（检测技术与自动化装置专业论文）基于lonworks技术的嵌入式智能小区节点研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代科学技术的发展，智能建筑已成为目前世界建筑发展的趋势。智 能建筑监控系统的应用也越来越广，需要监控的对象越来越多，必须使用具有 统一规范、组建灵活、高可靠性、良好的扩展性和维护性、性价比高的方式来 组建系统。而在我国智能建筑仍处在起步阶段，进一步研究和探索智能建筑的 发展，对于我们来说是十分必要的。 l o n w o r k s 网络控制技术是一种新型的现场总线技术。l o n 总线作为当前 最为流行的现场总线之一在楼宇、运输、能源等领域得到广泛应用。l o n w o r k s 技术集计算机、网络、控制于一体，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，组网灵活，开放性好。l o n w o r k s 技术支持多种不同的通信 介质。为了提高l o n 网络的可靠性和实时性，l o n 采用了独特的冲突避免算法 带预测的p 一坚持c s m a 协议实现冲突检测和优先级。 本文基于l o n w o r k s 总线技术，对智能小区中智能节点的硬件电路和相关软 件进行了探讨。完成了智能小区的l o n 节点的设计和r s 2 3 2 r s 4 8 5 与 l o n w o r k s 适配器的接口设计。由于n e u r o n 芯片是8 位总线，目前只支持最高主 频是1 0m h z ，因此它能完成的功能也比较有限，对于一些复杂的控制就显得力不 从心。将n e u r o n 芯片作为通信协议处理器。而用高级主处理器来完成复杂的测 控功能，是解决这一矛盾的好办法。为了提高主处理器的利用率，在该主处理 器嵌入了i t c o s - i i 嵌入式操作系统，它主要起调度任务的作用，而主处理器应 用程序将作为, c o s - i i 嵌入式操作系统的任务来运行。在g c o s i i 上还可以运 行别的任务，满足实际应用的需要。 随着互联网技术的迅速发展与普及应用，将l o n 网络接入以太网，实现对 现场设备的远程监控与维护及资源共享正变得切实可行。利用现场总线技术及 互联网技术可以实现基于i n t e r n e t 的远程监控系统，从而可以实现信息集成、 管控体化。本设计为l o n 网络接入以太网，提供了一种可靠、快捷和廉价的 解决方案。 关键词：l o n w o r k s ，l o n t a l k 协议，c o s i i 。嵌入式操作系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c e ，t h ei n t e l l i g e n c eb u i l d i n gi sl e a d i n gt h e t r e n do ft h ew o r l dc o n s t r u c t i o n t h em o n i t o r i n gs y s t e mi st u r n i n gm o r ea n dm o r e p o p u l a ri nt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g t h eo b j e c t sw h i c hn e e dt ob em o n i t o r e da r eb e i n g d i v e r s i f i e d i ti sn e c e s s a r yt ob u i l dak i n do fs y s t e mw h i c hi sp r o v i d e dw i t ht h e u n i f o r mc r i t e r i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , a g i l ee s t a b l i s h m e n t ，g o o de x p a n s i b i l i t y , c b n v e n i e n t m a i n t e n a n c e ，g o o df i m c t i o na n dl o wp r i c e b u t ，i no b rc o u n t r y , i n t e l l i g e n c eb u i l d i n gi s s t i l li nt h ei n i t i a l s t a g e t h e r e f o r e , a s o n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t s o f i n t e l l i g e n t b u i l d i n g - - t h er e s e a r c hi nt h ei n t e l l e c f i v en o d ei so fc r u c i a ls i g n i f i c a n c e l o n w o r k sn e t w o r kc o n t r o l t e c h n o l o g yi s an e w s t y l ef i e l d b u st e c h n o l o g y l o n w o