（机械电子工程专业论文）基于lonworks的智能小区安防节点的设计.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 基于l o n w o r k s 的智能小区安防节点的设计 摘要 智能小区是近几年来产生并迅速崛起的一种新型住宅小区，安防系统是小 区智能化系统的一个重要构成部分，安防节点则是组成安防系统的主要因素之 一 本文是利用l o n w o r k s 总线的开放性、互操作性等特点设计、开发智能小 区安防节点的。所设计的智能安防节点是基于主机之上，控制模块由神经元芯 片m c l 4 3 1 5 0 、双绞线收发器f t t - 1 0 a 以及单片机a t 8 9 s 5 1 共同构成。其 中，单片机a t 8 9 s 5 1 作为主处理器来完成用户的应用程序，主要负责对各种 现场信号进行采集、处理及控制，工作在并行从a 方式下的神经元芯片 m c l 4 3 1 5 0 作为从处理器，主要完成与现场网络上的各节点及中心控制室之间 的通信工作。安防节点的软件部分依照l o n m a r k 标准编写，可与其他厂家的 l o n w o r k s 产品实现互操作 最后将本文所设计的安防节点应用于淮安信息职业技术学院智能实验室安 防予系统中，中央监控计算机系统采用组态王软件进行开发，中央监控计算机 与安防节点的通信采用l n sd d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 进行连接，主要完 成数据处理、数据通信、数据显示等功能。本系统设计的智能小区安防节点运 用了当今工控领域最为先进的现场总线技术，具有结构简单、可靠性高、容易 产品化等优点，产品是面向中等层次以上家庭的需求，具有广泛的应用市场。 目前我国对l o n w o r k s 技术的应用以及智能建筑的设计刚刚起步，随着业内人 士的更多了解，相信会有更广泛的应用前景。 关键词l o n w o r k s 技术；智能小区；安防节点；设计 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 d e s i g no fs e c u r i t yg u a r d n o d ef o ri n t e l l i g e n t c o m m u n i t y b a s e do nl o n w o r k s a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y i san e w t y p er e s i d e n c ep r o d u c e di nr e c e n ty e a r s 、析mt h e r a p i dr i s e t h es e c u r i t yg u a r ds y s t e mi so n ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fi n t e l l i g e n t c o m m u n i t ys y s t e m , a n dt h es e c u r i t yg u a r dn o d ei st h em a i nf a c t o ro fs e c u r i t yg u a r d s y s t e m i nt h i st h e s i st h es e c u r i t yg u a r dn o d ei sd e v e l o p o db yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i e so f o p e na n di n t e r o p e r a b i l i t yo fl o n w o r k sb u s t h ed e s i g n e di n t e l l i g e n ts e c u r i t yg u a r d n o d ei sb a s e do nt h eh o s t , a n dt h ec o n t r o lm o d u l ei sc o m p o s e do fn e u r o nc h i p m c l 4 3 1 5 0 ，d o u b l ew r i n gl i n ew a n s c e i v e rf t t - 1 0 aa n ds i i l 西ec h i pa t 8 9 s 5 1 t h e s i n g l ec h i pa t 8 9 s 51 i su s e da sm a i np r o c e s s o rt oa c c o m p l i s ht h ea p p l i c a t i o n p r o g r a mo fu s e r s ，a n di ti sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o l l e c t i o na n dc