（控制理论与控制工程专业论文）基于lonworks的智能小区安防系统的设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 智能化小区是近年来随着信息技术的发展而新兴发展起来的产业，在我国 还处于初始阶段。小区安全防范系统和设备监控系统与计算机控制系统紧密相 关。随着控制系统的不断发展，特别是现场总线技术的出现，智能小区控制系 统也受到广泛关注。 结合实际的系统开发，本文在阐述智能小区的概念、组成以及我国智能小 区发展现状的基础上，介绍了全分布智能控制网络技术l o n w o r k s 的主要特点， 分析了智能控制网络技术应用于智能小区的可行性，提出了一种基于l o r l 、釉r k s 技术的智能小区安防系统设计方案。该方案把整个智能小区安防系统作为一个 l o n 网络，把各个子系统通过节点挂在l o r l w o r k s 网络上。论文主要对安全防范 系统中的可视对讲予系统的结构及通信协议进行了分析，对可视对讲子系统的 软件丌发也做了仔细研究。 本论文共分五章：第1 章介绍论文的研究背景，简述了智能小区的基本结 构及现场总线；第2 章详细介绍了l o n w o r k s 现场总线技术，对l o n w o r k s 总线 中的n e u r o n 芯片、l o n t a l k 通信协议、网络变量等作了详细的研究：第3 章介 绍了智能小区安防系统总体设计方案，并对安防系统中的各个子系统作了简要 介绍；第4 章是本文的重点，首先介绍了可视对讲子系统的结构及通信协议， 然后对环流转换器进行了设计，最后对讲子系统的软件开发做了仔细研究；第5 章是对本文的总结，讨论了智能小区的发展方向以及现场总线技术的前景。 随着人们生活水平的不断提高，智能化小区将越来越受到社会的重视， l o n 、r k s 现场总线技术及计算机控制技术在小区建设中必将会得到更加广泛的 应用。 关键字：智能小区，l o n w o r k s ，可视对讲 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n t r e s i d e n t i a lc o m m u l l i t yh a sb e c o m ean e w 抽d u s 仃yw i t i l 1 e d e v e l o p m e mo fi n f 0 册a t i o nt c c h n o i o g y ，w h i c hi si nt h ep r i m i t i v es t a g ei no u r c o l l l l t r ya tp r e s e m t h es e c u r i t ) rp r c c 枷o na i l dt h em 砌t o r i n gs y s t e mo fe q u i p m e n t a r ec l o s ea n dr e l 州a n tw i 也c o m p 岫c o i l 廿0 1s y s t e m w i t hm ed e v d 叩m e mo fm e c o n 仃o ls y s t e m ，e s p e c i a l l ym ea p p e a r 锄c eo ff i e l d b l l st e c h n o l o g y ，t 1 1 ei 1 1 t e l l i g e n t d i 8 订i c tc o n t r o ls y s t e mi sp a i dc l o s ea n e n t i o nt o c o m b i n e dw i mp m c t i c a ls y s t e m ，i nt h i st i l e s i s ，t 1 1 ea u t h o r 矗r s td i s c u s s e s l e c o n c e p ta n dc o m p o s i t i o no fi n t e i l i g e n tc o m m n i t y ，a sw e l la si t sr e a l i t yi no c o u n t r y 甜l dt h e ni n 协) d u c et h em a i nf b a t u r eo fl o n 、相r k st e c h n o l o g y f i n a l l y ， t h e 卸m o ra n a i y s e s 也ef e a s i b i l i t ) ro f 印p l y i n gl o n 、o r k s t e c h n o l o g yt oi n t e l l i g e m c o m m u n i t y 鼬db r i n g sf o n v a r d ad e s i g n i n gs c h e m eo f i n t e l l 蟾e n tc o m m u i l i t yb 淞e d o nl o n w o r k s i nt h i ss c h e m e ，t h ew h o l ei n t e l l i g e n tc 删时i st a k e na sal o n n e t w o r k ，a n de a c hs d b s y s t e m sa sar 幻d eo fl o nn e t 、v o r k t h es t r u c t u r ea n d c o t i m l u n i c a t