在1999年末，神经元芯片产量达到1千万只，价格只有3美元。目前，著名的Motorola司和Toshiba公司成为神经元芯片的指定提供商。

一个完整的包括LonWorks协议程序的操作系统被称为神经元芯片固件（Firmware），神经元芯片固件包含在每个芯片ROM中或连接到每个神经元芯片，每个神经元芯片有三个8位微处理器，其中两个微处理器执行LonWorks协议，称为网络通信处理器，另一个作为设备应用，称为应用处理器。神经元芯片的结构图如图1-56所示，其处理器结构及存储区分配如图1-57所示。

图1-57 处理器结构及存储区分配

②收发器（Tranceivers）。每个网络设备包括一个收发器，收发器提供一个Lon-Works设备与LonWorks网络的物理通信接口。收发器简化了可互操作的网络设备的开发，适用于不同的通信介质和不同的网络拓扑。在任一给定的设备中，设备所使用的收发器类型是很重要的。这是因为具有相同类型收发器的设备在网络上可以直接通信，具有不同收发器类型的设备必须通过路由器才能实现互操作。Echelon公司提供双绞线收发器和电力线收发器，而其他公司提供用于无线电、光纤和各种其他介质的收发器。

③LonWorks设备。通常每个连接到网络的LonWorks设备包括一个神经元芯片和一个收发器。依据设备的功能，LonWorks设备还可以包括嵌入的传感器、执行器以及与主机（例如计算机）的接口电路，或与另一神经元芯片和一个路由器中的收发器的接口。神经元芯片中所执行的应用程序完成设备特定的功能，这些应用程序可以驻存在ROM或通过网络下载到非易失的只读存储器（NVRAM、FlashPROM或EEPROM）。

LonWorks网络中绝大多数设备的任务是感知和控制构成被控物理系统的部件的状态。设备中的应用程序不仅通过网络发送和接收信息，并且对感知的变量进行数据处理和控制逻辑。

④LonPoint模块。LonPoint模块提供一系列产品，这些产品把传感器、执行器和LonWorks设备集成为具有优良性价比的、可互操作的智能大厦和工业应用中的控制系统。LonPoint系统提供一个开放分布式系统结构，在这个框架中，每一个设备完成某种控制处理并能被网络中任一处的设备访问。

LonPoint接口、序列发生器、数据记录器和路由器模块提供了I/O处理、应用资源、任务排序、数据记录和网络寻径。这些接口模块无缝连接传感器、执行器和控制器，形成一个开放分布的网络。目前具有5种接口模块：

a）DI-10数字输入模块（4个数字输入，每个输入都带有指示灯）；

b）DO-10数字输出模块（4个数字输出，每个都带有一个手动/自动/关闭开关和状态指示灯）；

c）DIO-10数字输入输出模块（两个数字输入和两个继电器输出）；

d）AI-10模拟输入模块（2个独立的、6位模拟输入）；

e）AO-10模拟输出模块（2个独立的、12位带有PID的模拟输出）。

2）LonWorks网络设备。

①路由器：LonWorks系统的另一独特的优势是对多种传输介质的透明支持，它允许开发者选择传输介质并且选择最适合的通信方法。路由器使其对多种介质的支持成为可能。路由器也可以用来控制网络流量、分隔网段、增加网络的吞吐量和容量。网络工具自动地根据网络拓扑配置路由器，使得路由器的安装对开发者更便利。

路由器使一个对等网跨越多种传输介质并支持数万个设备，路由器的每侧都具有一个收发器。路由器对网络的逻辑操作来说是完全透明的，但路由器并不传送所有的数据包。当网络安装工具配置了路由器之后，智能路由器完全了解系统配置以阻止那些没有远端地址的数据包。使用另一种称为LonWorks/IP路由器，LonWorks系统可以通过广域网跨越更远的距离，例如Internet。

②网络接口。网络接口不连接控制传感器和执行器，它提供了LonWorks网络与外部主机（例如计算机或便携式维护工具）的物理接口。网络接口的应用程序提供了通信协议，允许像网络工具那样的基于主机的应用程序访问LonWorks网络。Echelon公司的PCLTA 20PC LonTalk适配器就是一个网络接口设备，该设备插入计算机内部的PCI总线，使得网络工具（例如LonMaker工具）可以访问LonWorks网络。

③网关。网关允许专用的控制系统连接到LonWorks系统，一个网关具有对异型系统设备或总线的物理接口，它的应用程序为异型系统提供专用的通信协议。网关按需要进行两种协议之间的转换并允许两个系统传送信息，不能把网关混同为网络中的一个设备，网关是一个异构的对象并连接到一个异构的系统。甚至当所选择的信息可以在两个系统间传送时，其连接根本谈不上无缝，该连接把另外的操作系统和网络工具引入集成系统。

④Web服务器。Web服务器是为LonWorks网络提供Web浏览器的一种特殊的网关。Web服务器有一个连接到LonWorks网络的LonWorks收发器和一个HTTP服务器，而HTTP服务器可以从Web浏览器观看Web页。为了简便配置，可以动态地创建Web服务器上的网络变量，该变量被连接到任一LonWorks网络上的网络变量，便通过Web服务器提供的Web页方便地访问网络变量。Echelon公司的i.LON 1000IP服务器提供了这种Web服务器，并与LonWorks/IP路由器集成。