o n t r o lo ff i e l ds i g n a l t h en e u r o nc h i pm c l 4 3 1 5 0w o r k e du n d e rt h eaf o r ma 8t h es l a v ep r o c e s s o rm a i n l y a c c o m p l i s h e st h ec o m m u n i c a t i o no f n o d e so nf i e l dn e ta n do m t r a lc o n t r o lr o o m t h e s o f t w a r ep a r to fs e c u r i t yg u a r dn o d ei sw r o t ea c a ：o r d i n gt ol o n m a r k , a n di tc a n r e a l i z et h ei n t e r o p e r a t i o n 、衍t l ll o n m a r kp r o d u c t so f o t h e rm a n u f a c t u r e r s f i n a l l yt h es e c u r i t yg u a r dn o d ed e s i g n e di n t h i st h e s i si sa p p l i e di nt h e s e c u r i t yg u a r ds u b s y s t e mi nt h el a bo fh u a i a ni n f o r m a t i o na n dt e c h n o l o g yc o l l e g e t h ec e n t r a lm o n i t o r c o m p u t e rs y s t e m i s d e v e l o p e db yk i n g v i e w , a n d t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc e n t r a lm o n i t o rc o m p u t e rs y s t e ma n ds e c u r i t yg u a r dn o d ei s c o n n e c t e db yl n sd d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) t oc o m p l e t et h ed a t ap r o c e s s i n g , c o m m u n i c a t i o n s ，a n dd i s p l a y t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tn o d e su s e dt h em o s t a d v a n c e df i e l db u st e c h n o l o g y , 、) i r i t ha d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y a n de a s yp r o d u c t i t sp r o d u c t sa r em i d d l e - l e v e lf a m i l y - o r i e n t e do n e sa n dh a dab r o a d a p p l i c a t i o nm a r k e t a tp r e s e n t , t h ea p p l i c a t i o no fl o n w o r k st e c h n o l o g ya n dt h e d e s i g no fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g sh a v ej u s tb e g u ni nc h i n a ；a sm o r ea n dm o r e 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 p r o f e s s i o n a l su n d e r s t a n d ，ib e l i e v ei tw i l lh a v eab r o a d e rf u t u r e k e y w o r d s l o n w o r k st e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , s e c u r i t yg u a r dn o d e , d e s i g n i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l o n w o r k s 的智能小 区安防节点的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名： 差醐 日期：) 扩年；月夕日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于l o n w o r k s 的智能小区安防节点的设计系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔 滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 保密l ，在年解密后适用授权书。 