i o np r o t o c o lo fv i s u a li n t e 卜c o n v 删i o ns u b s y s t e m sh 船b e e nd e b a t e di n t l l em e s i s ，a n dm em a i nr e l e v a n ts o f c w a r ed e v e l o p m e n tt e c l l i l o l o g yh a sb e e ns t u d i e d c a 倒m i y t h i st h e s i si so r g a n i z e di n t of i v ec h 印t e r s ：c h a p t e ro n ei n t r o d u c e dt i l er e s e a r c h b a c k 掣o u n do f 1 et l l e s i s ，s k e t c hb a s i cs t r u c t u r eo ft l l ei n t e l l i g e mc o r m n u n 时a i l d f i e l d b u s ，c h a p t e rt 、v oh a si n 廿o d u c e dl o n 、v o r k st e c h n o l o g ya t1 e n g n l t h ca r t i c l eh 舔 d o n ed e 协i l e dr e s e 嬲出t on n c h i p ，l o “t a l kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，n e t w a r k v a r i a b l e se t c c h 印t e rt h r e eb r i n g sf b n a r dad e s i g n i n gs c h e m eo fs e c 谢t ys y s t e n lo f i n t e l l i g e n tc o 咖u n i 吼a n di m r o d l l c e de a c hs u b s y s t e m so fs e c u r i t ys y s t e m c h a p t e r f o u ri s l ek e yc h 郇惦ro fm i sm e s i s i ti n 仃o d u c e dt h es 旬m c t u r ea n dc o m m 倒c a t i o n p r o t o c o lo fv i s u a lm c o n v e r s a t i o ns u b s y s t e m sa n dd e s i 髓e dt h ec i i 伽l a 廿o n c o n v e n e r s t h em a i nr e l e v 趾ts o f t w a r ed e v e l o p m e n t 把c k l o l o g yh a sb e e ns t u d i e d c a r e f u l l y a tl a s t ，t h em a i nr c i e v a n ts o r w a r ed e v e l 叩m e mt e c 量l n o l o g y 】1 a sb e e n s n i d i e dc a r e f u l l y c h a p t e rf i v ec o n c l u d e st h et h e s i sw i 也a s u m m a r y 武汉理i i 大学硼士学位论文 w i 也m ed e v e l o p m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a l l d a r d ，廿l ei n t e l l i g c n tc o m m u n i 够 w o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o nt ob ym es o c i e t y ，t 1 1 el o r l 、v o r k st e c h l o l o g y 觚dt l l e c o m p u t 盱c o r 灯0 1s y s t e mm u s tg e tm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o nd u r i n gt h ed i s t i i c t c o n s 订u c t i o n k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y l o n w o r k s ，v i s u a l i n t e 卜c o n v e r s a t i o n i i i 武汉理工大学硕士论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 智能建筑集通信技术、控制技术、仪器仪表技术和计算机技术于一体，为 人们提供高质量的工作和生活环境，并实现节能和环保。近几年来，随着人们 生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高，将智能的概念引用到住 宅小区建设中来i l j 。 智能小区应用系统的基本功能配置主要包括以下几个方面： 1 、安全防范系统。