（精密仪器及机械专业论文）基于LonWorks控制网络技术的家庭智能终端管理系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

台l j l 业上学顺i 。学位论文摘要 摘要 l o n w o r k s 技术在我国的迅速发展对我国当前水平较低的智能小区控制技术提出 了挑战。智能小区控制技术广泛应用于远程抄表、家庭安防报警、电器控制等场合。 l o n w o r k s 网络控制技术是近年来迅速发展起来的现场总线控制技术，在工业、楼 字、运输、能源等自动化领域得到应用。本论文在l o n w o r k s 网络控制技术应用于小 区智能化方面主要做了以下几方面的工作： 1 本文提出了采用l o n w o r k s 技术的楼宇控制的三个实施方案，并针对我国目前 的情况，对方案二的实现进行了详细的论述。 2 文中讨论了节点的组合原则，分析了网络的实时性，重点论述了节点设计、组网 设计以及软件设计。 3 提出并实现了一种新颖的低成本的基于以太网的远程监控方案。 4 同时对系统的安全性进行了分析，提出了解决办法。 5 论文给出了系统的试验情况，从而对前期的研究给出了有力的验证。 天键词：l o n w o r k s 网络控制技术，j a v a ，家庭智能终端，s e r v l e t 雹刁磁踟 台把l l ，凡学母j 学位论文摘要 a b s t r a c t t h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h el o n w o r k sf e i l d h u sh a sc h a l l e n g e dt h el o w l e v e l e d t r a d i t i o n a lh o u s ec o n t r o lt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y , w h i c hu r g e st h ed e v e l o p m e n to fo u r o v e nh o u s ec o n t r o ln e t w o r k s t h eh o u s ec o n t r o ln e t w o r k ，i su s e dt or e a dm e t e r r e m o t e l y ，t o g a i nt h ec o n t r o la n dm o n i t o rt h es t a t u so fa l lt h ee q u i p m e n ti nt h eh o u s e ，a n dt os h a r e i n l b r m a t i o nw i t ho n e a n o t h e r a c t u a l l yt h i sh a sb e c o m e t h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to f t h e h o u s ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h ed i s c u s s i o ni sc a r r i e do u tb a s e do i lt h ec o n t r o ls y s t e mo f h o u s e 1 i nt h i sp a p e r ，3s o l u t i o n sf o rt h et r a i nc o n t r o ln e t w o r ka r ed e m o n s t r a t e db a s e do nt h e l o n w o r k s t e c h n o l o g y a n d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n si no u rc o u n t r y , t h e2 “o s o l u t i o ni sf u r t h e rd i s c u s s e di nd e t a i l 2 t h em a i n p r i n c i p l e sf o rt h ed e f i n i t i o no f t h ed i f f e r e n tn o d e si nan e t w o r ka r eg i v e n ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er e a l t i m ec o n t r o li s t h o r o u g h l ya n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，g r e a t e m p h a s i sh a sb e e np u t t od i s c u s sn o d e d e s i g na n dn e t w o r kd e s i g n 3 i n t r o d u c e dau n i q u ew a yt oc o n t r o la n dm o n i t o rl o n w o r k sn e t w o r k r e m o t e