不保密眵 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 耄峨 轹撕弋 日期：彤年夕) 弓r c 日 日期：协召年岁月缈日 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网 络化为平台的智能化社会，开始出现了诸如智能化仪表、智能化机器人、智能 化汽车、智能化高速公路、智能化工厂、智能化家庭、智能化小区、智能化大 厦、智能化城市等等具有不同智能程度的产品、设备、工具甚至工作环境和生 活环境，并且呈现出高速发展的趋势【l l 。其中正在兴起的智能化小区建设热 潮，反映和适应了国际社会信息化和智能化的发展要求，是2 1 世纪的新概念 住宅。 智能小区就是采用电子信息技术对建筑区的各住户进行自动监控，对信息 资源进行管理和对用户提供信息服务的，可以大大提高住宅小区的管理效益和 最大限度降低小区的各种运行费用【2 】。随着我国改革开放、经济持续稳定发展 以及人们对信息需求量的增加，智能小区在我国近几年将会得到迅猛地发展。 为了迅速抢占国内外市场，弘扬民族工业，增强国际竞争力，智能小区的开发 与应用也迫在眉睫。 随着先进的新型高科技产品逐渐进入了人们的日常生活中，科学技术给人 们带来了巨大便利的同时，也带来了一系列的不安全因素，如煤气管道、热水 器、家用桑拿房以及其他大容量的家用电器的使用，都明显地增加了发生火 灾、触电、煤气中毒、爆炸的可能性。另外，社会上还有一些不法分子在活 动，人为地制造破坏和灾难，行凶、盗窃等违法犯罪活动还时有发生，严重地 扰乱了人们正常的生活，给社会也带来不安定因素。这些不安全因素潜伏在人 们的周围，使人们逐渐地意识到了小区安防系统的重要性。 但是，目前国内一些监控系统大都采用常规的计算机与通讯技术，即以单 片机为核心的区域控制器和以r s 2 3 2 或r s - 4 8 5 串行通讯总线为标准的系统链 接，监控系统通过现场安装的传感器、控制器以及相应的变送器和执行机构对 各种被监控对象进行自动检测和控制f 3 4 1 。这种系统虽然可以满足大多数用户 的要求，但由于它的集成度较低、规范性差，而且又无统一标准，所以系统的 可靠性、维修性。互换性以及可扩充性均难以达到理想效果和规范要求。因 此，利用l o n w o r k s 总线技术开发智能小区的安防节点就更加具有迫切的现实 哈尔滨理下人学t 学硕l ：学位论文 意义。 本文以“基于l o n w o r k s 的智能小区安防节点的设计与开发”为题还具有以 下的实际价值： 1 跟踪国际先进技术现场总线技术是在当今的控制技术领域中最热门的 话题之一，而l o n w o r k s 总线作为其中的标准之一，也因其起步较晚但是发展迅 速，倍受业内人士关注。 2 先进技术的本土化对任何先进技术跟踪了解的最终目的都是为了将此 项技术很好地进行消化、吸收和利用。而l o n w o r k s 技术因其显著的开放性，为 国内企业了解、学习提供了有利条件。另外在所有的现场总线技术中，开发 l o n w o r k s 技术所需的启动资金相对较低，这就为广大中小企业的介入打开了方 便之门，同时也为l o n w o r k s 技术的推广、利用提供了更为广泛的基础。 3 国内智能建筑的兴起进一步推动了l o n w o r k s 技术的发展近两年在国内 悄然兴起的智能建筑正逐步升温，作为智能建筑重要组成部分的智能小区对其 技术提出了更高的要求，一些国外大企业凭借着其强大的技术实力和成熟的产 品，已首先在中国抢滩登陆，迅速占领了国内的先期市场。尽快开发出中国自 身的民族产业，生产出更加适合国情、更加低廉的智能小区系统产品，己成为 业内有识之士的共同心声，设计和开发l o n w o r k s 技术的智能小区系统产品，将 是业内人士最理想的选择。 1 2 国内外智能小区发展的概况及发展方向 1 2 1 国外智能小区的发展概况 智能小区的发展几乎是与智能大厦同步迈进的，应该说智能大厦的发展过 程，也就是智能小区酝酿和发展的过程。那么所谓的智能大厦其实也就是智能 建筑，它起源于8 0 年代初的美国，当时跨国公司纷纷兴建或改造高科技大 楼，同时高科技公司为了增强自身的竞争和应变能力，对办公和科研环境积极 进行创新和改进，以便提高工作效率【5 1 19 8 4 年美国哈特福特市建成了世界第 一座智能化大厦，此大厦高3 8 层，总建筑面积达l o 万多平方米，以当时最先 进的技术控制空调、照明、电梯等设备以及防火和防盗系统，实现了通信和办 公的自动化，提供了舒适、安全的办公条件，并且具有高效、经济的特点 6 1 当时美国联合科技集团公司在他们的广告宣传资料中首次使用了“智能建筑 一词。