（机械工程专业论文）小区综合自动化系统的研究与设计.pdf

摘要 小区综合自动化系统在我国的迅速发展，对我国当前应用水平较低的传统技术提 出了挑战，应用的需要使得发展我国小区控制网络成为当务之急。在小区建立控制网 络，不仅利于小区综合自动化系统的规划，确保小区自动化系统的工作可靠而稳定， 而且方便了小区自动化系统的升级换代及功能扩展。它的研究和应用对于改革我国小 区自动化系统现状有着十分重要的理论意义和广泛、迫切的实际需求。 本文以单元门禁、家居安防、远程抄表等小区自动化功能为研究对象，根据小区 综合自动化系统的实际需求，采用了l o n w o r k s 现场总线控制技术，规划了综合 自动化系统的网络拓扑结构，确定了数据通信方式，分析了网络实时性：研究了自动 化系统设备的模块化方案，并对系统节点进行了设计，由网络配冒图表达了节点的组 网设计；研究了数据存储和管理模式，并具体开发了中心应用软件和数据库系统，实 现了中心系统的集成控制。 关键词：小区综合自动化系统，研究与设计，l o n w o r k s 控制技术 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n tf o rs y n t h e t i ca u t o m a t o ns y s t e m so fr e s i d e m i a la r e ah a s c h a l l e n g e d t h el o w - l e v e l e dt r a d i t i o n a l t e c h n o l o g yi no n rc o u n f f y , w h i c hu r g e st h e d e v e l o p m e n to fo u ro w nc o n t r o ln e t w o r k sf o rr e s i d e m i a la r e a a st h ec o n t r o ln e t w o r ko f r e s i d e n t i a la r e a ，c a nn o to n l yh e l ps c h e m ef o ra u t o m a t o ns y s t e m so fr e s i d e m i a l a l e ， i m p r o v et h es t a b i l i t yo fs y s t e m ，b u tp r o v i d et h ee x p e d i e n c yf o ru p g r a d ea n de n l a r g eo f s y s t e m i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c hf o rs y n t h e t i ca u t o m a t o ns y s t e m so fr e s i d e n t i a la r e a i no u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r , t h ea u t o m a t o ns y s t e m so fr e s i d e n t i a la r e af o re n j o i no fu n i t ，d e f e n c e o ff a m i l y , a n dr e a dd a t ai nt h ed i s t a n c eo fm e t e r , i st h er e s e a r c ho b j e c t t h et a s k sa r ea s f o l l o w s f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h ed e m a n da n a l y s i sf o rs y n t h e t i ca u t o m a t o ns y s t e m so f r e s i d e n t i a la r e a , m a r ko u ts t r u c t u r eo fn e t w o r kf o ra u t o m a t o ns y s t e m s ，c o n f i r m a t i o n f a s h i o no f c o m m u n i c a t i o n ，a s s a yr e a lt i m eo f n e t w o r k s 。 