l y ，w h i c hi s n l o r ec h e a p e r ，m o r es t e a d y ，c o m p a r e dt oo t h e rw a y s 4 m e a n w h i l e ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h es e c u r i t yo f t h es y s t e ma n ds o m es o l u t i o n sa r eg i v e n 5 f i n a l l y ，t h ep a p e rp r o v i d e sc e r t a i nr e s u l t so ft h es t a t i ct e s t sa n dt h ed y n a m i ct e s t w h i c h i nr e t u r np r o v e st h ep r e c e d e n t d e s i g n k e y w o r d ：l o n w o r k st e c h n o l o g y , f a m i l yi n t e l i g e n tt e r m i n a l ，j a v a , s e r v l e t 1 1 致谢 本论文是在导师吕国强教授的悉心指导下完成的，在读研的三年时间里，吕 老师对科学研究敏锐的洞察力、清晰的科研思路、丰富的实践经验、严谨的治学 作胍令我终身难忘，并将受益无穷。在此，向吕老师表示衷心的感谢，并致以深 深的敬意。感谫 吕老师在我学业和生活上给予的关心和帮助。 感谢邓善熙教授、彭良清老师、洪占勇老师、杨永跃老师对我论文的完成提 供的热情而有益的帮助。还感谢安徽光电技术研究所所长许光升先生和钟毅先生 提供了良好的设备条件和有益的建议。在检测技术研究所学习的三年中，还得到 了所早很多老师的帮助和指导，以及杨家桂、任潇潇、余厚云、丁兴号、钟艺、 李了了、杨家强等同学的鼓励和帮助，在这里一并表示感谢。同时感谢研究所提 供的良好的学习气氛和友善的生活环境，感谢在这里度过的三年愉快的时光。 感谢我的父母和家人，是他们给予的爱和宽容使我能够不断前进。 谨以此文献给所有关心、帮助过我的父母、家人、老师和朋友们! 台f k1 、止凡学大学坝士学位论文第一章惜论 第一章概论 随着信息产业的发展以及家庭数字化产品的不断涌现，住宅也向着智能化和网络 化的方向发展，智能住宅也就应运而生。智能住宅就是将各种与信息相关的住宅设备 通过小区内部网络与家庭连接起来，为用户提供一个舒适的信息化居住空间的现代住 宅。这是信息技术发展寻找更广阔的市场结合点的必然结果，是i t 产业向传统建筑 产业以及人们生活渗透的必然结果，i t 产业的发展正在极大和必将更大的改变人们 的工作生活交往方方面面，发展中国家也不例外。在这种背景下，顺应潮流，满足市 场需求成了科技工作者的头等大事，而发展廉价的稳定可靠而功能齐全的智能小区无 疑是一个明智的选择。于是，国内外各个厂商均投入巨资研究智能小区。智能小区与 传统小区有着很大的区别。这个区别的直接结果就是控制系统的复杂化，对小区的控 制系统提出了较高的要求，主要表现在： ( 1 ) 小区的三表数据的准确采集和远传； ( 2 ) 能够实现对各个家庭的分散控制； ( 3 ) 系统响应实时快速，满足家庭防火和防盗的要求； ( 4 ) 能够实现对家电的实时控制； ( 5 ) 能够向各个家庭发送日常通知； ( 6 ) 能够利用以太网或移动电话实现远程监控以方便物主。 6 ) 系统应具有可扩展性，能够方便可靠的接入新增设备。 这些功能的实现使得智能小区控制系统变成了一个庞大而功能完备的系统，我国目前 所采用的控制系统几乎无法满足此要求【4 】。此前我国在智能小区方面做了相当多的尝 试，大多制定以r s 4 8 5 为基础的简单协议进行设备之间的通讯，这种方法一方面使 得不同厂家之间的产品兼容性非常差，阻碍了厂家之间的生产协作。另一方面，大量 的信i ；进行长距离的传输，信号的衰减是一个不容忽视的问题，而自订协议的简单性， 容错性差直接导致系统的可靠性不高。 随着人类社会进入信息时代，网络技术的迅猛发展发展正在改变着人们的工作和 牛活。计算机网络迅速波及到社会生活的各个角落，房地产业也不例外，欧美各大楼 1 l 衙纷纷发展自己的控制网络，并得到了广泛的应用。这些控制网络稳定性好，实 时f j - f h 准确性都能得到保证。因此，在国内还没有成熟的产品的情况下，各厂家纷纷 将e i 光投向了国外。但是，由于国内外技术落差的存在，国外厂商在卖给我们楼宇控 扯j 。io n w o r k s 控制网络技术的家庭智能终端管理系统研究 台肥l 业人学大学颂士学位论文第一章概论 制系统的同时，也开出了天价，使得控制系统成为了一个奢侈品，同时在系统的安装、 调试和维护等方面也存在各种各样的问题。因此，开发自己的智能小区控制系统迫在 眉睫。随着楼宇控制技术的不断发展，楼宇控制逐渐多样化，发展具有开放性、可靠 性高而功能完备的智能小区控制系统也是国内厂商所拭目以待的。本文将就此逐渐展 丌讨论。 11 楼宇控制技术的发展与现状 11 1 国外 8 0 年代末至9 0 年代初，在国际上随着网络互联技术的发展和i n t e r n e t 在全球范 围的盛行，开放、互连和信息共享已成为i t 时代的潮流，构造不同厂家的产品能够互 联、互换和互操作并可以与i n t e m e t 无缝连接的新一代楼宇自动控制系统b a s ，己成 为业主、系统集成商和用户的迫切需要和现实追求。