現(xiàn)場(chǎng)總線Lonworks

1、LonWorks在家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用摘要：在智能建筑中，家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)作為其最基本的組成部分，直接影響著智能建筑的人性化及智能化程度。RS485、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)及LonWorks總線均可用于家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)，但相比之下，基于LonWorks總線1的家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)更具有優(yōu)勢(shì)，因此本文主要就LonWorks在家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展開了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)的核心是家庭控制器和接口模塊，對(duì)于家庭控制器的設(shè)計(jì)，又分為L(zhǎng)on控制模塊和采集模塊兩個(gè)模塊，并分別就這兩個(gè)模塊做了簡(jiǎn)單的介紹和設(shè)計(jì)，其中Lon控制模塊設(shè)計(jì)的核心芯片是神經(jīng)元芯片3150和主處理器。最后用拓?fù)鋱D的形式展現(xiàn)了家庭智

2、能控制網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)，從而完成了基本設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：LonWorks總線 智能控制網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)元芯片 LonWorks application in family intelligent control networkAbstract: in intelligent building, family intelligent control network as part of its most basic, directly affects the humanization of the intelligent building and intelligent level. RS485, Et

3、hernet, wireless networks and LonWorks fieldbus intelligent control network can be used in the family, but in contrast, family intelligent control based on LonWorks fieldbus network has more advantages, so this paper mainly LonWorks application in family intelligent control network is a simple desig

4、n. Family intelligent control network is the core of the controller and the interface module, the design of the controller for the family, is divided into Lon control module and acquisition module two modules, and then the two modules respectively made simple introduction and design, the module desi

5、gn of Lon control core chip is the neuron chip 3150 and the main processor. Finally in the form of a diagram shows the general structure of the family intelligent control network, thus completed the basic design requirements.Key words: Lon Works fieldbus intelligent control network neuron chip.隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)

6、濟(jì)、家電的智能化以及CPU的發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)日益受到人們的關(guān)注。伴隨著智能建筑的逐漸普及，為了追求更加智能化的居住環(huán)境，人們對(duì)家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)2的需求也逐漸增強(qiáng)，同時(shí)LonWorks總線的日趨成熟也為家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了極大地契機(jī)。LonWorks是由美國(guó)Echelon公司研制，于1990年正式公布的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。LonWorks技術(shù)的核心是具有3位CPU的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip），同時(shí)具備通信與控制功能，并且固化了LonTalk協(xié)議，以及34種常見的I/O控制對(duì)象。它采用ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，LonWorks技術(shù)將其稱為“網(wǎng)絡(luò)變量”

7、，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)置簡(jiǎn)化成參數(shù)設(shè)置。這樣，不僅節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)增加了通信的可靠性。其最高通信速率為1.25Mbit/s，最遠(yuǎn)通信距離為2700m，節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)32000個(gè)。與RS-485相比，LonWorks技術(shù)是一套完整的智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Echelon公司以及全球OEM廠商提供了基于LonWorks的一系列產(chǎn)品及完整的解決方案。國(guó)際LonMark協(xié)會(huì)制定的可互操作設(shè)計(jì)規(guī)范為不同的廠商產(chǎn)品互操作奠定了基礎(chǔ)。而RS-485則是物理電器接口標(biāo)準(zhǔn)，不是實(shí)際意義上的網(wǎng)絡(luò)?；赗S-485的廠商可個(gè)自定義自己的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，不同廠商的產(chǎn)品不通過(guò)網(wǎng)關(guān)3基本上不能共存在同一網(wǎng)絡(luò)中。并且經(jīng)比