提供闭路监控、可视对讲居、周界防范、电子巡更及其 它各种报警系统等等。 2 、设备监控系统。主要是给排水监控系统及电梯、照明等设备的监控。 3 、信息通讯系统。提供用户语音通信、视频广播、宽带信息服务。 4 、物业管理系统。实现三表的远程抄送、收费及其它一些小区物业的管理【2 】。 在智能小区的建设当中，小区安全防范系统和设备监控系统无疑与计算机 控制系统的发展有着紧密的联系。随着计算机控制系统理念的不断发展，传统 控制方式的局限性和缺点越来越为人们所认识，特别是现场总线技术的提出， 使得住宅小区智能化的概念越来越受到关注。在一些发展较快的地区，智能化 小区的建设已经成为房地产关注的焦点。但是，由于受到市场价格、传统思想 等诸多因素的影响，当前住宅小区的智能化建设还处于初级阶段，智能小区的 计算机控制系统也还处于传统控制方式与现场总线控制并存的方式【3 】。 1 2 智能小区及其系统构成 智能小区是在智能化大楼的基本含义中扩展和延伸出来的，它通过对小区 建筑群四个基本要素( 结构、系统、服务、管理以及它们之间的内在关联) 的优化 考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的居住 环境。由于“智能化”是一个相对的概念，“智能化”技术本身也正在不断地发 展、完善、直至成熟，因此智能小区智能化是一个过程，它应当随着智能化技 术的发展和人们需求的不断增长而增长。总的来说，智能小区是利用现代4 c ( 即 计算机、通讯与网络、自控、i c 卡) 技术，通过有效的传输网络，将多元信息服 武汉理工大学硕士论文 务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理 提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒 适家居环境5 1 。 总的来说，智能小区应该具有安全自动化系统、通讯自动化系统和管理自 动化系统。 1 、安全自动化系统 以空间来分，可分为室内部分和室外部分。 1 ) 室内部分 住户室内安装的红外线探头、紧急救助、煤气泄漏、门磁系统连接到住户 室内智能控制器。智能控制器负责数据采集、数据分析并把结果传送到小区管 理中心，由小区管理计算机作处理，显示及打印情况、通知值班人员及l l o 报警 中心。其各部分组成功能如下： 在住户室内每个入口及窗口安装红外线探测器，当有人非法进入时，红外 线探测器触发报警，将信号传送至室内智能控制器，智能控制器发出声光信号， 并将此信号送至小区管理中心，详细显示出哪一栋、哪一户、哪个房间发生何 种类型报警，值班人员即可调度保安人员现场查询及处理；在厨房安装一个煤气 泄漏探测器，一旦有煤气泄漏，即触发报警，通知中心控制室由控制室值班员 作处理；在客厅安装烟感或温感，当住户发生火灾时，触发报警，并将信号传送 到报警中心；在门框上边中央位置安装一对门磁，当有人非法打开大门时，立刻 报警，智能控制器将信号传至控制中心。 2 ) 室外部分 在围墙段设周界红外线对射报警系统。当有人非法越栏时，立刻报警，并 触发周界摄像机跟踪摄相及录相。 2 、通讯自动化系统 小区的物业管理中心不仅是智能小区的网络管理控制中心，而且是小区局 域网连接i n t e m e t 的通道。小区的每一个住户都连入小区的局域网，可以通过管 理中心的代理服务器连入h l t c m e t 。在小区管理中心架设电子邮件服务器、域名 服务器、w w w 服务器，这样小区的用户可以有自己的电子信箱、个人主页。 管理中心提供小区电子公告版、视频点播、网上电子商务等虚拟社区服务，极 大的方便了小区用户。 3 、管理自动化系统 2 ，、武汉理王大学硕士论文 不仅实现小区的住户管理、信息查询，而且实现小区的自动抄表系统。小 区用户水、电、煤气三表输出的脉冲信息由智能控制器读出，再通过l o n 网络 传输到小区的管理中心，管理中心读出三表读数，并打印出来。先进的可以与 银行连接，定期通过银行系统扣费，从而实现远程抄表与自动扣费结合。 1 3 现场总线简介 现场总线是运用在生产现场、在控制设备之间实现双向、串行、多节点数 字通信的系统。现场总线的思想是把微处理器放入传统的测量控制仪表，使它 们都具有数字计算和数字通信的能力，采用一定的介质r 例如双绞线、光纤、无 线电、红外等) 作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的控制 设备之间以及控制设备和远程监控计算机之间实现数据传输和信息交换。简言 之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们 连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。基于现 场总线的控制系统被称为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y 昧瓶) ，简称 f c s f 8 】。