美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年提 出了k o n w o r k s ( l o c a lo p e r m i n gn e t w o r k s 局部操作网络) 网络，简称l o n 网，它标志 着控制系统网络的新纪元。l o n w o r k s 是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟 的和低成本的分布式控制网络技术，众多的制造厂和用户纷纷在其控制网络方案中采 用l o n w o r k s 技术。到目前为止，全世界已有2 5 0 0 多家公司利用l o n w o r k s 技术生产 各种各样的l o n w o r k s 产品，以满足现代化楼宇、工厂、交通运输系统、城市基础设 施( 水、电、气等) 、家庭等环境自动化系统的分布式控制网络要求。在1 9 9 5 年， l o n w o r k s 控制网络被美国确定为楼宇自动化控制网络标准的一部份。目前，一些楼 宇控制公司，如霍尼维尔、安德沃、西比、江森、兰吉尔、萨切维尔等都正在采用 l o n w o r k s 技术改造产品，已形成世界技术潮流。 国外的智能小区系统一般分为安防子系统，物业管理子系统，信息网络子系统三 部分。 1 、安防子系统 鉴 ：目前社会上存在的各种犯罪活动，人们对安全的需求越来越强烈。因此安装 现f t i z i l 9 安全防范设施已成为当前住宅小区智能化建设的主流。智能小区安全子系统 由以下儿部分组成。闭路电视监控系统运用了先进的传感器技术、监控摄像技术、通 讯技术、计算机技术等，组成一个多功能、全方位监控的高智能化的处理系统。闭路 电趣峪控系统因其能给人最直接的视觉、听觉感受，以及对监控对象的可视性、实时 性及害观性的记录，因而己成为当前安全防范领域的主要手段。闭路电视监控系统主 要、i i t jj 二智能小区出入口、周界、车库及其他需要的公共场所。报警控制系统是实现 j l i ；j 。io n w o r k s 控制网络技术的家庭智能终端管理系境研究 鲁毗1 世人学大学颤士学位论文第一章概论 小区内居民家居安全的最主要的安全防范手段。主要包括防火、防盗、防煤气泄漏等 报警系统。小区报警控制系统通过电话线或专线可同1 1 0 公安报警处理中心、1 1 9 消 防控制中心及1 2 0 急救服务中心联网，为用户提供一个安全无忧的家居生活环境。报 警系统由报警中心和室内安防两部分构成。 室内安防部分主要由报警主机、人体移动红外感应探头、煤气泄漏探测器、门磁 感应丌关、紧急按钮、烟雾及火警探测器等组成。室内安防报警主机通过公用电话线 路与小区物业的报警中心联网，监测是否有非法入侵居民住宅、紧急救护事件，并自 动向报警中心、用户电话、b p 机等报警。报警中心设置于小区物业安防管理部门， 用于监控用户端报警主机工作状态，接收处理报警信号，同时完成用户数据库查询、 各种报警信号的查询、电子地图显示、打印、值班员现场监昕数字录音等处理功能。 报警中心具有详尽的数据分析系统，便于物业管理部门对小区治安状况进行科学的分 析，有利于小区综合智能化管理。电子巡更、周界报警系统是实现小区周边公共安全 的j 三要手段，通常同闭路电视监控系统相配合，防止各种逾墙而入的犯罪活动，把罪 犯拒之于小区围墙之外，为小区居民提供一个安全的生活环境。 1 1 2 国内 ( 1 ) 建设情况：我国是从八十年代末期引入了智能小区的概念。国内第一个建成 由电脑风格覆盖的住宅小区是江苏无锡蠡湖泰德新城，它在实现了住宅园林化的同 时，还实现了住宅智能化。泰德新城着眼于2 1 世纪社区功能和居民工作、生活方式 和性质的改革，提出并实施了社区多媒体公益网，可以使小区内各机构之间资讯互通， 资源共享，并可连接国内外大型网络，建筑物之间由高速网络线路相连，并辐射至每 个房间，可将图文电视、有线电视、卫星通讯、金融电子、公用数据交换等多种信息 服务向社会提供。深圳首家智能化小区是中央花园，中央花园除电脑和数据通信端口 与世界联网外，住户还可享受金融股票即时交易、网上购物、电子银行服务、应用远 程教学及医疗系统等资讯娱乐服务。但是早期的智能小区无论是从层次还是从科技含 量上来蜕，精品很少。这种情况近年来有所改善。以深圳市的梅林一村住宅小区为例。 这个小区总建筑面积约8 0 万平方米。住宅建筑面积约6 7 万平方米，其中各类户型住 宅共6 8 8 8 套，由6 5 栋多层住宅、2 5 栎中高层住宅和6 栋高层住宅组成。采用：一以 智能住宅为基本单位、智能物业管理中心为中心节点，有线电视宽带( h f c ) 网为数据 传输媒介”的智能小区系统模式。具有安全自动化( s a ) 、通信自动化( c a ) 和管理 功化( m a ) 等适合住户需要的功能。另外还有邮电部试点开发的上海电信二村智 堆j ：io n w o r k s 拄制恤喑络技术的家庭智能终端管理系统研究 台耻r 业人学人学硕士学位论文第一章 【论 能住宅小区( 3 0 0 户) 及在成都由西南交大科技发展有限公司开发的交大智能小区 ( 1 9 0 0 户) ，它们代表了基于几种不同技术方式，可以说是现今中国实现小区智能化 完整解决方案的典型模式【2 】。 ( 2 ) 技术实现情况：现在国内大多数己实施的智能小区项目仍选择r s 4 8 5 作为网 络组念，仅完成了物理层的互连，数据链路层则采用了的非标准的通信协议，只宜用 于建立在拓扑结构较简单的系统，若要进行网络扩展，则需要做大量的工作：这样的 工程有比较差的可靠性和可扩展性。另外，要实现以上功能要有许多与之配套的技术 故产品。可是据目前了解到的情况显示，国内在智能建筑方面的产品几乎是空白。尤 其是智能小区的核心产品用户终端。仍以深圳市的梅林一村住宅小区为例，其使 用的用户终端是从美国m o o r e 公司引进的，这样一来无论是从工程施工的进度( 其 产品运输、报关等待时间较长) 还是从特殊的技术改动等方面来说，都不是上乘之选。 1 13 现场总线技术p 1 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，被誉为自动化领域计算机 局域网，现场总线控制系统既是一个开放的通信系统，又是一个全分布控制系统，它 适应了工业控制系统向分散化、网络化、职能化发展的方向。新型的现场总线控制系 统突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、 专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵 守同协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各 种功能。下面介绍几种适用于楼宇控制的现场总线。 t1 ) c a n c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t ，控制局域网络) 是主要用于过程监测及控制的一种网 络。c a n b u s 的国际标准是i s 0 1 1 8 9 8 。用于汽车内部测量与执行部件之间的数据 通信。其技术规范现己被i s o 国际标准组织制订为国际标准，由于得到了m o t o r o l a ， i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持而被广泛应用在分散控制领域。其模型结 构只有三层，即o s i 的物理层、数据链路层和应用层。通信介质采用双绞线，通信速 率可达l m b p s 4 0 m ，直接通信距离可达1 0 k m 5 k b p s 。可挂接设备数多达1 1 0 个。c a n 支持刈等式结构，网络上的节点可设置优先级，以满足不同的实时要求。采用非破坏 性总线仲裁技术。点对点、点对多点以及广播式发送及接收数据。c a n 采用短帧结 构，每帧的有效字节数为8 个。c a n 节点在错误严重的隋况下，具有自动关闭总 线的助能，切断它与总线的联系，避免影响总线上其它节点的操作。在s i e m e n s 公司 的s i b a s 3 2 中曾在制动控制部分的总线中采用c a n 总线。我国也有过这方面的研究 址j io n w o r k s 拄制州络技术的家庭智能终端管罡i ! 系统研究 4 台肥17 业凡学大学硕士学位论文第一章概论 和应川。 ( 2 ) p r o f i b u s 过程现场总线p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际r 眭的开放式的 现场总线标准，即e n 5 0 1 7 0 欧洲标准。由p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s d p 共同形成其系列，其中p a ( p r o c e s sa u t o m a f i o f l ) 用于过程自动化， 通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 用于一般自动化。d p 用于加工自动化，适用于分散的外围设备。 p r o f i b u s 采用了o s i 模型的物理层、数据链路层，f m s 还采用了应用层。传输速 率9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离为1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，1 5 m b 口s 时为4 0 0 m 。可 用中继器延长至1 0 k m 。传输介质可为双绞线、光纤。最多可挂1 2 7 个站点。 ( 3 ) f f 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于任何企业的公正的非商业化的 国际标准化组织。基金会现场总线的物理层遵循i e c l l 5 8 2 和i s a 一$ 5 0 0 2 有关物 理层的标准。其体系结构采用了物理层、数据链路层、应用层、用户层。采用令牌总 线工作方式，传输介质支持双绞线、光纤和无线介质。传输信号采用曼彻斯特编码。 ( 4 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美国e c h e l o n 公 司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公布而形成的。