s e c o n d l y , t h ec o l l e c t i v ep r o j e c tf o rt h es y s t e mo f t h ea u t o m a t o ni sr e s e a r c h e df o rt h e m o d u l e ，a n dd e s i g nf o rn o d ep o i n to fs y s t e m t h ed r a w i n gf o rc o n f i g u r a t i o no fn e t w o r k s e x p r e s sd e v i s ef o rm a k eu po f n e t w o r k s f i n a l l y , t h ed a t am e m o r ya n dm a n a g e m e n tm o d eo fs y s t e ma r er e s e a r c h e d ，t h e a p p l i e ds o f t w a r eo fc e n t r ea n dt h ed a t a b a s eo fs y s t e mi so p e n e do u t ，a n dt h ec o n t r o lf o r a g g r e g a t i o no f c e n t r ei sa c h i e v e d k e y w o r d ：t h es y n t h e t i ca u t o m a t o ns y s t e m so fr e s i d e n t i a la r e a ，r e s e a r c ha n dd e s i g n , l o n w o r k st e c h n o l o g y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：圣骓堕i ：鱼 沙歹年，z 月谓臼 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 ， 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：翊! 亟强幽巧年，明貉 南京理t 大学t 程硕卜学位论文 论史题日：小b 综合自动化系统的研究j 设计 1 绪论 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，由于信息技术、计算机技术以及网络技术、控制 技术的同新月异高速发展，为小区管理和服务的优化提供了一个即合理又理想的技 术支持。智能建筑也就是在这种高新技术的支持下应运而生的，开创了建筑史上的 新纪元。 1 1 课题背景与研究意义 智能建筑已经在世界各地蓬勃发展并己成为2 l 世纪建筑业的发展主流。国家建 设部于九九年一月召开了“小区智能化技术论证研讨会”，其会议纪要明确指出： 小区智能化是势在必行。n 1 1 1 1 小区综合自动化系统的发展现状与趋势 ( 1 ) 、当前小区综合自动化系统发展现状 就小区综合自动化系统而占，当前主要实现几项主要功能：安全防范系统、智 能抄表系统、公共广播及背景音乐、机电设备监测与控制系统、家用电器设备控制 系统。 在当前可采用的传统技术的产品中，主要基于4 8 5 技术，存在很多问题，已经 越来越不能满足大中型住宅小区发展的需要，如： a 、小区主干通信速率受到的限制，为3 0 0 9 6 k b p s ： b 、通信距离不够远，为1 2 k m ； c 、网络容量限制，可挂接设备数不够多，一条通道可接2 5 5 个节点： d 、通信方式难于实现实时通讯； e 、通讯可靠性差，网络的容错与检错能力须通过软件设定； f 、4 8 5 没有统一的通讯协议，多为厂家自行开发。使各厂家的设备难于兼容， 产品互换性、开放性不够强。 g 、扩充功能有限，可扩展性能差； h 、实现远程监控与操作，需要更大的开发工作量； 此外，因各部分功能系统多为独立系统，其系统设备规划不统一，存在以下缺 点：系统各自独立，不便控制；设备繁多分散，不易施工与维护；系统设备裸露安 装且模块尺寸不一，安装后显得不够美观。 ( 2 ) 、小区综合自动化系统的发展趋势 在住宅小区中建立控制网络，是当前智能小区建设中继电话网、有线电视网、宽 南京理t 大学丁程硕 学位论文论文题目：小区综合自动化系镜的研究j 设计 带网后，在大力提倡的第四类小区网络。 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，又是一个全分前】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 变成了基于公歼化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范 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项功能。 1 l2 课题来源与研究意义 本课题来源于企业，有很强的工程背景和研究价值。 ( 1 ) 、课题来源 本课题来源于信华集团的小区项目，该小区住户容量为八千多户，对小区综合 自动化系统要求具备：小区周界防范、家居防盗报警、单元门禁、远程智能抄表等 智能功能。为实现统一规划和施工、方便维护与管理，需将各系统挂接在统一的控 制网络上进行集成控制；为方便住户实现功能可选择性，设备要求模块化，安装效 果统一美观。 ( 2 ) 、课题的研究意义 本课题完成后，将产生良好的社会效益和经济效益。 