LonWorks技術(shù)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

1前言

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）是按分布式信息與控制理論設(shè)計(jì)的集散監(jiān)控系統(tǒng)（DCS），它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展?jié)B透而產(chǎn)生[1]。然而，集散型控制系統(tǒng)還沒(méi)有從根本上解決系統(tǒng)內(nèi)部通信問(wèn)題和分布式問(wèn)題，只是自成封閉系統(tǒng)，以固定集散模式和通信約定構(gòu)成。因此，這種控制系統(tǒng)還很難適應(yīng)智能大廈種類繁多的設(shè)備檢測(cè)和控制要求。LonWorks技術(shù)是專門(mén)為實(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)的、能在控制層提供互操作的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，作為局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域的延伸和應(yīng)用，LonWorks網(wǎng)絡(luò)是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）的方式進(jìn)行構(gòu)造，用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代替LAN中的工作站，并將其安裝于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，直接與各種監(jiān)控傳感器和控制器相連。LonWorks網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)間可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的信息傳送，具有極其良好的互操作性，這樣使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無(wú)中心的真正的分布式控制模式。這種網(wǎng)絡(luò)集數(shù)據(jù)采集、分析、控制和網(wǎng)絡(luò)通信為一體，十分適合于智能建筑進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)管理和控制。樓宇自動(dòng)化近年來(lái)正在向著開(kāi)放系統(tǒng)迅速發(fā)展。在實(shí)時(shí)控制方面，實(shí)現(xiàn)可互相操作的現(xiàn)場(chǎng)總線LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的通信協(xié)議LonTalk，為樓宇自動(dòng)化中的傳感器、執(zhí)行器和控制器之間網(wǎng)絡(luò)化操作奠定了基礎(chǔ)。

2LonWorks技術(shù)概述及在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

2．1LonWorks技術(shù)簡(jiǎn)介L(zhǎng)onWorks技術(shù)是美國(guó)Echelon公司90年12月推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，Lon（LocalOperatingNetwork）的意思為局部操作網(wǎng)絡(luò)，具有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一切特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)總線，它是自動(dòng)化領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通信體系最低層的低成本網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FF）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線作了如下定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)[2]。目前，世界上許多著名的自動(dòng)化廠商和Honeywell、JohnsenControls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技術(shù)。迄今為止，使用LonWorks技術(shù)的生產(chǎn)廠商已有3000多家，并安裝了500多萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。在中國(guó)，Echelon北京代表處于1995年成立，目前有六十多家中國(guó)廠商加入了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的OEM行列，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已大量應(yīng)用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)廠房、樓宇及家庭自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運(yùn)輸業(yè)等。LonWorks分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它真正并徹底地貫徹了“分散控制、集中管理”的控制思想，在國(guó)際和國(guó)內(nèi)都得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。更準(zhǔn)確地說(shuō)LonWorks技術(shù)有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通訊難題。

2．2LonWorks技術(shù)的主要性能特點(diǎn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可具有多種功能的I/O功能。用戶可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行再編程，實(shí)現(xiàn)用戶自定義的算法和功能。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可通過(guò)不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術(shù)包括監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、安裝、開(kāi)發(fā)和調(diào)試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設(shè)備和軟件程序，主要包括以下幾個(gè)方面：

2．2．1LonWorks的技術(shù)核心是神經(jīng)元芯片Neuron，這種使用CMOSCLSI技術(shù)的神經(jīng)元芯片使實(shí)現(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)控制成為可能。
在Neuron芯片中有3個(gè)8位的CPU，第一個(gè)CPU為介質(zhì)訪問(wèn)控制處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一層和第二層，它包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行沖突避免算法；第二個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器、處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的處理、尋址、事務(wù)處理、證實(shí)、背景診斷、軟件計(jì)時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和函數(shù)路徑選擇等，它還控制網(wǎng)絡(luò)通信口，物理地發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包；第三個(gè)CPU為應(yīng)用處理器，它執(zhí)行用戶編寫(xiě)的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。Neuron芯片的編程語(yǔ)言為NeuronC，它是從ANSIC中派生出來(lái)的，并對(duì)ANSIC進(jìn)行了冊(cè)減和增補(bǔ)。一個(gè)運(yùn)行NeuronC應(yīng)用程序的節(jié)點(diǎn)，最多可以說(shuō)明62個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量可以是NeuronC變量或結(jié)構(gòu)，其最大長(zhǎng)度可達(dá)31個(gè)字節(jié)。最多31個(gè)字節(jié)的數(shù)組可以被嵌入在一個(gè)結(jié)構(gòu)里并作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量來(lái)傳播。Neuron芯片有一個(gè)非常通用的通信口，它有五個(gè)引腳組成，利用這五個(gè)引腳可以配置成各種通信介質(zhì)接口（網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器）。Neuron芯片既可以從具有五個(gè)引腳的通信口，也可以從具有11個(gè)引腳的I/O口發(fā)送和接受信息。這些引腳可以用在不同的配置下，為外部硬件提供靈活的接口和接入芯片內(nèi)部計(jì)時(shí)時(shí)鐘。I/O口有四類34個(gè)預(yù)編程的I/O對(duì)象，用來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的測(cè)量、計(jì)時(shí)和控制應(yīng)用操作。
2．2．2LonWorks技術(shù)的核心為L(zhǎng)onTalk通信協(xié)議，協(xié)議遵循由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）模型，提供了7層協(xié)議所有內(nèi)容的服務(wù)。在通信方式上采用一種改進(jìn)的CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)），稱為帶預(yù)測(cè)的P-PersistentCSMA算法。