其网络 芯片n e u r o n 芯片集成了i s o o s i 的全部七层协议，同时具有通信和控制功能，提供 了3 4 种常见的i o 控制对象，工作温度范围宽( 4 0 8 5 ) ； l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线、光 缆，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式，网络收发器有直接驱动、e i a 4 8 5 型、变压器耦台接口三种形式，满足了不同要求同时传输信号采用差分曼彻斯特编码， 使网络具有很强的抗干扰能力。在采用双绞线、波特率为7 8 b p s 的通信网时的直接通 信距离可达到2 7 0 0 m ，加上其功能强大的硬件支持使得很容易在一定的空间范围内构 成功能繁多的系统： l o n w o r k s 控制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚持c s m a ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a ) ，使得在网络超载时仍保持很高的吞吐量；网络结构 既t j _ 采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设备的开发、调试和安 装设备，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行，可实现网络的离线、在线 躞计、在线调试或通过i p 网的远程调试。 l o n w o r k s 控制网络的网络通信采用了面向对象的设计方法，应用编程时不用花 硅卜l o n w o r k s 控制网络技术的家庭智能终端管理系统研究 5 0 肥rj p 人学人学硕士学位论文第一章概论 时问考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的开发环境，易于开发、安装和调 试；丌放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级；1 9 9 8 年6 月建设部智能建筑技 术”发推广中心在北京成立了中国智能技术l o n m a r k 协作网，通过了协作网章程。 l o n m a r k 协作网旨在指导中国智能建筑行业生产、使用具有l o n w o r k s 技术标准的智 能产品，统一规范于l o n w o r k s 标准 4 1 。这样各厂商产品均能能用，以利于集成，运 行管理，便利维护，避免重复投资。 1 2 本课题的目的和内容 1 21 课题来源 本课题来源于安徽省十五科技攻关项目“家庭四表( 水表，电表，煤气表，能量 表) 远程智能( 集成) 抄表系统”中的应用管理系统模块。 11 2 预期效果 基于l o n w o r k s 的智能抄表系统，智能终端通过中断方式实时记录四表的脉冲数， 计算 “各表的数值并存储。管理中心的计算机可以采用实时或定时方式抄收终端存储 的表值。抄表主机结合相应的管理软件，可以实现以下各功能： i j 随时查询网上任一住户的水表、电表、气表、能量表的读数。 对住户每月消耗的水、电、气、能量数进行统计、费用计算、交费管理。对欠费的住 户自动打印欠费通知单。 用户信息查询，停止、启动用户。 实现远程控制，对欠费或违章的住户，可通过网络来关断水、气、电、热量的供应， 强化收费管理及违章处理。 具有信息异常报警功能，并可记录报警历史数据。 具有很强的扩展功能，如对各类防盗、防火等信号进行报警，对家用电器进行远程控 制等。 管理中心通过服务机可与小区内的以太网相连，也可以通过电话线接到i n t e r n e t 网j 二，这样上级主管部门( 如供电局、自来水公司、煤气公司等) 可通过访问各小区 站点，得到所需表的数据并进行自动分时收费及管理。 陔系统有其突出的特点： ( 1 ) 各类耗能表联网，由管理中心统一抄录、收费管理，方便快捷，节省大量人力 物力，且避免一些不必要的错误及纠纷。 ( 2 ) 采用l o n w o r k s 总线，以双绞线作为通信媒介，布线灵活、简捷，实时性强 辑0 。i o n w o r k s 控制| q 络技术的家庭智能终端管理系统研究 6 台；：lf 业凡学大学硕士学位论文第一章 觐论 数据准确可靠，也使得系统扩展灵活，而且组网简单。 ( 3 ) 系统采用低功耗设计，电路简单，耗电少。 ( 4 ) 每户作为一个节点，通讯及控制功能均由该节点实现，因此，某一节点出现故 障不会影响网上其它节点的工作。 1 2 3 目的和内容 采用l o n w o r k s 网络控制技术实现智能小区在国外已有成功的范例，国内也 有了仞步的尝试。本论文试图以此技术为基础，讨论实现智能小区系统全套解决方案 的可行性并对目前已完成的工作从不同的角度展开论述。作为一个新系统的研究和 丌发，它所需解决的问题相当多，从硬件角度讲，包括用于系统的各类节点的开发设 计，电源系统、安装结构的设计；从软件角度来讲，则包括节点软件的开发，组网设 计，人机界面开发等一系列的问题。因而就系统开发而言这是一个多学科、综合| 生较 强、较为复杂的课题。该课题是我们仪器仪表学院与安徽光电研究所联合完成的。在 论文期问，我主要完成了以下工作： ( 1 ) 与光电所相关技术人员共同提出系统的技术要求；系统的对计算机网络技术、 l o n w o r k s 控制网络技术进行了学习和研究； ( 2 ) j j 步分析了l o n w o r k s 技术实现智能小区的可行性，提出了系统的组建原则，软、 硬件的设计原则； 【3 ) 进行了系统中部分节点的硬件电路和软件的设计和调试； 4 ) 参加了智能小区系统的联网测试： j 1 对l o n w o r k s 节点的可靠性作了必要的分析。 