降低布线成本，避免重复建设 传统技术的小区自动化系统中，一般各功能各有一套御线施工方法，控制指令 和数据也在各自的线路上传输，这种重复性的建设造成极大的浪费。本课题的实现， 可以将各功能系统挂接在统一平台下，使用一套御线，就可完成要求的各项自动化 功能。 统一控制平台，方便物业管理 脱离传统的小区自动化系统控制中心各自为政、物业管理人员疲于学习各系统的 操作方法的现象，采用控制网技术实现小区自动化系统平台，各功能系统挂接在平台 下正常工作，建立了功能集成化控制的管理中心。 安装集于一箱，美化小区环境 所有设备规划在统一的弱电箱中安装，弱电箱可设置在小区公共场所或住宅室 内，均达到荚观大方的效果。 基于网络概念，利于升级扩展 采用模块化设计，结构设计灵活，既有利于嵌入其它的控制系统，也便于将系统 迸一步扩展或升级，成为更为复杂的、开放的、可互换的网络。 南京理t 大学t 程硕卜学位论文 论文题日：小瞽综合自动化系统的研究l j 设计 1 2 现场总线技术及国内外应用概况 现场总线的特点与小区控制网络的要求有相似之处，而现场总线用作小区综合自 动化系统控制也有先例，下面就介绍两种适于小区智能系统控制的现场总线。“1 c a n 总线 c a n 是主要用于各种过程监测及控制的一种网络。最早由德国b o s c h 公司推 出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其技术规范现已被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 。可挂接设备数达 1 1 0 个。c a n 支持对等式结构，网络上的节点可设置优先级，以满足不同的实时要求。 可以点对点、点对多点以及广播式发送及接收数据。c a n 节点在错误严重的情况下， 具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，避免影响总线上其它节点的操作。 l o n w o r k s 总线 l o n w 0 r k s 控制网络是当| j 较为流行的现场总线之一，它是由荚国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 年正式公邗而形成的。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，满足了不同要求，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在网络超载时仍保持很高的吞吐量：网络结构既可采用主从式和 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、在线设计、在线调试或 通过伊网的远程调试。”， 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 花时间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；开放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级。 l o n w o r k s 控制技术已经在荷兰的d w a 办公室、韩国汉城d & t 汽车公司总 部、美国5 5 0 公司中心大厦、温哥华f a i r m o n t 饭店、圣地亚哥国际机场、美国加利 福尼亚州r e d w o o d 城的d e l t a g e n 生物技术公司、阿联伯联合酋长国e m i r a t e 双子塔 楼、中国高交会馆的智能建筑自动控制中得到应用“；并被纳入了我国国家智能建 筑控制网络标准之一。 南京理t 大学t 程硕卜学位论丈论史题目：小匦综合自动化系绩的研究j 设计 1 3 课题目的及本文主要研究的内容 由于l o n w o r k s 系统的可靠性、开放性以及无主站性；系统可容纳节点数量多； 采用了p c s m a 技术可实时通信；容错与检错能力是由硬件和软件同时完成；采用国 际标准的l o n t a l k 通信协议，真正实现了产品的互换性；可以实现远程监控与远程 操作；再加上2 7 0 0 米的无中继传输距离以及3 2 0 0 0 个节点容量，可构成分布式任意结 构形式网络，使得在处理多节点大流量实时控宙j l o n w o r k s 比传统总线有着明显 的优越性，成为当今小区综合自动化产品的首选控制网络。 1 3 1 课题目的 本课题将以此为立足点，开发基于l o n w o r k s 控制网络技术的小区综合自动 化系统，讨论实现l o n w o r k s 技术的小区综合自动化控制集成系统解决方案的可 行性。该系统的功能性、系统性、开放性均应较强、易于扩展，且适用性广的控制 系统，以满足技术发展、设备更新、以及远距离控制的需要。 作为一个系统的研究和开发，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，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 合性较强、较为复杂的课题。 