这是世界上第一座公认的智能建筑，它的出现引起了各国的重视与仿 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 效。进入9 0 年代，美国开始实施信息高速公路i - w a y 计划，作为信息高速公 路“节点 的智能建筑更受重视【7 1 。在智能建筑领域，美国始终保持着技术领 先的势头，但是日本、新加坡、韩国、印度、英、法、德等国也不甘示弱，分 别在8 0 年代末和9 0 年代初发展各具特色的智能建筑。 智能小区的发展分别经历了住宅电子化、住宅自动化、住宅网络化三个阶 段【3 1 。2 0 世纪末，综合数字服务网、卫星通信等网络技术及电信技术的飞速发 展加速了智能小区的发展。虽然智能小区与智能住宅如雨后春笋般地出现和发 展，但是其安防系统主要还是应用在工业场合、银行等大中型企业单位，功能 单一且价格昂贵。据调查，美国a d 公司生产的1 0 0 路以上的视频信号监测系 统仅控制部分就达2 0 万人民币，一般不适合于民用 9 1 。这些功能单一、固定且 又价格昂贵的安防装置，没有从系统进行设计，不便于在家庭中普及和应用。 1 2 2 国内智能小区的发展概况 我国智能建筑的建设始于1 9 9 0 年，北京的发展大厦可谓是我国智能建筑 的雏形，随后建成了北京燕莎中心、上海商城、广州世贸中心、南京禄口新机 场等一批具有一定智能化的建筑。目前，上海市智能化建筑约1 0 0 幢，北京市 约8 0 幢，广东省约7 0 幢，江苏省约6 0 幢【1 0 1 据外刊预测，2 l 世纪全世界智 能化建筑的一半以上将兴建在中国大地上。 在我国，智能小区与智能住宅虽然起步比较晚，但发展速度却很快。8 0 年 代初所建成的住宅，其电气设计内容仅局限在：普通楼房的户内外照明，高层 住宅增加高层供水的生活水泵控制系统及消防泵控制系统【l i l 。各用户电量的计 量和收费，采用由房管部门或住户轮流抄表收费的方式；生活用水的计量则主 要是按户或按人口数收费；弱电系统也是从8 0 年代开始才陆续设置电话配线 和公用电视天线系统。8 0 年代末和9 0 年代初，我国家庭基本实现了电器化， 住宅内的弱电系统有所增加，如对讲系统等。到了9 0 年代末，电脑、有线电 视、机项盒、移动通信等数字化通信产品开始走进许多家庭，人们对住宅的安 全、舒适、方便等功能提出了新的要求【1 2 1 从国内环境及市场分析来看，目前人们的生活水平每年都以很大的幅度在 提高，仅就装修家庭及购买高档家具，一些收入较高家庭就投入几万、十几万 元的装修费用，这样，再进一步安装安全防范系统也等于是向更高需求层次迈 进的一个重要标志。现代社会，生活和工作节奏较快，一般工作时间长，离家 时间也长，这样，家庭安全了，没有后顾之忧就成为了人们不惜重金买安全的 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 重要保障。因此，智能小区系统产品对中高收入家庭有很大的吸引力，市场前 景看好。 1 2 3 智能小区的发展方向 智能建筑的发展始终伴随着时代科学技术的进步，随着全球网络信息化的 迅猛发展，e 时代向智能建筑提出了新的挑战，智能建筑发展已进入网络信息 化应用的新阶段，建立动态、交互和实时的网络信息系统集成平台是小区智能 化发展的主要方向。2 0 0 1 年微软公司提出了n e t 战略实施目标，不再关注单个 的网站和与互联网连接的单个设备，而是要让所有的计算机群、相关设备和服 务协商工作，提供更加广泛和丰富的完全w e b 化的解决方案【1 3 1 。 n e t 发展战略对于智能小区的使用者来讲，意味着通过网络管理平台，可 以随时随地的享受多样化、个性化和人性化的服务，使用者的需求与网络、设 备和服务始终联系在一起；对于智能小区的管理者来说，意味着通过网络管理 平台，可以随时随地的提供信息与数据的编辑、储存、优化和查询。管理者的 需求与网络、设备、信息及数据始终联系在一起。 智能建筑将永远不会有确定的定义，它将一代胜似一代的发展下去。但是 有一点是可以肯定的，那就是智能建筑将始终走在时代科技发展的前列。 1 3 智能小区的介绍 1 3 1 智能小区的定义 智能建筑是指利用系统集成方法，将智能型计算机技术、通信技术、信息 技术与建筑技术相结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用 者的信息服务，获得适应信息社会需要，并且具有安全、舒适、便利和灵活特 点的建筑物。 智能住宅小区是智能建筑的一种，也是智能建筑的新成员。简单地讲，具 有住宅小区智能化系统的小区即称为智能小区。 所谓住宅小区智能化系统，是以科学技术为基础，依靠先进的设备和科学 的管理，利用计算机及相关的最新技术，将传统的土木建筑技术与计算机技 术、自动控制技术、通信与信息处理技术、多媒体技术等先进技术相结合的自 动化系统【1 4 1 。它以节约能源、降低运行成本、提高住宅小区基础物业管理、安 哈尔滨理_ t 大学t 学顶l j 学位论文 全防范管理以及信息服务等方面的自动化程度和综合服务水平为特征，为小区 住户提供安全、舒适、方便快捷和信息高度通畅的家居环境。 