椎卜【o n w o r k s 挖制刚络技术的家窿智能终端管理系统研究 台 j l _ ! l 比入学砸i 学位论文第二章l o n w o r k s 网络控制技术的原理与应用开发 第二章ij o n 、o r k s 网络腔制技术的原理与应用开发 2 1 概述【刮 l o n w o r k s 网络控制技术在控制系统中引入了网络的概念，在该技术的基础 上，可以方便的实现分布式的网络控制系统。并使得系统更高效、更灵活、更易于维 护和扩展。具体有以下特点： t1 ) 丌放性和互操作性：网络协议是开放的，而且对任何用户都是对等的。其协议 已被一些国际标准组织确认为一些标准，如e i a7 0 9 和i e e e l 4 7 3 。网络协议完整到 任何制造商的产品都可以实现互操作。该技术提供的m i p ( 微处理器接口程序) 软件 允许厂发各种低成本网关，方便了不同系统的互联。也使得系统具有高的可靠性。 t 二) 通信介质：可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等在内的多种介 质进行通信，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。这一特性使得不同工业现场 的不同设备实现互联。增强了网络的兼砻| 生。 ( 3 ) 网络结构：能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以及客户服务式 ( c l i e n t s e r v e r ) 。 ( 4 ) 网络拓扑：可以自由组合，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式。 尤其是自由拓扑形式使得网络构建更为方便灵活。 ( 5 ) 分市式处理：网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、发送和处理 刚络信息。这意味着l o n w o r k s 控制网络上的每个设备都可以进行决策和信息处 理，l 呵不依赖于计算机、p l c 或其它形式的中央处理器。消除中央处理器意味着减少 l o n w o r k s 控制网络的总成本。由于个别设备的故障并不会影响网络中其它部分的 工作，t g 使得l o n w o r k s 控制网络更加可靠，但如果是p l c 或中央处理器出现故 障就造成控制网络的其它部分不能正常工作。 除匕述特点外，l o n w o r k s 控制网络在功能上就具备了网络的基本功能，它本 身就是一个局域网和l a n 具有很好的互补性又可方便的实现互联，易于实现更 加强大的功能。l o n w o r k s 以其独特的技术优势，将计算机技术、网络技术和控制 技术融为一体，实现了测控和组网的统一，而其在此基础上开发出的l o n w o r k s i p 功能将进一步使得l o n w o r k s 网络与阻太网更为方便的互联。 l n s ( l o n w o r k s n e t w o r k s e r v i c e s ) 是用于l o n w o r k s 技术开发和应用的功能 强人n 1 网络操作系统。与网络构成c l i e n t s e r v e r 结构，采用面向对象的方法管理网络 i i lj - io n w o r k s 控制网络技术的家庭智能终端管理系统研究 台：雌j 从学倾i 学位论文 第二章l o n w o r k s 网络控制技术的原理与应用开发 设备为网络管理和h m i ( 人机界面) 的建立提供了有效的手段。 l o n m a r k 互操作协会是由e c h e l o n 和一些致力于建立互操作产品的 l o n w o r k s 用户在1 9 9 4 年建立的。互操作性是指来自同一个或不同制造商的多个 设备能够集成在一个控制网络内，而不需要进行任何用户节点或网络工具的开发。 l o n m a r k 协会致力于制定互操作标准、对产品是否符合标准进行认证、以及提高 互操作系统的性能。 卜面将分别展开叙述其各相关技术和功能。 22l o n t a l k 协议 6 1 2 2 1 概述 l o n w o r k s 技术所使用的通信协议称为l o n t a l k 协议。l o n t a l k 协议遵循由国 l , j i h 、m 化组织( i s o ) 定义的开放系统互连( o s i ) 模型。它提供了o s i 参考模型所 定义的全部七层服务，支持灵活寻址。表2 1 给出了对应七层o s i 参考模型的l o n t a l k 仙议为每层提供的服务。 表2 1l o n t a l k 协议层 o s i 层目的提供的服务 7 应用层应用兼容 l o n m a r k 对象配置特性标准网络变量类型， 。肚文什传输 6 表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧传输，网络接口 5 会话层远程操作 请求伸应，鉴别，网络服务 4 传输层端端的可 应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序 靠传输 3 网络层传输分组 点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由消息 2 链l l c 子层帧结构 帧结构，数据解码，c r c 错误检查 路层m a c 子层 介质访问p 坚持c s m a ，冲突避免，优先级，冲突检测 i 物理层 物理连接介质，电气接口 ! ! 