1 3 2 本文主要研究的内容 在前所述小区综合自动化系统的几项功能需求中，由于视频、音频技术在目前 应用的各种系统中已经非常成熟，不需要控制网络的支持，因此在本论文的综合自 动化系统研究中未予探讨。 本文共分为六章。 第l 章宏观介绍课题来源与背景、研究内容与意义，提出本课题研究任务为小 区综合自动化系统，简要介绍综合自动化系统的技术方法和国内外发展现状； 第2 章从总体上介绍l o n w o r k s 技术原理和应用开发方法； 第3 章主要进行小区综合自动化系统研究，讨论系统的实现方案，分析数据通 信方法和通信实时性； 第4 章是全文的核心内容，对小区综合自动化系统的实施方案，进行了节点设 计、组网设计及中心集成控制软件的设计。分析确定功能块网络变量，绘制了网络 配置图，讨论了数据流模式； 第5 章系统的实现，介绍使用开发平台开发的试验样机和中心软件的界面； 第6 章总结与展望，对本文所做工作进行了归纳总结，提出了研究存在的不足 和下一步研究打算。 4 南京理t 大学t 程硕 学位论史论文题目：小b 综台自动化系圣芫的研究l j 设计 2 l o n w o r k s 技术的原理与应用开发 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： ( 1 ) 、开放性和互操作性：网络协议是开放的，而且对任何用户都是对等的。网 络协议完整，任何制造商的产品都可以实现互操作，使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再开 发。该技术还提供接口程序软件允许开发各种低成本网关，方便不同系统的互联。也 使得系统具有高的可靠性。 ( 2 ) 、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。增强了网络的兼容性。 ( 3 ) 、网络结构：能够使用各种形式的网络结构，如主从式、对等式以及客户， 服务式。 ( 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。 ( s ) 、分白式处理；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 处理网络信息。这意味着控制网络上的每个设备都可以进行决策和信息处理，而不依 赖于计算机、或其它形式的中央处理器。由于个别设备的故障并不会影响网络中其它 部分的工作，也使得网络更加可靠。 除上述特点外，l o n w o r k s 控制网络在功能上具备了网络的基本功能，它本身 就是一个局域网，和l a n 网具有很好的互补性，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，并在此基础上进一步与以太网更为方便的 互联。” 本章将简要介绍l o n r a l k 协议和开发工作中要使用的n e u r o n 芯片、n e u r o nc 语言、l n s 操作系统和l o n m a k e r 网络管理工具。 2 1l o n t a i k 协议 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。该协议遵循由国际标 准化组织定义的开放系统互连模型，提供全部七层服务，支持灵活寻址。表2 1 给 出了对应七层参考模型的l o n t a l k 协议为每层提供的服务。”“7 1 南京理t 大学丁程硕卜学位论史论史题日：小区综合自动化系统的研究0 设计 表2 1l o n t a l k 协议层 o s l 屠目的提供的暇务 7 府用层府h 兼容 l o n 对象配置特性杯准刚络变革类犁。文件传输 6 表示层数据翻译 网络变草府瑚消息外来帧传输，网络接口 5 会话层远榨操作请求响府，鉴别，网络暇务 4 传输层可靠传输 府答消息，非应答消息，双重检青，通 i 排序 3 网络层 传输分组点对点寻射，多点之间广播式寻址，路由消息 2 链路层介质访问p - 。氅持c s m a ，冲突捡删避免，优先级。镨误柃青 i 物理喔物理迕接介质电气接口 2 1 1 物理层 物理层是指l o n w o r k s 的物理连接。它包含物理信道、网络地址结构等方面 的内容。 2 1 1 1 物理信道 l o n t a l k 协议支持以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、无线、红外线、同轴电缆和光纤。每个节点都需要物理地连接到信道上，信道是 数据包的物理传输介质：网络由一个或多个信道组成。 不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 据包传送的器件。 由网桥连接的信道的集合称为段。节点可以接收相同段上的其它节点发送的包。 而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，从而增加容量和可靠性。 2 112 网络地址结构 l o n t a l k 地址唯一地确定了数据包 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、子 网和节点。