8、較RS-485在通訊速率、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)容量、通信可靠性等方面均略遜色于LonWorks總線。因此本文不同于傳統(tǒng)家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方式，基于LonWorks總線對(duì)家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。1.LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的組成基于LonWorks技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)由LonWorks節(jié)點(diǎn)、路由器、LonTalk協(xié)議、LonWorks收發(fā)器和LonWorks網(wǎng)絡(luò)管理5個(gè)部分構(gòu)成。1.1 LonWorks節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)被稱為智能設(shè)備，它物理節(jié)點(diǎn)的抽象，應(yīng)用設(shè)備節(jié)點(diǎn)、路由器、網(wǎng)絡(luò)接口卡都是節(jié)點(diǎn)。LonWorks節(jié)點(diǎn)可采用一神經(jīng)元芯片為核心的方式，即神經(jīng)元芯片加上收發(fā)器構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)

9、。由于神經(jīng)元芯片的功能有限，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也可以采用神經(jīng)元芯片加主處理器的方式，把神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)議處理器，用高性能的主處理器完成較為復(fù)雜的測(cè)控功能。LonWorks節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)根據(jù)其難易程度分為兩類：?jiǎn)翁幚砥鞯闹悄芄?jié)點(diǎn)和雙處理器的智能節(jié)點(diǎn)。其中，單處理器的智能節(jié)點(diǎn)是以神經(jīng)元芯片為核心，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。神經(jīng)元芯片不僅要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的通信，而且通過(guò)其將I/O口直接連接到傳感器/執(zhí)行器上，實(shí)現(xiàn)端口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視和控制，主要應(yīng)用于較為簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)，如自動(dòng)抄表、安防報(bào)警的等。而雙處理器的智能節(jié)點(diǎn)是將神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)處理器，而復(fù)雜的測(cè)控功能則有更高級(jí)的主處理器來(lái)完成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主

10、要用于功能較為復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，如鍵盤及顯示控制節(jié)點(diǎn)、電話及語(yǔ)音控制節(jié)點(diǎn)等。圖1 單處理器的智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖圖2 雙處理器的智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖1.2 路由器 路由器是LonWorks技術(shù)的一個(gè)主要組成部分，用來(lái)連接不同通信介質(zhì)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)。路由器通常有兩個(gè)互聯(lián)的神經(jīng)元芯片，每個(gè)神經(jīng)元芯片配有一個(gè)適用于本側(cè)信道的收發(fā)器，路由器就連接在這兩個(gè)信道上。路由器對(duì)網(wǎng)絡(luò)的邏輯操作是完全透明的，但他們并不一定傳輸所有的包，智能路由器能夠阻止沒有遠(yuǎn)地地址的包穿越路由器。LonWorks支持的路由器有四種，即中繼器、網(wǎng)橋、學(xué)習(xí)路由器和配置路由器，后兩者屬于智能路由器。Lonworks還支持名為L(zhǎng)onWorks/I

11、P的路由器，利用該路由器，LonWorks系統(tǒng)可以通過(guò)廣域網(wǎng)（如Internet）大幅度地?cái)U(kuò)展其工作范圍。路由器除連接不同媒介的LonWorks網(wǎng)絡(luò)外，還能控制網(wǎng)絡(luò)交通，增加信息通量和網(wǎng)絡(luò)速度。 1.3 LonTalk協(xié)議 LonWorks稱為L(zhǎng)onTalk協(xié)議4和ANSIEIA7091控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，是Lonworks系統(tǒng)的靈魂，它固化于神經(jīng)元芯片中，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議提供一系列通信服務(wù)，使得一個(gè)設(shè)備的應(yīng)用程序可以在不了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、名稱、地址或其它設(shè)備功能的情況下發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備的報(bào)文。LonTalk協(xié)議能提供端到報(bào)文確認(rèn)，報(bào)文認(rèn)證、打包業(yè)務(wù)和優(yōu)先傳送服務(wù)，提供網(wǎng)絡(luò)管理服