二物理信道 k o n t a l k 协议支持阱不同通信介质分段的网络，它支持的介质包括双绞线、电力 线、尤线、红外线、同轴电缆和光纤。每个l o n w o r k s 节点都需要物理地连接到 价嗵tc h a n n e l ) 上，信道是数据包的物理传输介质；l o n w o r k s 网络由个或多 j ；j 【 l n w o r k s 拌制嘲络技术的家庭智能终端管理系统研究9 台雅川- k 学顺l 。学位论文 第二蕈l o n w o r k s 网络控制技术的原理与应用开发 个信道组成。 1 i 同信道通过路由器相互连接，路由器是连接两个信道，并控制两个信道之间数 掘包f 送的器件，路由器有四种不同的安装算法：配置路由器( c o n f i g u r e d r o u t e r ) 、 自学爿路由器( l e a r n i n gr o u t e r ) 、网桥( b r i d g e ) 和重复器( r e p e a t e r ) 。可以任选一 种算法来安装路由器。 由网桥或重复器连接的信道的集合称为段( s e g m e n t ) 。节点可以看见相同段上的 其它节点发送的包。而智能路由器( 配置路由器和自学习路由器) 则根据设置决定是 否将数据包继续向前传送。故可用来分离段中的网络交通，从而增加整个相同的容量 和可靠性。 2 ! 3l o n t a l k 协议的网络地址结构 l o n t a l k 地址唯一地确定了l o n t a l k 数据包的源节点和目的节点( 可以是一个或 几个节点) ，路由器也使用这些地址来选择如何在两个信道之间传送数据包。 网络地址可以有三层结构：域( d o m a i n ) 、子网( s u b n e t ) 和节点( n o d e ) 。 第一层结构是域。域的结构可 以傈i j l ：在不同的域中通信是彼 此独妒的。例如，不同的应用 的m 氯共存在同一个通信介质 巾，如，不同域的区分可以保 证它们的应用完全独立，彼此 不会受到干扰。n e u r o n 芯片可 以配置为属于一个域或同时属 于两个域。同时作为两个域的 成员的一个节点可以用作两个 节点节点 图2 1 分层编址示意图 域之叫的网关( g a t e w a y ) 。域i d 可配置为0 、1 、3 或6 个字节。使用较短的域i d i j 以减少数据包的开销，这可由系统安装者根据实际需要来决定。 第：联结构是子网。每一个域最多有2 5 5 个子网。一个子网是一个域内节点的逻辑集 合。个子网最多可以包括1 2 7 个节点。一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组， _ f 】。种子网层的智能路由器产品可以实现子网问的数据交换。在一个子网内的所有节 j ? i 必犊位于相同的段上。子网不能跨越智能路由器。若将一个节点同时配置为属于两 个域，删它必须同时属于每个域上的一个子网。除了下列情况外，可将一个域中的所 仃1 y j _ 郜配置在一个子网内： 堪1 io n w o r k s 控制网络技术的家庭智能终端管理系统研究 台j ：1 州r 人学顾卜学位论文第二章l o n w 0 r k s 网络控制技术的原理与应用开发 1 节点位于由智能路由器分割的不同段内。 2 刚络的节点数目 1 2 7 。这时若将所有节点配置为属于同一个子网就超过了一个子 网的最大容量，此时可在一个段上配置多个子网以增加段的容量。 幽2 2 单一信道多个子网图2 3 同一区段上的多个子网 划2 4f 网不能跨越智能路由器 图2 5 分属于两个域的节点子网归属 剀2 6 一个域中的所有节点归属一个子网图2 7 组编址示意图 第i 层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个在该子网内唯一的节点号。该节点 号为7 位，因此，一个域内最多有2 5 5 1 2 7 = 3 2 3 8 5 个节点。 i ，点也可以被分组( g r o u p ) ，一个分组在一个域中跨越几个子网，或几个信道。 住1 个域中虽多有2 5 6 个分组，每一个分组对于需要应答服务最多有6 4 个节点，而 硅j ic ) n w o r k s 拄制旧络技术的家庭智能终端管理系统研究 ：，肥丁业人掌颤j ：学位论文 第二章l o n w o r k s 网络控制技术的原理与i 皿用开发 无应答服务的节点个数不限，一个节点可以分属1 5 个分组去接受数据。分组结构可 以使一个报文同时为多个节点接收。 另外，每一个n e u r o n 芯片有一个独一无二的4 8 位i d 地址，这个i d 地址是在 n e u r o n 芯片出厂时由厂方规定的。一般只在网络安装和配置时使用，可作为产品的 序列号。图2 8 为报文地址结构。 2 - 24 通信服务 2 241 消息服务类型 网络通过的通信服务要使网络同时实现高的有效性、快的响应时间、好的安全性 以及高的可靠性是不可能的，实际网络提供的通信服务只能是在这几个方面折衷的结 果。