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计 算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络得到了迅速发展， 而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模 拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系 统与外围之间的信息转换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的 信息集成，要实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、 性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之 间的多点数字通信，完成底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造 自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的联系纽带，为彻底打破自动化 系统的信息孤岛创造了条件。现场总线从本质上说是一种数字通信协议，是连 接智能现场设备和自动化系统的数字式，全分散，双向传输，多分枝结构的通 信网络，是控制技术，仪表技术，计算机网络技术三方面的相结合，代表了今 后工业控制系统结构发展的方向。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络， 又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的连接纽带，把挂接在总线上、作 武汉理工大学硕士论文 为网络节点的智能设备连接成为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基 本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管为一体的综合 自动化功能。现场总线控制系统是一个以智能传感器技术、自动控制技术、计 算机技术、通信技术、网络技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程 自动化、制造自动化、楼字自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景， 被誉为2 1 世纪最有希望的自动化技术。 1 4 现场总线的技术特点 1 、现场通信网络 现场总线直把通讯线延伸到生产现场的生产设备，构成用于过程自动化 和制造自动化的现场设备和现场仪表互联的现场通信网络。它的信号传输实现 全数字化，这种方法极大地提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信号 传输过程中存在的信号衰减。精度下降，干扰信号的引人等长期难以解决的问 题。 2 、现场设备互联 现场设备在现场总线系统中己成为由微处理器为核心的智能设备，彼此通 过一对信号线互联，所支持的通信媒体可以是双绞线，同轴电缆，光纤和电源 线等【“。 3 、亘操作性： 现场设备种类繁多，没有任何一家制造商能提供一个工厂所需的全部现场 设备，所以互相连接不同制造商生产的设备是不可避免的。由于遵守统一的生 产协议和生产规范，因此可以将不同厂家生产的性能价格比最优的产品连接起 来，实现“即插即用”，对不同品牌的产品统一组态构成所需的控制网络【3 】。 4 、分散的功能块： f c s ( 现场总线系统) 废弃了d c s ( 分布式控制系统) 的l 控制站，将这一级 的功能分散地分配给现场仪表，因此用户可灵活地选用各种功能块，经过统一 组态构成控制电路，实行彻底的分散控制。 5 、开放式互联系统： 开放性是指对相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识和遵守。一 个开放系统，是指它可以和世界上任何地方遵守相同标准的设备或者系统连接。 4 武汉理工大学硕士论文 通信协议一致公开，各个不同厂家的设备可以交换信息。现场总线是开放式的 互联系统，既可以与同层网络互联，也可以与不同层网络互联，不同制造商生 产的产品也可以互联。开放式互联系统也体现在数据的共享，通过网络对现场 设备和功能块统一组态，将不同制造商的网络和设备连接在一起，构成统一的 f c s 。现场总线设备一般具有良好的通讯接口，可以方便地实现与计算机的通信【8 1 。 6 、现场设备的智能化与功能自治性： 嵌入微处理器的智能设备可以将传感测量、补偿计算、工程量处理和控制 等功能分教到现场设备中完成，仅仅依靠现场设备就可以完成自动控制的基本 功能，并且可以随时诊断设备的运行状态。 7 、对现场的适应性： 现场总线是专门为现场环境而设计的，具有较强的抗干扰能力。基本上满 足安全防爆的要求。基于上述特点的现场总线控制系统，与传统控制系统相比 具有下述优点： ( 1 ) 节省硬件数量和投资 由于现场总线控制系统中分散在现场的智能设备可以直接执行多种功能， 因而可以减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算器以及信号处理、 转换、隔离等功能单元及其复杂电路，还可以用工业控制p c 机作为操作站，从 而节省了一大笔硬件投资，并可以减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线的布线十分简单，一对双绞线上通常可以挂接多个设备，所以电 缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大 减少。当需要增加现场设备时，不需要增加新的电缆，可以就近连接在原有的 电缆上，节省了投资、安装的工作量。 ( 3 ) 节省维护开支 由于现场设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关 的诊断维护送往控制中心，用户可以查询所有设备的运行、诊断、维护信息， 以便早期分析故障原因并及时排除，缩短了停工维护时间同时由于系统结构 简单，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 提高了系统的准确性和可靠性 与模拟信号相比，由于现场总线设备的智能化、数字化，它从根本上提高 了测量和控制的精确度，减少了传送的误差。同时，由于系统结构简单，设备 5 武汉理工大学硕士论文 与连线减少，设备内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的 可靠性。 ( 5 ) 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择某一品 牌的产品雨被限定在某一范围内。 现场总线的这些特点和优点不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字 通信和自动控制的需求，而且使得与h n e m e t 互联构成不同层次的复杂网络成为 可能。 1 5 现场总线与楼字自动化 近几年，楼宇自动化领域获得了很大的发展，涌现了一批“智能大厦”。 和工控制相比，楼宇自动化有着显著的特点，是测控点分散，二是被控设备 种类多，并且这些设备往往本身配有控制系统。要实现对建筑物内所有机电设 备进行全面控制，需要一种低成本，分散的，可以实现互操作的测控系统。 广泛采用的控制方案是集中式或集散式控制系统，在这类独享式控制方案 和中心式控制方案中，远程传感器向中心控制器提供反馈信号，来控制传感器 和执行器，在系统的建设中系统设计人员会发现他们的大部分工作都花费在实 现传感器和测试传递线路以及通信线路上，而不是开发控制系统的性能和解决 应用问题上：系统集成人员花费大量时间试图连接那些没有设计相互通信的系 统；最终用户用于维护和扩展的费用太大【酊。 现场总线的出现很好地解决了这些问题，现场总线提供的全数字双向传输 很好地解决了信号的传输问题，提高了通信质量，极大地减小了后期系统维护 的问题：现场总线提供的互操作性使得系统集成变得更加灵活；现场总线将控制 功能分散到底层的控制模块中，实现了彻底的分散控制。这些都为现场总线在 楼字自动化领域内的广泛应用铺平了道路。 1 6 本文研究内容 本文研究内容主要是以l o n w o r k s 总线为基础，将各个弱电子系统通过节点 挂在总线上，从而构成一个综合性的智能小区管理系统。智能小区系统可以通 过l o n w o r k s 技术互联成个整体，使智能小区管理中心能集中管理，分散控制。 6 武汉理工大学硕士论文 ，该系统主要包括：小区物业管理系统、小区周界防范系统、小区巡更管理系统、 小区停车管理系统、家居防诲报警系统、可视对讲系统、远程抄表系统、住户 信息接受及小区管理平台等。我主要对对讲及小区信息发布子系统的软硬件部 分进行设计和研究。在设计过程中遇到的关键问题主要有：1 ) 整个小区的通信 问题；2 ) 对讲子系统中小区管理中心和住户之间信息发布的通信问题；3 ) 可视 对讲子系统后台管理软件的设计问题。这些问题将在本文中得到解决。 本课题把l o r l w o r k s 技术应用于智能小区之中是由于l o n w o r k s 技术与其他 现场总线相比有以下优点：支持多种通信介质、支持七层网络协议和大网络结 构、价格低廉、开发简单方便等。所以下一章我将详细介绍l o n w o r k s 总线。 7 武汉理工大学硕士论文 第2 章l o 删o r k s 技术 l o n w o r k s 总线是美国e c l 砸l o n 公司开发的一种现场总线技术，它具有完 全符合o s i 标准的完整七层网络通信协议b n 融k ，网络节点采用等通信方式， 最大通信速率为1 2 5 m b p s ，l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片_ n e m n c l l i p ， 由美国m a t o r 0 1 a 公司和日本东芝公司合作生产。它的内部有三个微处理器，分 别处理网络通信及数据处理等功能。l o n w o 出s 采用网络变量的设计方式，包括 接口i 0 在内所有的信息交换均通过网络变量进行，这样给网络的设计带来极大 方便。l a “w o r k s 技术除拥有现场级控制系统所要求的全部特性外，还具有其他 现场总线所不具有的优点：l 、多介质传输，双绞线，射频，电力线，红外，电话， 光纤等等都可以作为网络通信的介质。2 、唯一符合i s o ，o s i 七层网络协议模型 的现场总线系统，在充分考虑控制系统特殊要求的基础上，建立每一层网络协 议。3 、自由的网络扑拓结构，灵活而低成本的布线。4 、无明显的行业限制， 可很好地应用于各种智能化管理系统，如楼宇自动化系统等 9 i 。 2 1l o n w o r k s 网络组成与网络管理 l o n w b r k s 技术包括设计、使用和支持l o n 网络所需的全部工具，主要有： 神经元芯片n e u r o nc h i p 、神经元芯片编程语言n e o nc 、网络通信协议l o n t a l k 、 网络接口、网络路由器r o u t e ：、网络收发器n a i l s c e i v e r 和网络开发工具 l 0 n b u i l d e r ( 或n o d e b u i l d e r ) 。这些组成l o n w o r k s 的基本要素为l 0 n 网络的设计 提供了一个完整的开发环境，f c s 系统的设计者可以利用这些平台设计l o n 网 络中的节点并安装网络。