如图2 1 所示。 第一层结构是域。域的结构可以保 节点2节点2 图2 1 分层编址示意图 2 7 证在不同的域中通信是彼此独立的。例如，不同应用的节点共存在同一个通信介质中， 不同域的区分可以保证它们的应用完全独立，彼此不受干扰。n e u r o n 芯片可以配置 为属于个域或同时属于两个域。 第二层结构是子网。子网是域内节点的逻辑集合，每一个域最多有2 5 5 个子网。 子网可位于单一信道上，也可位于同一段上，如图2 2 所示。子网层的路由器可以实 现子网问的数据交换。 6 南京理t 大学t 程硕 。学位论文论史题目：小区综台自动化系境的研究j 设计 第三层结构是节点。一个子网最多可以包括1 2 7 个节点，子网内每一个节点被赋 予一个在该子网内唯一的节点号。子网节点不能跨越路由器，如图2 3 所示。 一个域内最多有2 5 5 1 2 7 = 3 2 3 8 5 个节点。若将一个节点同时配置为属于两个域， 则它必须同时属于每个域上的一个子网，同时作为两个域的成员的一个节点可以用作 两个域之间的网关，如图2 4 所示。可将一个域中的所有节点都配置在一个子网内， 但下列情况外不适合这样做： ( 1 ) 节点位于由路由器分割的不同段内。 ( 2 )网络的节点数目 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以增加段的容量。 另外，每一个n e u r o n 芯片有一个独一无二的i d 地址，这个i d 地址一般只在网 络安装和配置时使用，可作为芯片的序列号。 信道 一信道- 子网子网 ( a ) 单一信道 信道 子网3 图2 3 子网不能跨越路由器 2 1 2 链路层 图2 2 多个子网 子网2 ( b ) 同一段上 信道 域l 子网1域2 子网l 图2 4 分属于两个域的节点 l o n t a l k 协议的链路层提供在子网内数据帧顺序的无响应传输。它提供错误检测 的能力，但不提供错误恢复能力。 采用了可预测p - 孥持c s m a 算法，要求网络上的每一个节点在传送报文之前必 须先侦听信道，确认信道是空闲的，一旦检测到信道的空闲状态，就以概率p 发送数 南京理t 大学t 程硕七学位论文 论文题日：小区综合自动化系统的研究j 设计 据，而以概率( i - p ) 延迟一段时间，重新侦听信道。该算法能将信道刚一变成空闲 的时刻找出，而且，当有两个或更多的节点同时在侦听信道，防止发送的帧相互冲突， 有利于吞吐量的提高。 当然，可预测p 一坚持c s m a 并不能避免冲突的出现，而冲突的存在必然影响 到响应时间。因此在对响应时间要求较高的应用中，可采用优先级和冲突检测加以弥 补。 2 1 3 网络层 在网络层，l o n t a l k 协议提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接收、发 送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制，路由 器的机制也是在这一层实现的。 2 1 4 传输层和会话层 l o n t a l k 协议的核心部分是传输层和会话层。 一个传输控制层管理着报文执行的顺序、报文的二次检测，提供一对一节点、 对多节点的可靠传输。信息证实也是在这一层实现的。 会话层主要提供了请求，响应的机制，它通过节点的连接，来进行远程数据服务， 因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。l o n t a l k 协议的网络功能虽然是 在应用层来完成的，但实际上也是由提供会话层的请求响应机制来完成的。 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、请求响应、非确认重复以 及非确认。 请求，响应是最可靠的服务，即一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，发送时间、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 用于远程调用或客户服务方式。 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 时间已超出，发送者则重新发送。发送时间、重发次数和接收时日j 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，同时不期望得到响应。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。该服务一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。 南京理t 大学t 程碗t - 学位论史论文题目：小区综合自动化系统的研究 殳计 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。 2 1 5 表示层和应用层 表示层和应用层提供网络变量、显示报文、网络管理、网络跟踪和外来帧传输五 类服务。 