l o n t a l k 协议提供了4 种基本类型的报文服务：确认( a c k n o w l e d g e d ) 、请求，响 应( r e q u e s t r e s p o n s e ) 、非确认重复( u n a c k n o w l e d g e dr e p e a t e d ) 以及非确认 ( u n a c k n o w l e d g e d ) 。使用确认服务是最可靠的，但是对于较大的组来说，却比非确 认或非确认重复服务需要使用更大的网络带宽。具有优先级的数据包将能够保证这些 数据包被及时的传送，但是却损害了其它较大的传送。对一个对象增加证实 i 区亚压碉，。l 卜匣王i 。 卜匝王匝工亟互圃西。 3 区互卫丑j 蛰二二玉三互 l 图2 8 报文地址结构 【a u t h e n t i c a t e d ) 服务虽然增加了安全性，但完成一个证实却比完成一个非证实事务 所需的数据包数多了两倍。 晴求响应是最可靠的服务，目p - - 个报文被发送给一个或一组节点，并等待来自 每个接收节点的响应。输入报文由接收端的应用在响应生成之前处理。与确认服务一 样，发送时问、重发次数和接收时间是可选项。响应中可以包括数据，从而使服务适 川i “钾调用或c l i e n t s e r v e r 方式。 杜j 。i o n w o r k s 控制网络技术的家庭智能终端管理系统研究 音肥f 业( 学硕士学位论文第二章l o n w o r k s 网络控制技术的原理与应用开发 确认是与请求响应相等价的服务，即一个报文被发送给一个或一组节点，发送 者将等待来自每个接收者的确认。若没有接收到来自所有目标的确认，并且发送者的 时间己超出，发送者则重新发送。发送时间、重发次数和接收时间是可选项。确认由 网络c p u 来生成而与应用c p u 无关。其i d 号用于跟踪报文和确认，从而使应用不 再接收重复的报文。 非确认重复的可靠性较前两者要低。非确认重复服务即是报文被多次发送给一个 或多个节点，同时不企望得到响应。该服务一般用于向一大组节点广播，若在确认或 请求响应方式下，由所有响应产生的交通量可能将使网络过载。 可靠性最低的是非确认服务。它是指一个报文被发送给一个或一组节点且只被发 送一次，同时不期望得到响应。该服务般用于要求有最好的性能，网络带宽受限制， 同时网络对报文的丢失不敏感的情况。 2 ! 42 冲突 l o n t a l k 协议使用其独有的冲突避免算法，该算法具有在过载的情况下信道仍然 能负载接近最大能力的通过量，而不是由于过多的冲突而使通过量降低。当使用支持 硬件冲突检测的通信介质( 如双绞线) 时，只要收发器检测到冲突的发生，l o n t a l k 协议可以有选择地取消数据包的传输。它允许降低立刻重新发送被冲突破坏的包。若 没有冲突检测，假定使用的服务为确认或请求响应服务，节点将不得不等待到重试 时间结束，爿能知道节点没有接收到目的节点的确认，这时，节点才重发该数据包。 对于非确认服务，未检测到的冲突意味着包没有被接收到并且不作任何重试。 ! ! 43 优先级 l o n t a l k 协议通过提供优先服务机制以改善对重要消息包的响应时间。协议允许 用户在信道上分配优先级时隙( p r i o r i t yt i m es l o t s ) ，它专门用于具有优先级的节点。 信道i 二的每个优先级时隙对每个消息的发出额外附加有一定的时间( 最小为2 比特时 矧) ，从而换取一定的带宽供信道上实现无竞争的优先访问。附加的时间值大小与比 特速：杠、振荡器的精度以及收发器的需求有关。例如：信道上所有节点使用 t p x f 一1 2 5 0 双绞线收发器( 速率为1 2 5 m b p s ) ，振荡器的频率精度0 2 ，每个优 先级时隙宽为3 0 比特时间。由于不存在竞争，配置优先级的节点相对于无优先级的 节点的响应时间要好得多。优先级与冲突检测的结合将获得更优的响应时间。为每个 节点分配优先级时隙的网络管理工具可咀保证节点在信道上被赋予一个特定的优先 缎时隙。节点只能在分配给它的优先级时隙发送它的所有赋予优先级的消息包。就实 质l m i ，优先级的使用极大的降低了网络冲突的概率。优先级时隙的数目( m ) 可以 璀fi o n w o r k s 控捌网络技术的家庭智能终端管理系统研究 台雅l 业 学倾| 二学位论文第二章l o n w o r k s 网络控制技术的原理与应用开发 是o 1 2 7 ，具体是多少取决于信道类型以及信道优先级时隙的配置数量。较小的优 先级数代表较高的优先级。若某个节点被赋予的优先级时隙是“0 ”，该节点将无优先 数盯隙供发送消息。优先级时隙l 预留给网络管理器，即其在网络上的优先级最高。 当节点内生成一个优先级包后，在挂起的所有的无优先级输出包被传输之前，该优先 纵包将在优先级队列被传送出节点。同样，当一个优先级包到达路由器时，它加入到 路由器队列的前面( 但在所有已排队的优先级包后) ，若已配置了路由器的优先级时 隙，则它使用路由器的优先级时隙向前传送。 2 2 4 4 证实 l o n t a l k 协议支持消息的 证实服务。它允许消息的接收 者确定发送者是否有权发送该 消息。其目的通常是为了防止 侵权访问节点及其应用程序。 篙 网络管理事务也可选择使用证 实。要使用证实功能可在节点 安装时将长为4 8 比特的证实 密钥分配给节点，当一个证实 的消息发出后，整个过程的流 程幽如图2 9 所示。 节 点 a 需要证实