网络中采用芯片的智能节点( 可能是传感器、变送器、 执行机构或其他测控设备) 之间遵循l o n 嘲k 局部操作网络通信协议，这种遵循 l o n t a l k 协议的局部操作网络就称为l o r i w b r k s 控制网络系统，其结构如图2 1 所示。 可以将较大的l o n 、v o r k s 网络系统分成若干个域( d o m a i n ) ，每个域又分成若 干个区域( l o c a t i o n ) ，即一种子域的概念，子域叉由若干个节点设备( d e v i c e ) 组成， 尤其在用l o n w o r k s 的组态软件l o m n a k e r 进行系统管理时，可以深刻地体会到 这种网络系统的划分。在l o n w o r k s 系统中，两个域允许重叠，一个l o c 砒i o n 中 的d e v i c e 可以同时属于两个域，这给通过不同的上位监控机同时对一个大系统 8 武汉理工大学硕士论文 中的节点设备进行管理带来了方便。不同通讯介质之间的转换通过各自l o c a t i o n 中的r o u t e r 进行，一个l o c 砒i o n 中只允许有一个r o u t e r ，它在理论上最多可以 挂接1 2 7 个节点设备，而一个域最多可以有2 5 5 个予域，这样一个域理论上便 可以拥有3 2 3 8 5 个节点，而一个系统又可以由很多这样的域构成，因此使用 l o n w o r k s 技术可以构成很庞大的网络，它是各种现场总线技术中网络功能最强 的一种。 目前对l o n w o r k s 系统的网络管理有两种途径，一种是使用s l 】a lc o n 仃d l 进行管理，这种方法的优点是网络结构形象逼真，它可以将推个的网络系统以 树型的方式展现在用户面前，用户可以方便地增、删节点和结构分支，并可方 图2 1 l o n w j r k s 网络结构示意图 便地查看各个节点中网络变量的数值与状态。其缺点是网络较庞大，价格也较 昂贵因为网络系统只是其中的一部分功能，故实际现场中单作为网络管理有些 不经济，由于软件本身的问题，网络管理系统的故障率也较高，有待进一步完 善、改进。另一种是使用l o n m a k 盯网络管理软件，它具有小巧、实用的特点， 缺点是系统运行在d o s 方式下，界面不太直观，但在现场管理上比较经济实用， 软件所占空间小且价格便宜。我们一般是用s u a ic o r l 仃o l 进行系统设计、自定 9 武汉理工大学硕士论文 义模块的编程，并依靠它将代码下载到节点的f l 硒hr d m 中，然后用l o n l n a k e r 进行网络管理。l o m a k e r 是美国e c h e l o n 公司为其现场总线l o n w o r k s 配套 开发的网络管理组态软件，它可以通过对节点内和节点间网络变量的实时连接， 在线完成控制系统的组态，这使我们可以在线重新调整组织控制系统，并可通 过实时修改网络变量的数值与状态，供技术人员方便地进行现场调试及测试【9 】。 l o n m a k e r 的操作过程是这样的：首先定义网络的子域( l o c a t i o n ) ，然后定义 域名( d o m a i n ) 、通道介质( c h a n n e l ) 、节点设备( d e v i c e s ) ；接着进行节点设备的安 装、然后对节点中和节点间的网络变量进行连接，并将这种变量关系下载到节 点n e u r o nc h i p 中的e e p r o m 中( 一般有2 k 空间) 。接着就是系统运行过程中的 网络管理问题，它可以对节点设备进行一般地测试，以证明通信网络的成功与 否，还可以在线对系统中的网络变量的数值及状态进行修改和设置，还可以对 网络变量进行重新连接，并将新的连接关系通过脚l 踮e 功能替换掉节点 e e p r o m 中原有的关系。 2 2l o n w o r k s 技术的硬件实现 2 2 1 通信控制处理器一神经元芯片( n e u r o nc hip ) l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片。神经元芯片主要包含m c l 4 3 1 5 0 和 m c l 4 3 1 2 0 两大系列，m c l 4 3 1 5 0 支持外部存储器，适合更为复杂的应用，而 m c l 4 3 1 2 0 则不支持外部存储器，它本身带有r o m 。 1 、处理单元 神经元芯片内部装有三个微处理器：媒体访问控制( m a c ) 处理器、网络 斟e t w o r k ) 处理器和应用( a p p l i c a t i o n ) 处理器，结构如图2 2 所示。 a 、媒体访问控制处理器 媒体访问控制处理器完成介质访问控制( m c d i aa c c e s sc o n 仃d 1 ) ，也就是 i s o 0 s i 模型七层协议的l 和2 层，这其中包括碰撞回避算法。它和网络处理器 之间通过使用网络缓冲区达到数据的传递。 1 0 武汉理工大学硕士论文 图2 2 神经元芯片微处理器结构图 b 、网络处理器 网络处理器完成i s o o s i 模型3 6 层网络协议，它处理网络变量、地址、 认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。网络处理器使用网络 缓冲区和媒体访问控制处理器进行通信，使用应用缓冲区和应用处理器通信。 