小区智能化系统将全面改变人们的生活环境和生活方式，它使智能小区成 为智能城市中的重要智能节点【l 列。智能小区将是人们生活、工作和学习的开放 空间，它将更好地适应当前社会信息化、经济全球化、生活舒适化以及环境绿 色化的发展方向和潮流。 1 3 2 智能小区的内涵及特征 智能小区是一项系统工程，不是简单地将优良建筑与智能设备相堆砌。合 理的建筑结构设计、优良的施工质量以及完善的基础设施是智能小区建设的基 本前提和基础；智能化的设备和良好的系统集成是实现智能小区的手段和途 径，是住宅小区智能化程度的集中体现，也是衡量住宅小区智能化程度的关 键，这两者构成了智能小区的“硬件 而配套完善的物业管理和优质的服务 是住宅小区智能化系统良好运行的根本保证，是整个住宅小区综合水平必不可 少的组成部份，它是智能小区的“软件”。只有将软硬件紧密结合起来，才能 真正实现智能小区。 对于智能小区来说，智能化不是目的，而是手段，通过智能化系统，来营 造良好的小区环境。 智能小区的特征是： 1 高科技型这是智能小区的首要特征。智能小区就是利用各种高科技手 段，通过系统软硬件集成，全面改善人们的生活环境、生活方式和生活内容。 2 动态性，也称时间性今天的高科技，明天可能就是普通技术；今天是 智能小区的重要组成内容，明天就可能是普通住宅小区的一部分。这是由科学 技术发展的高速性决定的。 3 综合性智能小区不再像传统住宅那样仅仅提供居住环境，它将是居 住、工作、学习和娱乐的综合场所。人们可以通过高速互联网，进行各种各样 的活动，使人们足不出户地实现工作、学习、娱乐、购物、医疗、旅游、社交 等各种目的。 4 服务性智能小区从设计、施工到运行，始终围绕为住户服务这个宗 旨，让住户住得放心、住得安心、住得省心、住得舒心。 智能小区除应具备上面所述的特征外还应提供以下各种环境： i 安全环境小区应能实现防火、防盗、防煤气泄漏、防抢等安全要求， 哈尔滨理| t 人学t 学顾l ：学化论文 智能小区应采用高科技手段，保障居民人身和财产的安全，使居民在住宅小区 里有充分的安全感。 2 绿色环境一方面，小区应拥有一定面积的绿化地，实现良好绿化与人 工景观和住宅设计的和谐统一，为社区文化提供天然绿色环境；另一方面，利 用高科技手段，节约能源，实现太阳能利用和水的循环再生利用，控制废水和 垃圾污染，降低热导效应，减少噪声污染，实现高层次的绿色住宅。 3 开放环境利用网络技术与多媒体技术，为住户提供图像、视频、语 音、文本等多媒体信息的选择，实现与外界方便、通畅的交流，足不出户地享 受各种社会服务，参加各种社会活动，同时也形成一种新的社区文化环境。 4 服务环境利用高科技手段，实现物业管理自动化、科学化、程式化、 公开化。自动化主要反映在水表、电表、煤气表、热能表等多表的自动或远程 抄录，实现主要设备的自动检测及报警、各种费用的自动收取、各种信息的自 动发布以及各种设备的自动控制等；科学化则反映在运行体制和方法的正确 性，排除人为干扰因素，细化管理过程；城市化则规范小区物业运行行为，保 证科学性的实现；公开化是指增加小区物业管理的透明度，实现住户的透明消 费，保证物业良好运作【1 6 j 。不难看出，物业管理的自动化、科学化、程式化、 公开化突出了服务的思想，突出了以人为本的智能小区建设宗旨，突出了住户 就是上帝的服务精神。 1 3 3 小区智能化系统的组成 从本质上说，小区智能化系统是在小区的机电设备控制系统、现代管理系 统和通信系统的共同基础上，为适应自动化、信息化、智能化的需求而发展起 来的。建设智能小区的目的在于实现小区物业的高效管理，节约能源，保持和 改善生存环境，满足人们现代生活需要，为物业管理中心提供良好的管理与控 制方式，为住户提供良好的服务和交流手段。计算机技术、通信技术、微电子 技术为实现这些目标，提供了技术基础和可能。 小区智能化系统从功能上分以下三个子系统： 1 安全防范子系统通过物业管理中心、1 1 0 报警系统、1 2 0 报警系统等提 供住宅小区内和家庭内的2 4 小时各种安全保障服务。它一般包括以下几个分 系统： ( 1 ) 出入1 ：3 管理及周界防越报警系统； ( 2 ) 闭路电视监控系统； 哈尔滨理丁人学t 学硕i ：学位论文 ( 3 ) 对讲防盗门控制系统： ( 4 ) 住户报警呼救系统； ( 5 ) 保安巡更管理系统。 2 物业信息管理子系统通过物业管理中心和其他职能部门提供住宅小区 各种主要设备运行状况监控、住宅小区日常事务管理和住宅小区四表系统的自 动计量和管理等服务。它一般包括以下几个分系统： ( 1 ) 四表的现场计量与远程传输系统； ( 2 ) 供电设备、公共照明、电梯、给排水设备的监控系统； ( 3 ) 车辆出入与停车场管理系统； ( 4 ) 紧急广播与背景音乐系统； ( 5 ) 物业计算机管理系统。 3 信息网络子系统主要用于构成系统网络通信平台，提供信息通道。它 一般包括以下几个分系统： ( 1 ) 有线电视网系统； ( 2 ) 高速宽带数据网系统； ( 3 ) 宽带光纤接入网系统； ( 4 ) 电话网系统； ( 5 ) 其他网络系统。 小区智能化系统组成结构如图1 1 所示。 