网络变量的服务。当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值变 成应用层协议数据单元下传并发送，使所有把变量定义为输入的节点收到该网络变量 的改变值。当收到信息时，能根据上传的应用层协议数据单元判断是否是网络变量， 以及是哪一个网络变量并激活相应的处理进程。 显示报文服务。将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数掘组织成应用 层数据单元下传发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息 时，能根据上传应用层协议数据单元判断是否显示报文，并能够根据报文代码激活相 应的处理进程。 网络管理的服务和网络跟踪的服务。这些信息被网络管理扔始化，测试网络上所 有的操作，记录错误信息和错误点。提供地址分配( 分配所有节点的地址单元，包括 域号、子网号、节点号) 、节点查询( 查询节点的工作状态以及一些网络的通信的错 误统计) 、节点测试( 发送一些测试命令柬对节点进行测试) 、设霄配置路由器的配置 表。 外来帧传输的服务。该服务主要针对网关，将l o n w o r k s 总线外其它的网络 信息转换为符合l o n t a l k 协议的报文传输，或反之。 2 2n e u r o n 芯片 l o n w o r k s 技术的核心是n e u r o n 芯片或称为神经元芯片。它主要包括3 1 5 0 和 3 1 2 0 两大系列，其中3 1 2 0 系列芯片中包括e 2 p r o m 、r a m 、r o m ，而3 1 5 0 系列芯 片中则无内部r o m ，但拥有访问外部存储器的接口。n e u r o n 芯片内部固化了完整的 l o n t a l k 通信协议，确保节点间的可靠通信和互操作。 n e u r o n 芯片在大多数节点中是一个独立的处理器。若需要使节点具备更强的信 号处理能力或i o 通道，可采用其它处理器来处理并由n e u r o n 芯片交换数据，此时 n e u r o n 芯片只完成通信功能。n e u r o n 芯片内部结构如图2 5 所示。 n e u r o n 芯片的主要性能特点如下例： 高度集成，所需外部器件较少。 三个8 位的c p u ，输入时钟可选择范围：6 2 5 k h z 1 0 m h z 。 片上存储器： e 2 p r o m ：5 1 2 b ：静态r a m ：l k b ( 3 1 2 0 ) 或2 k b ( 3 1 5 0 ) ； r o m ：1 0 k b ( 3 1 2 0 ) 。 9 南京理t 大学t 捍碗 学位论文论史题日：小【x 综台自动化系镜的研究j 蹬计 1 1 条可编程i o 引脚( 有3 4 种可选择的工作方式) ： 两个1 6 位的定时器肼数器；1 5 个软定时器。 休眠工作方式：这种工作方式能在维持操作的情况下降低电流损耗。 网络通信端口：5 个管脚提供单端方式、差分方式和专用方式。 固件：l o n t a l k 协议；v o 驱动器程序；事件驱动多任务调度程序。 服务引脚：用于远程识别和诊断。 内部n e u r o n i d ：用于唯一识别的n e u r o n 芯片。 内置低压保护以加强对片内e z p r o m 的保护。 图2 5n e u r o n 芯片内部结构 2 2 1 芯片的c p u 结构 如图2 6 所示，n e u r o n 芯片内部有三个c p u 。c p u 1 是m a cc p u ，完成介质访 问控制，处理l o n t a l k 协议的第1 和第2 层，包括驱动通信子系统硬件和执行算法。 c p u - 2 是网络c p u ，它实现l o n t a l k 协议的第3 到第6 层，处理网络变量、寻址、事 图2 6n e u r o n 芯片的c p u 结构 南京理t 大学t 程硕 学位论史 论文题目：小区综合自动化系统的研究0 设计 务处理、权限证实、背景诊断、网络管理和路由等。同时，它还控制网络通信端口， 物理地发送和接收数据包。c p u 3 是应用c p u ，它完成用户的编程，其中包括用户 程序对操作系统的服务调用。 c p u - l 和c p u 2 用共享存储区中的网络缓存进行通信。c p u 2 与c p u 3 则用应 用缓存区通信。 2 2 2 应用i 0 对象 n e u r o n 芯片通过1 1 个f o 口( i o o m 0 1 0 ) 与外部设备相连，称为应用f o 。应 用i y o 可配置选择使用3 4 种不同的i o 对象，从而借助于最小的外接电路实现灵活 的输入输出功能，这些i o 对象包括：直接i o 对象、并行双向f o 对象，串行f o 对象、定时器计数器输入输出对象。 2 2 3 服务引脚 服务引脚是n e u r o n 芯片中的一个非常重要的管脚，在节点的配置、安装和维护 时均需使用。该管脚既能输入也能输出。输出时它通过一个低电平来点亮外部的指示 灯，指示灯的不同点亮方式代表了不同芯片不同的工作状态。