r k sw h i c hi sak i n do ft h em o s tp o p u l a rf i e l d b u sh a sa p p l i c a t i o ni nb u i l d i n g ， t r a f f i c ，e n e r g ys o u r c e sa n ds oo n l o n w o r k st e c h n o l o g yg a t h e r sc o m p u t e r , n e t w o r k a n d c o n t r o l ，i n t e g r a t e sa i l s e v e n l a y e r sp r o t o c o l o fi s o o s i ，a n dr e a l i z e s c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n s ，b e i n gf l e x i b l ei ng r o u p i n ga n dg o o da to p e n i n g t h ep r o t o c o la l s os u p p o r t sv a r i o u sc o m m u n i c a t i o nm e d i a i no r d e rt oi m p r o v e r e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m e ，l o na d o p t su n i q u ea r i t h m e t i c p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a t h i sp a p e rs t u d i e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e i n t e l l i g e n t n o d e o f i n t e l l i g e n c eb u i l d i n g b a s e do nl o n w o r k s i td e s i g n st h e i n t e l l i g e n t n o d e o f i n t e l l i g e n c eb u i l d i n ga n dc o n n e c t i n gr s 2 3 2 r s 4 8 5t ol o n w o r k s t h en e u r o nc h i p h a s8b i tb u s ，t h eh i 曲e s tf r e q u e n c yi s l 0m h z t h e r e f o r ei t sf u n c t i o ni sl i m i t e d i ti s n o tc o m p e t e n tf o rs o m ec o m p l i c a t e dc o n t r 0 1 n e u r o nc h i p sa sac o m m u n i c a t i o n s p r o c e s s o r sa n dm a i np r o c e s s o rc o m p l e t et h ec o m p l e xm o n i t o r i n gf u n c t i o n t h i si sa g o o dw a y t or e s o l v et h i sc o n t r a d i c t i o n t oi m p r o v et h ep r o c e s s o ru t i l i z a t i o n ，t h em a i n p r o c e s s o r s e m b e d d e dl _ t c o s i i o p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hm a i n l yu s e df o rt a s k s s c h e d u l e ，s ot h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo ft h em a i np r o c e s s o ri su s e da st h et a s ko ft h e i _ t c o s i ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i no r d e rt om e e tt h en e e d so fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ，t h e r ea r ea l s oo t h e rt a s k so p e r a t ei ni - l c o s - i i w i t ht h er a d i dd e v e l o p m e n ta n ds p r e a do fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , c o n n e c t i n gl o n n e tt ot h ee t h e m e tb e c o m