12、務(wù)的支持，并允許遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理工具與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行交互。LonTalk協(xié)議是一個(gè)分層的、基于數(shù)據(jù)包的對(duì)等通信協(xié)議，是一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)并遵循OSI模型分層規(guī)則。為了確保滿足控制網(wǎng)絡(luò)的可靠和魯棒的通信標(biāo)準(zhǔn)，LonTalk協(xié)議為控制應(yīng)用提供了一個(gè)高可靠、高性能、高抗干擾性強(qiáng)的通信機(jī)制。其各層的功能如表1所示：層次OSI層次服務(wù)Lon提供的服務(wù)處理器7應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的類型應(yīng)用CPU6表示層數(shù)據(jù)表示網(wǎng)絡(luò)變量，外部幀傳輸網(wǎng)絡(luò)處理器5會(huì)話層遠(yuǎn)程遙控請(qǐng)求/應(yīng)答，認(rèn)證，網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)處理器4傳輸層端對(duì)端可靠傳輸應(yīng)答、非應(yīng)答。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及雙重查網(wǎng)絡(luò)處理器3網(wǎng)絡(luò)層傳輸分組地址，路由網(wǎng)絡(luò)處理器2鏈路層鏈路層幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)，

13、數(shù)據(jù)解碼，CRC錯(cuò)誤檢查MAC處理器MAC子層介質(zhì)訪問(wèn)1物理層電路連接介質(zhì)，電器接口MAC處理器表1 LonTalk協(xié)議的各層功能1.4 LonWorks收發(fā)器神經(jīng)元芯片通過(guò)收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)交換信息5，各種不同的收發(fā)器支持不同的通信媒體。常見的收發(fā)器有：雙絞線收發(fā)器、電力收發(fā)器、無(wú)線射頻收發(fā)器和光纜收發(fā)器。雙絞線收發(fā)器與神經(jīng)元芯片的接口有三種類型：直接驅(qū)動(dòng)、EIA-485和變壓器耦合，其中比較長(zhǎng)見的接口是采用變壓器耦合的FFT-10A收發(fā)器。FFT-10A收發(fā)器支持沒有極性、自由拓?fù)洌ò偩€型、星形、環(huán)形、復(fù)合型）的互聯(lián)方式。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，一般采用總線拓?fù)洌ㄟ^(guò)帶屏蔽的雙絞線互聯(lián)在一起。根

14、據(jù)EIA485標(biāo)準(zhǔn)，所有設(shè)備必須通過(guò)雙絞線互聯(lián)在一起，以防止線路反射，保證可靠通信，F(xiàn)FT-10A收發(fā)器很好到解決了這一限制。FFT-10A的具體引腳定義如表2所示：名稱管腳序號(hào)功能Vcc15v DC輸入NET-A2網(wǎng)絡(luò)端口，連接雙絞線，無(wú)極性NET-B3網(wǎng)絡(luò)端口，連接雙絞線，無(wú)極性RxD4神經(jīng)元芯片CP0TxD5神經(jīng)元芯片CP1CLK6收發(fā)器的時(shí)鐘輸入端，連接Neuron芯片的CLK2T17ESD和瞬態(tài)保護(hù)GND8接地T29ESD和瞬態(tài)保護(hù)表2 FFT-10A引腳定義 2. 利用LonWorks網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建家庭控制裝置家庭控制網(wǎng)絡(luò)的核心部分是家庭控制器和接口模塊，家庭控制器用來(lái)管理與監(jiān)控接在接口

15、模塊終端下各種設(shè)備的信息傳送，實(shí)現(xiàn)與外部信息網(wǎng)絡(luò)的連接。接口模塊則是用來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與終端之間的配接，各種設(shè)備通過(guò)接口模塊與家庭總線相連接，并在家庭控制器的管理下構(gòu)成家庭總線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)、外的信息傳送及管理。對(duì)于家庭控制裝置可分為兩個(gè)設(shè)計(jì)部分，即Lon控制模塊和采集模塊。 2.1 Lon控制模塊控制裝置以Lon控制模塊為核心，通過(guò)對(duì)采集電路所采集的各種信號(hào)加以作用，完成裝置的各種功能，其中Lon控制模塊主要包括神經(jīng)元芯片、存儲(chǔ)器、晶振和收發(fā)器。2.1.1神經(jīng)元芯片的選擇常用的神經(jīng)元芯片主要有Neuron3120xx和Neuron3150，這兩種芯片在功能上大體相同。120芯片內(nèi)含有2k