输入时，一个逻辑低电 平使n e u r o n 芯片传送一个包括该节点n e u r o ni d 的网络管理信息。 2 2 4 通信端口 n e u r o n 芯片通信端口为5 个管脚，为适合不同的通信介质可将5 个管脚配置为3 种不同的接口模式：单端、差分和专用模式。对应于双绞线介质则采用差分模式。 n e u r o n 芯片可支持多种通信介质。如双绞线、无线、红外、光纤、同轴电缆等。 所支持的网络拓扑也各有不同。如图2 7 所示。 百i _ 南印_ t 色 ( a ) 单端接器总线拓扑( b ) 叔端接器总线拓扑 0 渤 ( c ) 犀犁拓扑( d ) 环犁拓扑( e ) 混合拓扑 口为端接器 图2 7 网络拓扑类型 在各种通信介质中，双绞线以其高的性能价格比而应用最为普遍。e c h e l o n 公司 提供的f t t - 1 0 a 双绞线收发器支持总线型和自由拓扑型拓扑。其抗干扰能力强，采 用总线拓扑的网络最长可达2 7 0 0 m ，采用自由拓扑的网络最长可达5 0 0 m ，满足一般 南京理t 大学t 程硕卜学位论丈论文题日：小随综台自动化系圣宽的研究0 设计 的工业应用，而且组网灵活。 2 3n e u r o nc n e u r o nc 是以a n s ic 为基础，专门为n e u r o n 芯片设计的编程语占。其中加入 了通信、事件调度、分南数据对象和i o 功能，是编写n e u r o n 芯片应用程序的最为 重要的工具。 n e u r o nc 以a n s ic 为基础，但和a n s ic 仍有一定的差别。n e u r o nc 不支持 a n s ic 的标准运行库的一些功能，如文件i o 等，但它也有自己扩展的运行库和语 法。这些扩展功能包括：网络变量、显式报文、多任务调度等多种功能。 2 3 1 网络变量 应用程序可以定义一个特殊的静态对象类网络变量，它可以是整型、字符型 或结构等类型。一个网络变量n v 是节点的一个对象，用于实现网络上节点之间的互 连。它可被定义为输入也可被定义为输出。每个n e u r o n 节点最多可以定义6 2 个网络 变量，主机节点最多可以定义到4 0 9 6 个网络变量。网络变量所产生报文的发送和接 收不需要应用程序的干预，故又称为隐式报文。 同时，l o n m a r k 组织还定义了标准网络变量类型( s n v t ) ，它支持的标准网 络变量有2 5 5 种，采用s n v t 的节点之间具有天然的互操作性。而且，用户也可按照 标准格式定义自己的标准网络变量。 节点之问的网络变量的连接关系是在组网时通过网络开发工具绑定的。 2 3 2 显式报文 由于网络变量的长度最多为3 1 个字节，使得其应用受到限制，故此，n e u r o nc 中又提供了显式报文这一数据类型。显式报文最长为2 2 8 个字节，提供有请求响应 机制。某个节点发出请求消息能调动另一个节点做出相应的响应，从而实现远程调用。 显式报文是实现节点之日j 交换信息的更为复杂的方法，编程人员必须在应用程序中生 成、发送和接收显式报文。 节点使用报文标签发送和接收报文。每个节点有一个默认的输入报文标签，同网 络变量一样，必须在网络安装时建立输入和输出报文标签之间的绑定。 2 3 3 调度程序 n e u r o n 芯片的任务调度是由事件驱动的：当一个给定的条件判断为“t r u e ”时， 与该条件有关的代码体( 任务) 即执行。调度程序允许编程人员定义任务用以作为某 类事件发生的结果，如输入管脚状态的改变、网络变量的更新、定时器的溢出等。这 些事件可以定义优先级，以使一些重要事件能够优先得到响应。调度程序采用循环方 式调度，如图2 8 所示。 事件是通过w h e n 语句来定义的，一个w h e n 语句包含一个表达式，当表达式为 “t r u e ”时，则表达式后面的任务被执行。 南京理t 丈学t 程硕 ，学位论文论文题日：小区综合自动化系统的研究l j 设计 图2 8 调度环 2 4l n s 网络操作系统 l n s 是用于l o n w o r k s 技术开发和应用的功能强大的网络操作系统。与网络构 成客户服务式结构，采用面向对象的方法管理网络设备，为网络管理提供了有效的 手段。提供了一个强大的客户， 服务网络框架。使用l n s 所提 供的服务，可以保证从不同网络 服务器上提供的网络管理工具 可以一起执行网络安装、网络维 护、网络监测；而众多的客户则 可以同时申请这些服务器所提 供的网络功能。 l n s 包括三类设备：路由 器设备；应用节点；系统级设备。 l n s 提供面向对象的编程 模式，它将网络变成一个层次化 图2 9 l n s 编什构架 的对象，通过对象的属性、事件和方法对网络进行访问。 l n s 构架主要包括四个主要的组件：网络服务器，网络服务器接口，对象服务 和数据服务。如图2 9 所示。 2 5l o n l “a k e r 网络管理工具 l o n m a k e r 网络管理工具基于v i s i o 开发，用于网络的安装、维护和监控。l o n m a k e r 网络配置图是以v i s i o 图的形式画出，各种对象部作了相应的定义。