e sp r a c t i c a l s oi tc a l lr e a l i z et h er e m o t ec o n t r o lo ft h ef i e l d e q u i p m e n ta n d r e s o u r c es h a r i n g b a s e do nt h ef i e l db u sa n d i n t e r n e tt e c h n o l o g y ， w ec a na c h i e v er e m o t es u r v e i l l a n c es y s t e m t h e r e f o r ew ec a nr e a l i z ei n f o r m a t i o na n d c o n t r o li n t e g r a t i o n t h i sd e s i g np r o v i d e sar e l i a b l e ，f a s ta n dc h e a ps o l u t i o nf o r c o n n e c t i n gl o nn e tt oe t h e m e t k e yw o r d ：l o n w o r k s ，l o n t a l kp r o t o c o l ，l _ t c o s i i ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 y8 6 1 4 5 2 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：渣宝导师签名：鞋日期 注：请将此声明装订在论文的目录前。 2 口耳 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 智能建筑( 即公共建筑和住宅小区智能化) 是现代建筑技术与现代通信技 术、计算机技术和控制技术发展的必然需求。 智能建筑在国外的发展方兴未义，前景广阔，世界各国竞相研究和开发智 能建筑技术。但由于智能建筑在我国起步较晚，近几年才有了较大的发展。智 能建筑技术在住宅及其社区中的运用正处于发展的阶段。 l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 网络是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出 的局部操作网络。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术， 它为l o n 总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。目前采用l o n w o r k s 技术的产品广泛应用在工业、楼宇、家庭、能源、交通等自动化领域，l o n 总 线己成为当前最为流行的现场总线之_ _ 1 3 1 。中国计算机协会工控专委会成立了 l o n w o r k s 控制网络协作网，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。 1 2 课题的提出 目前，建设部正在全力推动以“智能化住宅”为切入点的整个行业的信息 化，使网络技术、信息技术、智能控制技术结合于住宅开发，服务于住宅建设， 以提高住宅的质量与功能，并将多学科性、多技术综合运用的智能化住宅定为 住宅建设的发展方向。 但由于智能建筑在我国起步较晚，智能建筑技术在住宅及其社区中的运用 正处于探索发展的阶段，还存在不少问题：与国外相比，智能建筑技术的整体 应用水平不是很高，相关技术产品功能单一，与系统的规划设计尚不适应市场 的需求，理论研究与管理滞后的矛盾( 如工程技术标准的制定以及市场行为的 规范) 还有待于进一步解决【6 】。一旦要实现其他住宅智能功能，必须重新安装 新系统。远程抄表系统则分别由各水、电、煤气供应公司进行设计安装，各自 独立运行，互不相关。因此造成住宅区物业管理部门工作难度大，各系统之间 的总体协调性能差，系统运行、维护复杂，升级扩容不便，用户对自己家庭内 的智能功能选择余地小。 我们在国内进行住宅智能化系统设计时，应该遵循几个原则：一、造价低， 武汉理工大学硕士学位论文 可靠性高；二、便于扩充升级，分步实现智能化功能：三、单一控制网络完成 智能化住宅应有的全部控制功能以及该小区的所有控制功能：四、网络结构简 单，性能优异。为此，我们在智能化住宅建设中采用l o n w o r k s 分布式控制网络 技术。 l o n w o r k s 技术是目前国际上控制领域中最热门的通用控制总线技术之一， 得到世界各大著名工控产品生产厂家支持。应用范围极为广泛。目前它在国内 已被成功应用于工业控制和楼宇自控中。我们选择l o n w o r k s 技术开发智能住宅 小区系统，主要基于它的如下特点： ( 1 ) 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。可以最大限度的降低布线系统的复杂性和工作量，提高系统可靠性和 可维护性。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) n e u r o n 芯片内置现成的i 0 对象，l o n t a l k 协议，并使用高级语言编 程，大大缩短开发周期，提高开发质量，能在短时间内开发出稳定可靠的系统。 ( 4 ) l o n w o r k s 网络节点之间使用逻辑连接，这使得系统中节点的增加、修 改很容易，便于系统调整和扩充升级。 在智能住宅建设中应用l o n w o r k s 技术，可以很容易地实现智能化住宅的所 有功能，整个网络结构相对简单，网络布线相当容易。对于用户各种不同的功 能要求，只需选用不同的控制节点，编写相应的程序，直接连接到住宅区的控 制网络上就完成了，在物理上不必对网络结构作任何修改。而且l o n w o r k s 网络 可扩充性极好，在扩充子系统，增加功能，连接两个小区控制网等都很简便。 l o n w o r k s 技术提供的高效开发平台让我们在进行系统设计和开发时，对网络通 讯不再需要花费时间，可以把精力集中到具体的系统功能实现上，使得我们能 在较短时间内针对具体任务设计出成熟稳定的系统。 随着今后住宅小区的建设规模越来越大，传统的总线网络结构在速度与效 率上开始显得不足，以太网则显现其优势。而目前就构筑专用i p 网络还存在着 成本高及维护难等一些问题。通过l o n w o r k s 与以太网的接口装置，可以将己经 自成体系的l o n w o r k s 现场总线控制网络作为子网络，通过以太网接入因特网， 充分利用因特网的资源，将控制网络的实现由现场扩展到因特网的广阔空间， 从而可以实现住宅小区更大范围的控制联网。此种方案成本低且易于实现。 此外，由于n e u r o n 芯片是8 位总线，目前只支持最高主频是1 0m h z ，因 2 武汉理工大学硕士学位论文 此它能完成的功能也比较有限。对于一些复杂的控制显得力不从心。将n e u r o n 芯片作为通信协议处理器，用高级主处理器的资源来完成复杂的测控功能是解 决这一矛盾的好办法。原先运行在n e u r o n 芯片上而现在运行在主处理器上的应 用程序，此时成为了主处理器应用程序。此外，为了提高主处理器的利用率， 在该主处理器嵌入了p c o s i i 嵌入式操作系统，它主要起调度任务的作用，而 主处理器应用程序将作为扯c o s i i 嵌入式操作系统的任务来运行。在u c ，o s i i 上还可以运行别的任务，满足实际应用的需要。 1 3 课题研究内容 本设计是在保利花园小区基础上，尝试着在l o n w o r k s 总线技术的基础上建 立一个小区局域网系统，利用l o n w o r k s 现场总线技术及互联网技术可以实现基 于h t e m e t 的远程监控系统，使分散的子系统达到真正意义上的集成，做到信息 共享，统一管理，以及各子系统的一体化谐调，使系统安全、节能、高效，有 利于设备的集中化管理，便于维护。 本课题的任务就是通过智能节点的硬件设计，提供了一种l o n w o r k s 现场总 线与以太网互连的解决方案，并可直接用于工业现场控制。此外，通过移植 “c ，0 s i i 嵌入式操作系统，提高了节点的处理能力，具有多任务调度功能。本 人的主要工作如下： 硬件设计： ( 1 ) 基于主机的l o n 节点的设计，实现神经元芯片与单片机的通信以及 r s 2 3 2 瓜$ 4 8 5 与l o n w o r k s 适配器的接口设计。 ( 2 ) 完成l o n w o r k s 现场总线接入以太网的解决方案的设计，实现单片机与 以太网卡的连接。 软件设计： ( 1 ) 神经元芯片程序设计：实现与底层l o n 网络节点的通信及与单片机 的通信，对单片机接收的以太网数据进行处理发给l o n 节点，或将要发往以 太网的数据处理后传给单片机。该部分用n e u r o nc 编程实现。 ( 2 ) 单片机程序设计：驱动以太网卡收发数据包，并按t c p i p 协议对数据 包进行分用或封装。控制与神经元芯片之间的令牌传递握手协议，完成与神经 元芯片的通信。该部分用单片机c 语言编程实现。 ( 3 ) 胛o s u 嵌入式操作系统移植入l o n w o r k s 节点。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章智能建筑发展与l o n w o r k s 现场总线 2 1 智能建筑概述 关于智能建筑，国际上尚无统一的定义。美国智能建筑学会( a i b i ，a m e r i c a n i n t e l l i g e n t b u i l d i n g i n s t i t u t e ) 将智能建筑定义为：智能建筑是通过优化建筑结构、 系统装备、服务和经营四个要素及其内在联系使其达到最优组合，以获得高效、 舒适、便捷、安全的建筑空间。欧洲智能建筑集团( t h ee u r o p e a ni n t e l l i g e n t b u i l d i n g c r o u p ) 把智能建筑定义为：创造一个使用户发挥最高效率，同时以最低 的保养成本，最有效地管理本身资源的建筑环境。智能建筑应提供反应快速、 效率高和支持力较强的环境，使用户能达到迅速实现其业务的目的。日本智能 建筑研究会则从用户本身考虑，认为实现远程通信、办公自动化以及楼宇自动 化有效运行的建筑就是智能建筑。我国g b 厂r5 0 31 4 2 0 0 0 智能建筑设计标准中， 智能建筑这样定义：智能建筑( i n t e l l i g e n t b u i l d i n g ) ，它是以建筑为平台，兼备建 筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间 的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境1 8 】。 