（2）LonWorks操作系统 LonWorks操作系统为全网提供了公共的、支持监视、监控、安装和配置的网络服务，网络操作系统也提供了便于使用网络管理和网络维护工具的编程扩展手段。LonWorks操作系统必须提供人机接口（Human Machine Interface，HMI）和监控应用的数据访问服务以及通过LonWorks或IP网的远程访问。

为使网络操作系统支持完全的互操作性，支持访问LonWorks对象和配置属性的LonWorks服务，以及创建LonWorks动态网络变量的服务，操作系统必须具有制造商标准的Plug-in产品，以方便设备配置。

需要指出的是，对于正常的系统工作来说，并不需要网络操作系统。网络操作系统在网络设备初期安装和以后更新时，提供安装和维护服务。一旦网络安装完毕，就不需要网络操作系统支持设备间的通信，这是LonWorks系统对等网结构的重要优势。

为了在网络工具和应用之间提供互操作，LonWorks系统提供包括一个称为LNS的网络操作系统，因为LNS提供了一个标准的支持互操作应用的平台。由于LNS是一个提供了互操作的LonWorks网络工具和应用的基础，所以该产品可以用于设计、安装、操作和维护LonWorks系统。LNS支持基于任意一种平台的客户机、基于Windows NT、Windows 98和Windows 95的服务器。

LNS使用客户/服务器结构，因此多个应用可以在同一时间内运行多个网络，并允许多个用户同时安装设备，操作一个系统诊断问题。

LNS Plug-in标准鼓励LonWorks设备制造商通过他们产品中软件组件为用户提供更好的服务。网络集成商用Plug-in对项目中要使用的设备进行配置，这些设备（智能软件）通常包含内嵌的问题求解工具、用户对话框以帮助确认配置的选择，以及用户界面监视设备数据并对数据绘图。实际上，制造商只需在其产品中一次写入这些智能软件，就可以简化在数千LonWorks网络上的产品应用。

（3）网络工具 网络工具是位于网络操作系统的上层，用于网络设计、安装、配置、监测、监控、诊断和维护的软件。网络工具有以下几类：

①网络集成工具。为设计、配置、安装和维护网络提供基本服务。

②网络诊断工具。实现监测、分析和诊断网络流量和监视网络负荷的专用工具。

③HMI开发工具。创建人机界面应用的工具，HMI应用服务于操作人员介入操作系统的需要。

基于LNS网络操作系统的网络工具是可互操作的，即这些工具在网络上同时运行，可以持续地观测网络设备和设备的配置。

1）网络集成工具LonMaker。网络集成工具LonMaker是进行设计、文档化、安装、维护多厂商的、开放的、可互操作的LonWorks网络软件包。它基于LNS网络操作系统，并将功能强大的客户服务器结构与可视用户界面相结合，使开发者在人机界面的引导下完成网络设计、安装和维护工作。

LonMaker工具具有以下特点：

①LonMaker工具支持LonMaker设备和其他LonWorks设备。例如，在LonMaker的图形工具箱中放置了LonMaker功能块图标，可以方便地使控制系统的逻辑文档化。

②LonMaker工具遵循LNS、Plug-in的标准，这使得工程师和技术人员容易定义、安装、维护和测试相关的设备。

③对于一般工程系统，网络设计一般是离线进行，即LonMaker工具并不连接到网络上。然而网络设计也可以是在线的，网络工具LonMaker可以连接到一个运行网络。这个特征对小型网络是理想的，或对那些经常添加、移动和改变网络配置的系统也是适用的。

④LonMaker工具包括许多LonMaker网络的智能块，用户可以创建新的用户智能块。用户智能块可以像一个单一设备或功能块那样简单，也可以像一个具有预定设备、功能模块以及它们之间连线的完整子系统那样复杂。若要使用用户子系统模块，只需把该模块图标拖放到一个新的设计绘图页中就可以创建一个子系统。

⑤LonMaker中网络安装也是非常方便的。设备可以用Service管脚、神经元芯片的条形码（Neuron ID）闪烁或人工键入芯片ID码进行标识。设备的配置和测试可以通过浏览网络变量和配置属性的集成应用程序实现。网络管理窗口可以测试、使能或禁止一个设备的某些功能块，或者设置设备的在线和离线状态。

2）LonManager协议分析仪 LonManager协议分析仪是一个带有网络接口卡的软件包，它可以观测、分析和诊断LonWorks网络的行为。

3）LNSDDE服务器。LNS DDE服务器是一个不需编程就可以使任一与微软DDE兼容的Windows应用程序监督和控制Windows网络的软件包。LNSDDE服务器的典型应用包括与HMI应用的接口、数据跟踪和趋势分析以及图形处理显示。