16、存儲(chǔ)器，多用于功能較少而且不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器的硬件構(gòu)造中；而3150芯片內(nèi)部具有0.5kEEROM、2kRAM存儲(chǔ)器，可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)信息，從而用于更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。因此在此次設(shè)計(jì)中選擇功能更加強(qiáng)大的Neuron3150芯片。Neuron3150芯片外部存儲(chǔ)器接口引腳如下表3所示：引腳名方向功能A0A15輸出地址線D0D7輸入/輸出數(shù)據(jù)線E輸出使能時(shí)鐘R/-W輸出讀/寫選擇表3 Neuron3150芯片外部存儲(chǔ)器接口引腳2.1.2通信適配端口Neuron3150芯片的通信口可與多種傳輸媒介接口（即網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器）相連接，以實(shí)現(xiàn)較寬的傳輸速率。同時(shí)，各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的配置，也為選擇不

17、同的通信媒介提供了條件。在本設(shè)計(jì)中選用的是FTT-10型收發(fā)器，利用雙絞線實(shí)現(xiàn)與家用電腦以及整個(gè)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)管理的信息傳遞。FFT-10型收發(fā)器采用變壓器隔離，可以實(shí)現(xiàn)高隔離、高抗擾，對(duì)于控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性有了極其可靠的保證。其傳輸距離可達(dá)2700m、傳輸速率達(dá)78kbit/s,可滿足裝置與上位機(jī)的信息傳遞要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三種工作方式，分別是：?jiǎn)味斯ぷ鞣绞健⒉罘止ぷ鞣绞?、專用工作方式。不同的工作方式所?duì)應(yīng)的引腳定義不同，具體工作方式的選擇如下表4所示：引腳單端工作方式差分工作方式專用工作方式CP0數(shù)據(jù)入+數(shù)據(jù)入Rx入CP1數(shù)據(jù)出-數(shù)據(jù)入Tx出CP2發(fā)送使能+數(shù)據(jù)出比

18、特鐘輸出CP3休眠輸出-數(shù)據(jù)出休眠輸出CP4沖突檢測(cè)輸入沖突檢測(cè)輸出幀時(shí)鐘輸出表4 Neuron3150工作方式引腳定義在設(shè)計(jì)中Neuron3150芯片的通信端口選擇單端工作方式配置，與FFT-10A收發(fā)器的具體配置如圖1所示，其中FFT-10的CLK與Neuron3150的CLK2相連，用以保證二者的時(shí)序一致。圖3 FFT-10收發(fā)器配置圖2.2采集模塊設(shè)計(jì)采集模塊包括I/O接口電路、光電隔離保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、保持電路、鎖存電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路。采集電路與Lon控制模塊的連接則是通過(guò)一個(gè)18針雙列直插式板邊連接器和一個(gè)6針單列直插式板邊連接器完成。這樣的連接方式符合模塊化的設(shè)計(jì)

19、要求，且便于安裝和調(diào)試。其硬件原理圖如下圖4所示：圖4 硬件原理圖2.3軟件實(shí)現(xiàn)Neuron C是專門為神經(jīng)元芯片設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，直接支持神經(jīng)元芯片的固化軟件，刪除了標(biāo)準(zhǔn)C中一些不需要的功能，如某些標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)庫(kù)，并為分布式LonWorks環(huán)境提供了特定的對(duì)象集合及訪問(wèn)這些對(duì)象的內(nèi)部函數(shù)。 Neuron C提供了一些適用于LonWorks網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的功能，增加了一個(gè)新的對(duì)象類網(wǎng)絡(luò)變量，網(wǎng)絡(luò)變量分為輸入和輸出類型，Lonworks網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)備之間可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量互傳信息，且網(wǎng)絡(luò)變量的傳送工作由固件自動(dòng)完成，開發(fā)時(shí)只需在Neuron C應(yīng)用程序中給網(wǎng)絡(luò)變量賦值即可