出界 入防 口越 管报 理警 及系 周统 小区智能化系统 安全防范子系统ii 信息网络子系统li 信息管理子系统 闭 路 电 视 监 控 系 统 对 讲 防 盗 门 控 制 系 统 住 户 报 警 呼 救 系 统 保 安 巡 更 管 理 系 统 有 线 电 视 网 系 统 高 速 宽 带 数 据 网 系 统 宽 带 光 纤 接 入 网 系 统 电 话 网 系 统 其 他 网 络 系 统 多远 表程 现传 场输 计系 量统 及 车车 辆场 出管 入理 与系 停统 供设 电备 照监 明控 等系 公统 共 图1 1 小区智能化系统的组成 f i g 1 - lc o m p o s i t i o no f i n t e l l i g e n ts y s t e mf o rc o m m u n i t y 7 紧景 急音 广乐 播系 与统 背 物管 业理 计系 算统 机 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 需要指出的是，这五个分系统可能同时存在，也可能并不同时存在，这需 视系统要求而定。例如，小区智能化系统可能仅采用高速宽带数据网系统就能 满足要求，则不需要再包括宽带光纤接入网系统【1 7 1 。另外还需要特别指出的 是，安全防范子系统一般需要单独铺设用于传输视频信号的闭路电视网和用于 传输报警与控制信号的监控网；而物业管理子系统需要铺设四表数据传输网和 主要设备监控网。它们一般划入各自子系统，而没有归入信息网络子系统。 按照小区中系统功能组成的不同可以将智能小区划分为：一星级、二星 级、三星级小区。 1 4 课题的研究内容和目标 本文研究基于l o n w o r k s 的智能小区安防节点的相关技术，并结合中国高 等教育学会“十一五 教育科学规划课题( 批准号：0 6 a i p 0 0 9 0 0 4 6 ) 和江苏省教 育科学“十一五刀规划2 0 0 6 年度课题( 立项编号：1 7 9 ) 两大基金项目，给出基 于l o n w o r k s 的智能小区安防节点的具体实现过程。 主要工作如下所述： 1 给出基于l o n w o r k s 总线技术的智能小区安防节点硬件和软件设计方案 及实现方法。 2 面对l o n 网络的智能小区安防系统的上位机监控系统软件进行设计。 3 用本文所设计的安防节点在淮安信息职业技术学院智能实验室进行测试 和应用。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 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。 2 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。一次是二十世纪五六 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；第二次是二十世纪 七八十年代集散控制系统( d c s ) 的出现【i 羽。d c s 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，d c s 系统本身具有以下不可克服的问题： 1 一对一接线增加了系统安装维护费用的同时也降低了系统的可靠性； 2 采用三层主从结构模式从操作站到控制站再到现场仪表，这种结构模 式存在着很大的可靠性隐患； 3 封闭的协议各个d c s 系统采用封闭的协议不利于系统的互操作； 4 模拟信号传递这种传递方法限制了传输介质和拓扑结构的选择。 现在，工业控制领域正进行着第三次革命一基于现场总线的控制系统。 2 1 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缌1 9 1 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 哈尔滨理t 人学t 学硕? l ：学位论文 式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多个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结 构，即每个设备负责直接将信息发布到网络上的其它设备，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2 1 所示。 l n s 服务器工作站工作站 il l l l 路由器li 路由器l i 现场总线同i现场总线罔 图2 - 1 开放式控制网络 f i g 2 - 1o p e nc o n t r o lo f n e t w o r k 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 2 0 1 。