智能建筑通常包含三大基本组成要素：楼字自动化系统b a s ( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ) 、通讯自动化系统c a s ( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ) 、办公自动化系统o a s ( o m c e a u t o m a t i o ns y s t e m ) ，通常称之为“3 a ” 系统。不同类型的智能大厦中智能化系统的总体结构不尽相同，但其核心功能、 系统是相同的。智能系统所用的主要设备通常放置在智能化建筑环境内的系统 集成中心s i c ( s y s t e mi n t e g r a t e dc e n t e r ) ，它通过综合布线g c ( g e n e r i cc a b l i n g ) 与各种终端设备( 如通信终端和传感器) 相联接，感知建筑内各个空间中的信 息及变化，并通过计算机处理给出相应的对策，再通过通信终端或控制终端( 门 禁、开关、阀门等) 给出相应的反应，使整幢大楼系统处于动态实时监控状态， 实现高度智能化【l “。 智能建筑从1 9 8 4 年出现至今经过短短2 0 年的发展，从最初的小规模简 单对象控制、分散管理控制、人工信息传递汇集到现在的一体化集成时代和网 络时代，主要经历了以下几个阶段： ( 1 ) p c s ( p n e u m a t i cc o n t r o l s y s t e m ) 气动控制系统阶段p c s 的基本 思想是基于5 1 3 p s i ( 磅平方英寸) 的气动信号标准，其特点是简单的就地操 作模式。控制理论初步形成，无控制室概念 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) a c s ( a n a l o gc o n t r o ls y s t e m ) 模拟控制系统阶段a c s 的基本思 想是基于o n 认一1 0 m a 或4 m a - - 2 0 m a 的电流模拟信号标准，其特点是以电气 替代气动，奠定了现代控制论的理论基础，确立了控制室的概念，将被控对象 进行功能分离。 ( 3 ) c c s ( c o m p e e r c o n t r o l s y s t e m ) 计算机控制系统阶段2 0 世纪7 0 年代，数字计算机开始在控制领域中大量应用。其特点是在测量、模拟控制、 逻辑控制过程中普遍实行集中控制，建立中央计算机系统。信号传输系统大部 分沿用4 m a - - 2 0 m a 模拟信号。控制的集中增加了系统失控危险的可能性，潜伏 着系统一点不慎造成整个系统瘫痪的危险，可靠性较差。 ( 4 ) d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集散控制系统阶段针对c c s 的 可靠性较差问题，使用微处理器变集中控制为分散控制，其特点是由几台计算 机和智能部件构成控制系统，功能分散是其显著特点。信号传输有4 m a 一2 的模拟信号，也有数字化信号。 ( 5 ) f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 现场总线控制系统阶段f c s 是d e s 的发展，采用现场总线控制系统，即从分散控制到现场控制。数据传输采用总 线方式。其特点是数字化程度高，总线上传送的信号全部为数字信号，资源可 共享。目前总线标准规范有4 0 多种，著名的如基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n 1 3 f i e l d b u s ) 、局部操作网络l o n 总线( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、控制局域网 络c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l d b u s ) 、可寻址远程传感器高速通信的开放通信协议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 ct r a n s d u c e r ) 等。 目前国内大厦监控系统大都采用集散式控制与通讯技术，即使用系统机为 上位机、单片机为核心的仪器作为下位机以及以r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串行通讯 总线作为系统链接。监控系统通过现场安装的传感嚣、控制器或相应的变送器 和执行机构对各种被监控对象进行自动检测和控制。这种系统虽然可以满足大 多数用户的要求，但由于下位机的工作完全由上位机控制，上位机一旦出现故 障，整个系统将失控瘫痪，可靠性较差，同时，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。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2l o n w o r k s 现场总线技术 2 2 1 现场总线技术 现场总线技术( f i e l db u s ) 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双 向传输、多分支结构的通信网络。