通过建立LNS与微软的DDE协议的连接，DDE兼容的Windows应用可以用以下任一方法与LonWorks设备进行交互：

①读取、监测和修改任一网络变量的值。

②监督和改变配置属性。

③接收和发送应用报文。

④测试、使能、禁止和配置LonMaker对象。

⑤测试和控制设备。

LNSDDE服务器将LonWorks网络与操作界面连接起来，实现对建筑物、工厂、商业、过程对象和工业应用的控制。LNS DDE服务器与InTouch、Intellution Fix、National Instrument的Labvlew、微软的Excel Visual Basic兼容。

一旦一个网络运行了Windows集成工具LonMaker，LNSDDE服务器就自动访问由LonMaker工具创建的LNS数据库，LNS保证所有的信息都可以在LNS数据库中获取。

（4）LonWorks网络结构和开发手段。

1）网络结构。LonWorks网络的基本组成单元是所谓智能节点，即一些LonWorks的生产公司开发的智能控制模块，它的核心是神经元芯片，根据实际需要配以相应的外围接口电路，以完成控制现场的各种要求，如模拟量的输入/输出、数字量的输入/输出、24V继电器的开关量输出以及继电器接触输入等。图1-58所示是一个以总线拓扑为例的LonWorks的基本系统结构图。

图1-58中的上位监控机通常是一台带有LonWorks网络适配卡的计算机，路由器通常只有中继器及不同通信介质间信息转换的功能，传输的距离受节点中收发器类型的限制。当网络采用78kB/s速率传输时，传输距离可以达到2km（不加中继设备），smart I/O与网络总线连接的距离最长不能超过3m。

图1-58 LonWorks网络应用基本结构图

可以将较大的LonWorks网络系统分成若干个域，每个域中又分成若干个特定区域，即一种子域的概念。子域又由若干节点设备构成，尤其在用LonWorks的网络组态软件LonMaker进行系统管理时，可以深刻地体会到这种网络系统的划分。

2）LonWorks开发手段。目前LonWorks网络系统有两种开发途径：一种是基于开发系统LonBuider或NodeBuider，它使用一种专门的编程语言——Neuron C，即针对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译再与通信协议代码连接生成总的目标代码，一起烧录到节点的存储器中；另一种是基于图形方式的软件开发工具——Visual Control，它基本上无需编程，只是通过对一些系统提供的图形符号的连接组态而构成控制系统，并自动编译生成总的目标代码，然后直接下载到节点的FlashROM中。当然对复杂一些的系统，需要编制自定义模块。但总的来说它使系统开发变得简单、方便，在不太熟悉NeuronC编程语言的情况下，使用户可以很快地构建一个实用的LonWorks网络系统。

（5）基于LonWorks系统的网络构建 基于LonWorks技术构建一个网络控制系统需要四个步骤：系统设计、网络配置、应用配置和安装，每个步骤都依赖于像Echelon LonMaker那样的Windows网络集成工具。

1）系统设计。系统设计由两个步骤构成：第一，选择与输入、输出部件相配合的LonWorks设备，并选择运行诸如PID控制应用程序的LonWorks设备；第二，确定适当的通信信道数量和信道类型，并选择连接信息的路由器，还包括选择骨干网，即大型系统一般用IP网，中型系统可以用IP或TP/XF-1250骨干网，小型系统可以用TP/FT-10骨干网。

2）网络配置。网络配置包括以下步骤：

①给所有的设备和设备组赋予域ID和逻辑地址。

②捆绑网络变量，创建设备间的逻辑连接。

③为了达到理想的特性和性能，在每个设备中配置各种各样的LonWorks协议参数。该参数包括信道位率、应答、确认和优先级服务。网络配置可以相当复杂，但其复杂性被网络开发工具隐蔽起来。网络功能的设计可以通过把设备功能块拖放到设计图中，并连接其输入、输出。

网络配置有现场安装和设计安装两种模式。在现场安装模式中，设备在被连接到网络并加电后，配置数据是通过网络下载的。而设计安装模式中，网络集成工具将信息收集到数据库，这些信息在安装时下载到设备中。在任一模式下，网络集成工具自动地维护反映系统中每个节点配置的确切信息。

3）应用配置。应用配置是一个处理过程，通过应用配置，使每个设备的应用程序可进行剪接以达到满意、理想的功能。应用配置是通过选择合适的配置特性来实现的，LNS网络操作系统为制造商提供了创建方便、图形化的配置接口平台，被称为Plug-in。

Plug-in自动与任一其他LNS网络工具兼容。例如，Echelon公司的LonPoint模块应用程序都具有供配置用的LNS Plug-in。当用LonMaker工具配置了设备之后，用户可以简单地右击LonPoint功能模块图标，从菜单处选择“Configure”，则Plug-in立即从Lon-Maker工具中启动。

4）安装。安装包括以下步骤：

①安装信道的物理通信介质。

②把LonWorks设备连接到网络，包括路由器。

③把I/O部件连接到LonWorks设备。

④用网络集成工具下载网络配置数据和设备的应用配置数据，这被称为提交一个设备。

⑤对于那些应用程序不是制造商预置的设备，网络工具把应用程序下载到设备的非易失存储器中。