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， 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 1 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 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 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2 0 世纪8 0 年代中期问世，传统的自动化仪表、集散控制系统、 可编程控制器的产品功能结构受到了挑战【2 l 】。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i n t e m e t 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，其传输速率一般为 几k b s 至1 0 m b 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( f o u n d a t i o nf i e l db u s ， f f ) 、美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 现场总线、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) 总 线和h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 总线等。 其中l o n w o r k s 总线以期支持o s f r m 七层模型、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，极大地改变人们的生产方式和生活方式，扩大了传统控制 领域的范畴。2 0 0 0 年3 月，e c h e l o n 公司开始出售i l o n l 0 0 0i n t l 武服务器，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 l o n w o r k s 设备，并将变成w e b 的一部分，这便拓宽了工业领域中的基于i n t e m e t 的市场和应用。1 9 9 9 年6 月，s u n 公司展示了l o n w o r k s 设备在j i n i 网络作为共享 服务的一幕嘲。j i n i 的l o n w o r k s 代替基于l n s ( l o n w o r k sn e t w o r ks e r v e r ) 网络操 作系统，不需要另外的软硬件和设备驱动1 2 3 e c h e l o n 公司的总裁兼首席执行官 k e nd s h m a n 先生这样评价j i n i 技术与l o n w o r k s 网络的结合：“通过结合， l o n w o r k s 成为j i n i 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它设备的服务【2 4 1 一 国际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t l o n w o r k s 控制 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 网络协作网，成员已达4 0 多个，大型建筑业过程控制系统已逐渐推广现场总线 系统。 2 2l o n w o r k s 总线技术综述 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于9 0 年代初推出的一种现场总线技术，其神 经元芯片同时具备通信与控制功能，内含三个8 位处理器，分别负责介质访问 控制、网络处理和应用处理，这样一个神经元芯片加上收发器就可以构成一个 现场控制节点，神经元芯片也可以作为通信协议处理器，用高性能的主处理器 完成复杂的测控功能。l o n w o r k s 技术采用网络变量，网络变量对在同一个网络 中的其他节点是透明的，标准网络变量类型定义了变量的单位、数值、范围和 分辨率，使得网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。 l o n w o r k s 技术改善了c s m a ，对所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来 访问介质，有效地避免了网络频繁碰撞，即使网络负载很重也不会导致网络瘫 痪。l o n w o r k s 技术所使用的l o n t a l k 协议遵循i s o o s i 模型，并提供o s i 参考模 型所定义的全部七层服务，l o n 总线采用专门的网络收发器，使其支持不同介 质组合的网络，这样用户不但可以选择任意形式的网络拓扑结构，而且在同一 个网络内部可以混用双绞线、光纤、电力线、无线、红外线、同轴电缆等通信 介质，网络处理能力的巨大优势使其在各个领域得到日益广泛的应用，其通信 协议已被越来越多的标准化组织所采用，并被接纳为他们的标准【2 5 】中国建筑 行业协会已将l o n w o r k s 定为智能建筑的主要推荐技术，并成立了智能建筑技术 l o n w o r k s 协作网。