不同的现场总线遵循的协议不同，接口标准 不同，但概括起来，现场总线技术有如下一些特点： ( 1 ) 以数字信号取代4 - 2 0 m a 的模拟信号，过去每一路模拟信号都需要一 对信号线的传统方式被一对现场总线所取代，节约了大量的信号电缆，简化了 仪表信号线的布线工作。降低了安装、保养费用，同时提高了信号传输和转换 的精度和可靠性，具有很高的性价比。 ( 2 ) 现场总线把处于设备现场的智能仪表连成网络，使控制、报警、趋势 分析等功能分散到现场级仪表，必将使控制结构进一步分散化，导致控制系统 体系结构的改变。 ( 3 ) 符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表、装置可以联网，实现互操 作，不同标准通过网关或路由器也可互联，现场总线系统是一个开放式系统。 2 2 2 现场总线技术的标准 系统集成的基础就是通信网络，其技术核心体现在系统集成及相关的通信 协议上。由于现场总线的通信协议标准和性能的差异，存在着系统间通信兼容 和互换性问题，因此需要一个统一的开放式标准来实现各种产品的相互兼容和 交换。这样做的好处是所有厂家的仪表、系统都可进行互相通信，使各制造商 的产品不受专有协议的限制，给用户的使用带来极大方便。为此，各个厂家都 推出了自己的现场总线标准，一些相关的行业协会，也提出了不同的行业标准。 ( 1 ) a s h r a e 的b a c n e t ( b u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o ln e t ) 现场总线 a s h r a e 是美国暖通、空调和制冷工程师协会的简称，由其提出的b a c n e t 作 为一种标准的开放式数据通信协议，使不同厂家的楼宇设备能够实现互操作， 也就是说，在一个系统中，允许混用不同厂家的设备，并能为这些设备提供统 一的数据通信服务和协议的操作平台。b a c n e t 定义了在异种不同l a n 环境下 网络工作站之间的通信规程，由于它利用以太网实现协议，所bacnet以其传 输性能较传统的控制网络有较大提高。b a c n e t 标准是针对楼宇自动化系统设计 的。它采用了面向对象的技术，用“对象”、“属性”和“服务”等要素定义信息格式， 它定义了一种具有属性的对象来表示任意的楼宇系统设备的功能，从而提供了 武汉理工大学硕士学位论文 一种标准的表示楼字自控设备的方式。目前b a c n e t 共定义了1 8 个对象，1 2 3 个属性和2 种服务。很容易实现节点间的对等通讯，使系统设计大大简化，可 靠性大大提高。在b a c n e t 中，一个设备可以从另个设备中获取信息，并可操 作另一设备或向多个设备发布信息。b a c n e t 的对象和属性提供了通信的共同语 言，而服务则提供了信息传递的手段。 ( 2 ) 基金会现场总线f f 现场总线基金会成立于1 9 9 4 年，由w o r l df i p 北美部分和i s p 合并而 成，它在过程自动化领域得到广泛的支持和具有良好的发展前景。它以 s o o s i 开放系统互联模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型 的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速h 1 和高速 h 2 两种通信速率，h 1 的传输速度为3 1 2 5 k b p s ，传输距离为1 9 0 0 m ；支持总 线供电；h 2 的传输速度分为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标 准。 ( 3 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总 线，由p r o f i b u sd p 、p r o f i b u sf m s 、p r o f i b u sp a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 用 于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用；f m s 适用于纺织、 楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化；p a 则是用于过程自动化 的总线类型。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，由这两部分形 成了其标准第一部分的子集。p r o f i b u s 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混 合系统几种传输方式。 主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统，则采用令牌 环的方式拥有总线控制权，主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发 送或索取信息，实现点对点的通信，主站可采取对所有站点广播，或有选择地 向一组站点广播。