网络变量的连接 关系表现为连线。 在节点建成以后，需经过分配逻辑地址、配置节点的属性、进行网络变量和显式 报文的绑定后，网络方可运行；网络安装可通过服务引脚按钮或手动输入n e u r o n 芯 片的物理i d 来为节点注册，l o n m a k e r 会为每一个节点分配一个逻辑地址，并配置相 应属性以及网络变量和显式报文的绑定信息。节点的安装可在在线或离线的情况下进 行。在线的情况下，节点配置信息即时的通过网络写入节点；离线的情况下，节点配 置信息只写入数据库，网络配置图的每次更新只更新数据库，而在网络在线后一次写 入节点。 网络运行后，还需要进行维护。维护包括：系统正常运行情况下的增加删除设备 以及改变网络变量的连接关系、故障状态下对错误设备的检测和替换的过程。 网络监控用于监控网络上节点的网络变量和显式报文的变化。 2 6 本章小结 本章从l o n w o r k s 技术特点出发，简要介绍了l o n t a l k 协议标准，并分析 了在开发工作中要应用的n e u r o n 芯片的结构、n e u r o nc 编程语占、l n s 操作系统 和l o n m a k e r 网络管理工具。 1 4 南京理t 大学t 程硕f 学位论文论文题目：小b 综合自动化系镜的研究j 殳计 3 小区综合自动化系统的方案与分析 从第2 章对l o n w o r k s 控制网络技术特点的介绍，我们应该能看出， l o n w o r k s 总线的技术优势非常适合于实现小区综合自动化系统。本章将重点分 析基于l o n w o r k s 技术的小区综合自动化系统的可行性方案，提出节点设备组合 原则，选择数据通信方式，并分析其数据通信的实时性。 3 1 采用l o n w o r k s 技术的可行性分析 在这里我们将从小区综合自动化集成的特点和l o n w o r k s 技术上分析在小区 综合自动化集成控制系统中采用l o n w o r k s 现场总线的可行性。 3 1 1 小区综合自动化系统的特点 小区综合自动化集成控制是一个门类繁杂的控制技术，从其范畴上来讲很广，本 课题中要实现的包括防盗、远程抄表、单元门禁等，是一个典型的分布式控制系统。 主要有以下特点： ( 1 ) 、小区占地面积大，控制距离远。按国内小区楼盘的状况看，一般以多层和 小高层建筑为主。一个千户容量的住宅小区，传统技术的系统不通过中继方式，是难 以实现远距离的控制和数据传输的。 ( 2 ) 、设备多，分布广。与小区综合自动化控制有关的设备主要集中在管理中心， 而单元门禁设备、防盗报警设备、远程抄表设备等则遍白整个小区。而且还会有新增 设备。 ( 3 ) 、控制复杂，系统对实时性要求强。与综合自动化系统运行有关的控制需 要进行实时运算和实时控制，要求控制系统具有好的实时响应能力。 ( 4 ) 、系统中各子功能之间的关联较弱，便于实现模块化。正是因为这个特点， 使得整个控制系统可根据需要以及实现的具体条件而设计得可大可小。但要求系统具 有好的开放性，易于实现系统扩展。 我们从以上几点可以得到结论，小区综合自动化集成控制的需求，正吻合 l o n w o r k s 控制总线技术的优势。下面我们再进一步从技术上分析其可行性。 3 1 2 采用l o n w o r k s 技术的可行性 根据第二章的介绍，可以从以下几个方面分析其可行性： 首先，l o n w o r k s 网络采用了七层协议，使得系统具有很好的开放性，通过路 由器和网关，可以建立巨大的网络，便于实现可扩展的系统。而且，e c h e l o n 公司正 在努力实现将其数据包打入i p 数据包中，以实现l o n w o r k s 网络与| n t e m e t 的无 缝连接。该技术是一个不断升级的具有发展性的技术。而l o n m a r k 组织所定义的 网络变量标准使得不同厂商的设备具有好的互操作性。 南京理t 大学t 程硕卜学位论丈论文题目：小逸综合臼动化系统的研究j 设计 其次，它支持多种通信介质，保证了系统适用于小区不同的应用。若采用双绞线， 通信速率为7 8 k b p s 时，其总线型拓扑具有2 7 k i n 的传输距离，双绞线的自由拓扑则 具有5 0 0 m 的传输距离。足以满足小区的应用。 再次，n e u r o n 芯片集通信和控制于一体，便于实现直接接入网络的控制系统。 同时，e c h e l o n 公司提供的m i p 接口程序，使得其它的c p u 能够透明的接入网络， 为开发基于其它c p u 的更大的、实时性更强的应用提供了广阔的空间。 另外，l o n w o r k s 支持垂询、更新自动发送、定时发送等多种网络数据的访问 方式，并有非确认、非确认重复、确认和请求响应等服务方式，可设定优先级发送， 因而可根据需要实现最佳的系统响应。 综上所述，采用l o n w o r k s 技术实现小区综合自动化系统的控制是可行的。 下面我们来讨论基于l o n w o r k s 技术的小区综合自动化集成系统的方案。 3 2 系统方案 我们将从小区控制网络的要求和结构着手，提出几个可实现的系统方案，并