c 、应用处理器： 应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。 2 、存储器 n e u r o n 芯片上集成了3 种存储器：r a m ，r o m 和e e p r o m 。3 1 2 0 和3 1 5 0 两种芯片的存储器各有不同。3 1 2 0 内部有1 k r a m 。5 1 2 字节e e p r o m 和1 0 k r o m 。其中1 0 kr o m 用于存放n e l l r o n 芯片的固件，包括l o n 嘲k 协议编码、 事件驱动调度程序和应用函数库：i kr a m 用于存放堆栈段、应用程序代码、系 统数据以及网络缓存区和应用缓存区，r a m 的状态只要芯片有电就可以保持， 包括在休眠状态下。但是当节点被复位( r e s e t ) 时，r a m 将被清除：5 1 2 字节 的e e p r o m 用于存放网络结构、地址信息、通讯参数、用户编写的应用程序代 码和n e u r o n 芯片标识码n e u r o ni d ( i d e n t i f l c a t i o nc o d e ) 。由于3 1 2 0 芯片应用程序 空间较小，所以只适用于测控点数较小的应用环境中【9 】。 3 1 5 0 内部有2 k r a m 、5 1 2 字节e e p r o m ，功能与3 1 2 0 相似，但是没有r o m ， 而是设计有外部存储器接口，允许接5 8 k 的外部存储器。这5 8 k 存储空间除存 放n e u r o n 芯片的固件外，为用户留有4 2 k 的地址空间用于存放自己开发的应用 软件，因此3 1 5 0 芯片用于测控点多，需要大量软件的情况。 3 、附加电路及i o 接口 武汉理工大学硕士论文 n e 啪n 芯片附加电路包括一个唤醒电路，一个w a t c h d o g 定时电路，一个外 接晶振震荡器作为时钟，经分频后形成两个可编程的1 6 位定时计数器。n e u m n 芯片的输入时钟频率可以选择，最高为1 0 m h z ，此时应用程序处理器的处理能 力和1 2 m h z 的处理器相近。由于在实际运行中芯片对测控设备执行具体操作的 时间并不长，所以在维持工作的同时降低电流消耗，芯片具有软件控制功耗降 低和硬件唤醒的功能，使芯片在9 0 以上的时间内处于一种低功耗休眠状态 ( s l e e p i n gm o d e ) ，在此状态下，处理器是不活跃的，只消耗几微瓦的能量。 n e 、】r o n 芯片设置有1 1 个双向直流输入输出管脚，用来连接传感器、d 转 换器、继电器等测控设备，也就是说，每个芯片即一个节点最多可接11 个外部 设备。1 1 个管脚中，l o 扯1 0 7 具有可编程电压提升功能，使用编译指令可以启 和关闭它们，1 0 肚1 0 3 具有高电流源能力( 2 0 m a ，8 v ) ；其它引脚具有标准接受 力( 1 4 m a ，o 4 v ) ；所有引脚( i o 1 0 lo ) 都有含滞后的t 1 l 电平输入，i o o 1 0 7 还有低电平检测锁存功能，根据需要，这些管脚可以组合成多种形式，有并行 i o 接口、串行i o 接口、数字接口和定时计数接口等四类共3 4 种预编程的操 作模式，能有效地执行测量、计时和控制应用等工作方式。 2 2 2n e u r o n 芯片节点系统 网络介质( 双绞线、电源线、射频等) 图2 3 典型l o n w o r k s 节点的方框图 2 武汉理工大学硬士论文 l o n w o r k s 网络上的每个控制点称为l o n w b r k s 节点或l o n w j r k s 智能设备。 为了用n e u r o n 芯片构成一个能满足对象测控功能要求的系统，需要以n e u r o n 芯片为主体通过系统扩展构成具有节点基本功能的计算机系统。【8 】这个系统即为 n e u r o n 芯片节点系统，简称为节点心o d e ) 。它由n e u r o n 芯片、电源、网络介质 收发器( t r a i l s c e i v e r ) 、扩展外部存储器以及i 0 电路等组成，图2 3 为一种典型 l o n w b r k s 节点的结构框图。 n e u r o n 芯片的通讯口是一个非常通用的网络接口，有5 个引脚组成，可以 设成3 种模式，即单端模式、差分模式及特殊模式，见表2 1 所示。 表2 1 网络通讯口引脚设置模式 引脚单端模式 差分模式特殊模式 c p 0 数据输入正数据输入融输入 c p l 数据输出负数据输入t x 输出 c p 2 发送允许输出负数据输出 位时钟( b i t b l o c k ) 输出 c p 3 休眠状态输出负数据输出休眠状态输出或唤醒输入 c p 4 冲突检测输出冲突检测输入帧时钟( f r 嘲ec l o c k ) 输出 利用这5 个引脚，n e u r o n 芯片可以和各种不同通讯介质的l o n w j r k s 介质的 收发器相连，并且可以覆盖广泛的数据传输速率。网络介质收发器为n e u r o n 芯 片与l o n 网络之间提供了一个通信接口，或者在节点和通信媒介之间建立了 个理接口，这个接口可以对媒介上收发的数据进行编码和译码，对类似双绞线 一类介质来说，n e u r o n 芯片已经集成了大部分的收发电路，使用时只需附加部 分的外部电路即可，而对另外一些介质如电源线和射频来说，其外部的收发器 则要求较高，要支持更复杂的编码电路，无论对何种介质，l o n w b r k s 收发器是 一种低成本的组件，为媒介和n e u r o n 芯片之间建立完整的机械和电气接口。