p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b p s - - 1 2 m h p s ，最大传输距离为 1 2 0 0 m ，最多可挂接1 2 7 个设备，传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。 ( 4 ) 德国b o s c h 公司的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 现场总线 c a n 最早是面向汽车工业的实时控制，用于汽车内部测量和执行部件之间 的数据通信。其总线规范现已被i s o 制订为国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ，i s o l l 5 1 9 ) ，许 多厂商将c a n 应用于工业及楼字自动化中些要求高实时性场合。c a n 协议 也是建立在i s o 的o s i 模型上，使用了物理层、数据链路层和应用层，其信 号传输为双纹线，通信速度最高可达2 5 k b p s ，直接传输距离最远可达 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 k m s k b p s ，可挂接设备最多可达1 1 个。c a n 的信息帧采用短帧结构，介质 访问算法是非确定的，并且参考c s m a c d 算法，采用位仲裁机制代替随机介 质访问。c a n 支持多主从方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其 它节点发送信息，支持点对点、点对多点和全局广播方式接收发送数据。 ( 5 ) 美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 现场总线 2 2 3l o n w o r k s 现场总线概述 l o n 总线是美国e c h e l o n 公司推出的局部操作网络，它将日常孤立的设备 转变成智能的、可互操作的网络设备，所有这些设备采用开放标准进行对等通 信，从而能够在世界上任何地点访问现场设备，实现本地和远程应用，达到彻 底的系统集成。l o n 控制网络广泛地应用于工业自动化、交通运输自动化、公 共设施自动化和楼宇家庭自动化等各个领域。目前全世界已有超过四千万个 l o n w o r k s 设备投入运行，上千家厂商支持该网络技术。l o n 控制网络作为美国 国家控制网络通信协议规范于1 9 9 9 年被采纳为美国国家标准一a n s i e i a 7 0 9 ，同时该标准也被其他组织或行业认证为各自的行业标准：b a c n e t ，a a r ， i e e e ，a s h r a e ，i f s f 和s e m i 等。【1 9 】 开放和互操作是l o n 控制网络的精髓，通过l o n m a r k 国际互操作协会制定 的标准来保证。这意味着来自不同厂商的不同装置可以直接集成在单一的控制 网络中完成应用功能，奠定了应用系统集成的基石。 l o n 控制网络由现场控制节点、网络设备、通信介质和通信协议构成。l o n 网络中的每个控制点我们称之为l o n 节点或l o n w o r k s 智能设备，它通过嵌 入了l o n t a l k 固件的神经元芯片或智能网络收发器来实现。所谓智能收发器是 将神经元芯片和收发器集成在一个芯片中，这样做一方面提高了集成度，另一 方面降低了成本，同时提高了可靠性。一个l o n 节点一般可以用神经元芯片、 传感器和控制设备、收发器和电源组成。如果神经元芯片不能满足数据处理的 要求，可以采用主处理器加神经元芯片的方式，在这里神经元芯片作为通信协 处理器来使用。主处理器和神经元芯片之间可以通过并口、串口、双端口r a m 等方式实现数据的交换。l o n 总线用收发器来建立神经元芯片与传输之间的物 理连接，可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和传输介质，如双绞线、 同轴电缆、电力线、红外线、光纤、射频等等。l o n 控制网络的规模和复杂程 度不一，网络节点数量从几个到几万个不等，同时支持各种网络拓扑结构。所 有这些节点采用标准的通信协议l o n t a l k 实对等的通信。l o n t 址k 协议提供一 整套的通信服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其它设备发送和接 武汉理工大学硕士学位论文 收报文而无需知道网络的拓扑结构或者网络的名称、地址或其它设备的功能。 l o n w o r k s 协议能够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 便设定有界事务的处理时间。对网络管理服务的支持使得远程网络管理工具能 够通过网络和其它设备相互作用，这包括网络地址和参数的重新配置，下载应 用程序、报告网络问题和启动停止复位设备的应用程序。 l o n w o r k s 具有很强的互操作性，凡使用l o n w o r k s 技术开发的产品，均可以 与其非常容易地集成在一起。l o n w o r k s 网络可以通过路由器将不同媒体的网段 连接起来，还可以通过网关将各种不同的现场总线连接起来。 在智能建筑系统集成中，l o n w o r k s 技术是理想的控制网络，为智能建筑开 放系统集成提供了彻底的解决方案。