l o n w o r k s 技术作为新一代网络控制技术，以优良的开放性、 互操作性、网络适应性、灵活的网络拓扑以及面向对象的网络通信设计等优 点，成为现场总线技术和控制领域的一个最佳选择，并成为小区智能化建设的 最佳方案之一 2 3l o n w o r k s 现场总线技术在智能小区中应用的优势 2 3 1l o w o r k s 总线技术与传统的r s - 4 8 5 总线的比较情况 现在国内市场的智能小区多采用r s - 4 8 5 总线技术，虽然设备和系统已成 型。但依然存在不少缺点，现将本文所采用的l o n w o r k s 总线技术与传统的r s - 4 8 5 总线进行比较，在比较中体现l o n w o r k s 总线技术的先进性，以及智能小区 哈尔滨理下人学t 学硕1 j 学位论文 采用l o n w o r k s 现场总线的技术优势。 1 网络完整性l o n w o r k s 技术是一个完整的控制网络，它包括从物理层到 应用层以至网络操作系统的全部内容。4 8 5 仅仅是一种串行通讯的接口技术。 2 支持介质多选择性l o n w o r k s 技术支持多种介质，在同一网络中工作， 如：双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线、红外等。4 8 5 通讯做不到支持 多介质。 3 对不同产品的兼容性l o n w o r k s 技术具有很好的开放性，采用l o n w o r k s 技术的不同厂家的产品可在同一网络上协调工作。采用4 8 5 技术的不同厂家的 产品很难在一个网络上工作。 4 网络结构多样性l o n w o r k s 技术支持总线式、星型、自由拓扑等多种网 络结构。4 8 5 通讯只能是总线式结构。 5 通信距离l o n w o r k s 技术网络的长度可达2 7 0 0 米( 不加中继器) ，每个子 网可以有6 4 个节点。4 8 5 总线长度只能达1 0 0 0 米，且每段只有3 2 个节点 6 网络节点数目l o n w o r k s 技术支持域、子网、节点等完整的网络结构。 每个l o n w o r k s 网络的一个域最多支持3 2 3 8 5 个节点。4 8 5 通讯很难与此相比。 7 对复杂现场应变能力一个神经元芯片内包括有3 个c p u ，可以处理复杂 的网络通讯应用程序。4 8 5 只提供通讯接口芯片 8 抗干扰能力l o n w o r k s 技术的耐共模干扰的能力强，可以适应恶劣的环 境。4 8 5 通讯的抗干扰能力较差。 9 可靠性与实时性l o n w o r k s 技术为对等式通讯网络，各节点地位均等， 无主节点，可靠性高，实时性好。4 8 5 通讯一般为主从式结构 1 0 通信便捷l o n w o r k s 网络安装、组网以及维护容易。4 8 5 通讯很难做到 这一点。 2 3 2 采用l o n w o r k s 现场总线技术开发智能小区的优势 选择l o n w o r k s 技术开发住宅小区智能化系统，主要是由于它具备开放性、 互操作性、安装调试方便可靠、开发周期短等特点，分别介绍如下： 1 开放性与互操作性l o n w o r k s 支持双绞线、电力线、电源线、光纤、无 线、红外等多种通信介质。可以使用总线型、星型、环型、混合型等多种网络 拓扑结构。 2 可靠性由于l o n w o r k s 所使用n e u r o n 芯片包括一套完整的通信协议，直 接与传感器和控制设备相连接，所以可以传输传感器或控制设备的状态，与其 哈尔滨理t 人学t 学硕。 ：学位论文 他n e u r o n 芯片交换数据。路由器不仅扩充了网络的容量，而且由于连接到路由 器上的两个通道在物理上是相互隔离的，提高了网络的可靠性。 3 安装调试方便l o n w o r k s 提供了完善的管理工具，方便对网络中的节点 分配逻辑地址，而l o n w o r k s 网络节点之间使用的逻辑连接，可以使得系统中节 点的增加、修改很容易，这非常方便系统调整和扩充升级。 4 工程开发周期短n e u r o n 芯片内置现成的i o 对象、l o n t a l k 协议，并使 用高级语言编程，大大缩短开始周期，提高开发质量，能在短时间内开发出稳 定可靠的系统。l o n w o r k s 技术是一新的控制网络技术，在智能小区应用中逐渐 显示了该技术的独特的优势。同时，它正在推动控制网与互联网的互联互融。 5 网络拓扑结构灵活多变可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接 方式。可以最大限度地降低布线系统的复杂性和工作量，提高系统可靠性、可 维护性【2 鲥。 6 l o n w o r k s 网络是无主站点对点网络，其任一点的故障不会造成系统瘫痪 一个住户节点的损坏或关闭不影响其他住户节点正常运行，降低了维护难度， 提高了系统的稳定度，网络响应得到保障。 智能小区通过l o n w o r k s 技术