下 表2 2 列出了几种典型的收发器。 1 3 武汉理工大学硕士论文 表2 1 2n n 芯片的典型收发器类型 收发器波特率 e i a _ 4 8 5 3 0 0 b p 孽一1 2 5 m b p s 自由拓扑和总线型双绞线 7 8 k b p f 一1 2 5 m b p s 电力线( 载波) 4 k b p s 电力线( 扩频) l o k b p s 无线 1 2 0 0 b p s ，4 8 0 0 b p s ，7 8 k b p s 红外 7 8 k b p s 光纤 1 2 5 m b p s 同轴电缆 1 2 5 m b p s 2 2 3 网络连接的硬件设备一路由器( r o u t e r ) 每个l o n t a l k 节点都需要物理地连接到信道( c h 锄e 1 ) 上。信道是数据包的物 理传输介质，l o n w o r k s 网络包括一种或多种信道，不同的介质的信道之间通过 路由器相连。路由器在连接两条信道的同时规定两者传送l o n 砌k 信息的方 式，控制它们之间的数据包的传送，其结构示意图见图2 4 。 信道1 图2 4 路由器结构示意图 1 4 信道2 武汉理工大学硕士论文 如图所示，路由器中有两个网络介质收发器，任何通信信道只要正确选择 一对介质收发器，都可以连接起来。同时被连接起来的两条信道之间是物理隔 离的，一条线路上发生故障不会对另一条信道产生影响。 路由器的主要作用如下。 1 、扩充通道的容量 由于节点的收发器的负载都是有限的，这就决定了每一通道的节点和通道 的长度都是有限的。我们可以使用路由器来扩充网络的容量。 2 、连接不同的通信介质或波特率 不同的通道使用不同的介质，使用路由器可以使这些节点透明的通信，就 如同它们安装在同一个通道之中。 3 、提高l o n 总线的可靠性，全面提高网络性能 连接到一个路由器的两个通道在物理上是相互瞩高的，因而一个通道的失 效并不影响其它部分的工作。 2 3 l o n w o r k s 技术的软件部分 l 0 f l w o r k s 技术提供了两个重要的系统软件一l 0 n t a l k 通信协议和语言编译 器，它们简化了网络的建立过程，增强了系统的实用功能。 2 3 1l o n t a i k 协议 1 、协议定义 l o n t a l k 通信协议是l o n w o r k s 技术的核心。该协议提供一套通信服务，使 装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、 名称、地址或其它装置的功能。l o n t a l k 协议能有选择地提供端到端的报文确认、 报文证实、和优先级发送以便设定有界事务处理时间。对网络管理业务的支持 使远程网络管理工具能通过网络和其他装置相互作用，包括网络地址和参数的 重新配置、下载应用程序、报告网络问题和节点应用程序的起始，终止复位。 l o n 刚k 协议是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议。和有关的以 太网和因特网协议一样，它是一个公布的标准并遵守国际标准化组织( i s 的分 层体系结构要求。可是，l o n 砌k 协议设计用于控制系统而不是数据处理系统的 特定的要求。每个包由可变数目的字节构成，长度不定，并且包含应用层( 第7 1 5 武汉理工大学硕士论文 层) 的信息以及寻址和其他信息。信道上的每个装置监视在信道上传输的每个包 以确定自己是否是收信人。假如是的，它处理该包以判明它是包含节点应用程 序所需的信息或者它是否是个网络管理包。在应用包中的数据是提供给应用程 序的，如果合适，要发一个确认报文给发送装置。 为了处理网上报文冲突，l o n 似k 使用类似以太网所用的“载波监听多路访 问”化s m a ) 算法。l o n t 砒k 协议建立在c s m a 基础上，提供介质访问协议，使 得可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽的数耳。【i 通过 动态调整网络带宽，称为预测性p _ _ p e r s i s t e n tc s m a 协议的算法使网络能在极高 网络业务量出现时继续运行，而在业务量较小时期不降低网络速度。 2 、l o n t a i k 的七层协议 l o n l w k 是i s 0 组织制订的o s i 开放系统互连参考模型的七层协议的一个子 集。它包容了l o n 总线的所有网络通信的功能，包含一个强大的网络操作系统， 通过其提供的网络开发协议形成固件，可使通信数据在各种介质中非常可靠的 传输。由于l o n l w k 协议对0 s i 的七层协议的支持，使l o n 总线能够直接面对 对象通信，具体实现就是采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间的通信 实现只是通过网络变量的互相连接就可完成。下表2 3 是l o n t a l k 的七层协议。 表2 3n e l l | n 芯片所固化的l o n t a l k 协议内容 o s l 层 目的 提供服务内容 相应处理器 7 应用层应用兼容结构参数，标准网络变量类型，文件传输应用处理器 6 表示层数据解释 网络变量发送，应用信息传递，网络接口管理 网络处理器 5 会话层远程通讯 请求，响应确认服务，认证服务，网络服务 网络处理器 4 传送层点到点确 发送确认和非确认信息，一般排序，重复检查 网络处理器 认服务 3 网络层目的