l o n w o r k s 有如下特点： l o n w o r k s 技术的基本元件- n e u r o n 芯片。该芯片同时具备通信与控制功 能，内部固化了i s o o s i 的全部7 层通信协议和3 4 种常见的i o 控制对象。 芯片高度集成，内部有3 个8 位c p u ，分别为介质访问控制处理器、网络处 理器和应用处理器。n e u r o n 芯片的编程语言为n e u r o nc ，它是从a n s ic 中 派生出来的，具有通信功能和事件触发功能，是一种面向对象的程序设计语 一 口o l o n t a l k 协议是l o n w o r k s 技术先进性的集中体现。它支持不同的通信介质分 段的网络。l o n t a l k 协议支持的网络介质包括双绞线、光纤、无线、红外线、 同轴电缆和电力线等。 采用带预测的p 坚持介质访问( p e r s i s t e n tc s m a ) 技术。采用该技术，在当 负荷很重时不会导致系统瘫痪。 网络通信采用了面向对象的设计方法，l o n w o r k s 技术称为“网络变量”，使 网络通信的设计简化成为参数设置。这样不仅节省了大量设计的工作量，同 时增加了通信的可靠性。 l o n w o r k s 技术的通信每帧有效字节数可以从0 到2 8 8 个字节，通信速度可 达1 2 5 m b s ( 此时有效距离为1 3 0 m ) 。 l o n w o r k s 技术在一个测控网络上的节点数可达3 2 0 0 个，直接通信距离可达 2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 k b s ) 1 2 1 。 2 2 4l o n w o r k s 在智能建筑系统中的优势 通信协议是现场总线技术的核心。一些有影晌的现场总线都以国际标准化 组织i s o 所提出的开放系统互连参考模o s i 为基本框架，并根据行业的应用需 9 武汉理t 大学硕士学位论文 要施加某些规定后形成各自的通信模型。f f 总线和p r o f i b u s 都以开放互连参考 模型o s i 为基础，由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装置的控制 功能和具体应用而增加的用户层组成。c a n 总线的通讯模型参考了o s i 模型， 由o s i 模型中的物理层、数据链路层、应用层三层组成，省略了o s i 参考模型 中的3 6 层。第1 层定义了物理的传输特性，第2 层定义了存取协议，第3 层 定义了应用功能。只有l o n w o r k s 是这些总线中唯一采用i s o o s i 模型全部7 层 通信协议的一种现场总线 网络传输介质是网络中连接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信 息的载体。常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、无线介质等。在这几 种总线之中，p r o f i b u s 不采用电缆作为传输介质，c a n 总线通信介质种类较少， 只有双绞线、同轴电缆或光缆，比较适合介质单一的小网络。而l o n w o r k s 技术 中l o n t a l k 协议支持以不同通信介质分段的网络，除了双绞线、同轴电缆、光纤 外，还支持电源线、电力线、超声波、无线射频和红外线等。l o n w o r k s 技术可 以同时使用由以上介质混合组成的网络。 l o n w o r k s 总线采用一种改进的c s m a c d 方式，称为预测的p c s m a 。每 个节点需要发送数据时，先检测介质是否空闲，如果介质空闲就准备发送数据， 并在发送数据前随机插入随机时间片，时间片数量越少表明坚持发送的概率越 大。l o n w o r k s 协议可根据网络负载状况动态调整坚持发送概率p ，使发生冲突 的概率降到最低。l o n w o r k s 协议有许多优点，如带宽利用率高、单点故障不影 响网络通信、节点可灵活加减、在负载较轻时使介质访问延迟最小、在负载较 重时使冲突的可能性最小等。 此外，l o n w o r k s 可通过多种收发器提供各种典型的拓扑结构系统，如总线 型、星形、环形、混合形等，能把其它设备方便地纳入它的网络，组成一个新 的控制网，这是别的现场总线目前还难以实现的。同时还可提供与l a n 的接v 1 ， 从而实现了l a n 与l o n w o r k s 网的有机结合。 另外，l o n w o r k s 采用高性能、低成本的专用神经元芯片，成为该总线系统 的最大优势，一个l o n w o r k s 测控网络可连3 2 0 0 个节点，这是其它总线无法比 拟的，正是由于这一特点它非常适合于楼宇自动化的实现。它是各种现场总线 技术中网络功能最强的一种。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章l o n w o r k s 现场总线核心技术 3 1 神经元芯片的硬件结构 3 1 1 神经元芯片特点 神经元芯片包含m c 3 1 5 0 和m c 3 1 2 0 两大系列。3 1 2 0 本身为一完整的最 小系统，芯片中包括e2 p r o m 、r a m 和r o m 存储器，适用于简单的低成本系 统；3 1 5 0 系列芯片