20、；此外，還增加了一個(gè)新的語(yǔ)句類型when語(yǔ)句，引入事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，整個(gè)應(yīng)用程序用When語(yǔ)句引導(dǎo)；通過(guò)對(duì)I/O對(duì)象的聲明，使神經(jīng)元芯片的I/O得以標(biāo)準(zhǔn)化，便于對(duì)于多種類型信號(hào)的監(jiān)控。在此次設(shè)計(jì)中，采用的方法是模塊化設(shè)計(jì)方法，其中主要包括遠(yuǎn)程抄表模塊、報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊、室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)模塊、順序控制模塊，各功能模塊的運(yùn)行都采取事件驅(qū)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示：圖5程序流程圖3.用LonWorks搭建家庭控制網(wǎng)絡(luò)LonWorks總線的普遍應(yīng)用給智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)的新發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。采用Lonworks使得智能家居網(wǎng)絡(luò)從封閉的僅依賴與單個(gè)廠商的控制系統(tǒng)到完全可以互操作的家庭智能控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實(shí)

21、?？梢砸訪onWorks技術(shù)為依托，開發(fā)與LonWorks兼容的通用智能控制節(jié)點(diǎn)，各種專用節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的傳感器、變送器及執(zhí)行器，從而搭建出性能更優(yōu)的新一代的家庭控制控制網(wǎng)絡(luò)。家庭智能控制系統(tǒng)通過(guò)用戶接口與家庭總線單元連接。集宅內(nèi)安防、遠(yuǎn)程抄表和家電控制于一體，所有有關(guān)設(shè)備都掛接在LonWorks網(wǎng)絡(luò)組成的家庭總線系統(tǒng)（Home Bus System）上，所有報(bào)警信號(hào)經(jīng)過(guò)智能節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)LonWorks網(wǎng)絡(luò)送到家庭，其具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示：圖6 控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖撲結(jié)構(gòu)圖中的用戶接口單元是一個(gè)由HFC網(wǎng)連接用戶終端的設(shè)備。它從HFC6接收視頻、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音的混合信

22、號(hào)，經(jīng)它分為兩路，一路由同軸電纜輸出有線電視信號(hào)和視頻信號(hào)至用戶的STB和TV；另一路射頻語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)后，送電話到其他家電設(shè)備，同時(shí)接受智能家庭控制器所采集的數(shù)據(jù)和各類報(bào)警信號(hào)。智能控制器則是基于LonWorks技術(shù)構(gòu)成的，它即可完成電表、煤氣表、冷熱水表等數(shù)據(jù)的采集、傳輸，又可通過(guò)紅外傳感器、氣漏傳感器等進(jìn)行安全報(bào)警，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)照明、家電等設(shè)備的控制，對(duì)室內(nèi)溫、濕度的檢測(cè)。4總結(jié)基于LonWorks較RS485在通訊速率、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)容量、通信可靠性等方面的優(yōu)點(diǎn)，本文主要就LonWorks總線，對(duì)于智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)單硬件與軟件設(shè)計(jì)，其中著重對(duì)于Lon控制模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的形式展現(xiàn)了基于LonWorks的智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。運(yùn)用LonWorks總線的方式，提高了系統(tǒng)的開放性和互操作性，由于Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，智能節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)儀表直接相連，設(shè)備與連線較少，減少了信號(hào)的往返傳輸，大大地提高了智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性。本文中的設(shè)計(jì)僅僅是最初步的設(shè)計(jì)，相信隨著LonWorks總線應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，LonW