（电气工程专业论文）基于lonworks技术的智能化小区管理系统开发及应用.pdf

摘要 a b s n a c t t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ea d v a m a g e so fl o n w o r k st e c h n o l o g y a n dt h e m a n a g e m e mi n f o n l l a t i o ns y s t e mo fi n t d l i g e n tc o m m u n a l i t yb a s e do nl o n w o r k s t e c h n o l o 跚 f i r s t ，w ei m r o d u c e t h eb a s i c c o n c e p t i o n ， c h a r a c t 谢s t i c sa n dg t m c t u r e so f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t yt h e 血n c t i o n sa n dc l a s s i f i c a t i o no fi m e l l i g e n tc o n l i i l u n i t ya r e a l s oi n t r o d u c e ds e c o n d ，t h ef i e i d b u st e c t l n o l o g yi si n t r o d u c e da c c o r d i n gt oi t s d e v e l o p m e ms i t u a t i o ns e v e r a l t y p i c a lf i e l d b u st e c t l l l o l o g yi sc o m p a r e da c c o r d i n gt o t h e i rc h a r a c t e r l s t i c st h 砷，l o 州r k s 丘e l du sd e v e l o p e db ye c h d o nc o r p o r a t i o ni s d i s c u s s e da n da n a l y z e di nd e t a i l t h en e u r o nc h i p ，t h el o n l h l kp r o t o c 0 1 ，t h e n e u r o nc 1 a n g u a g ea n dt b ed e v d o p m e n tt 0 0 1 so f l o n w o r k s a r e i n t l o d u c e d t l l em a i nw o r k so f t h ep a p e ri st t l ed e s i g no f t h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m o f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t yb a s e do nl o n w b r k st e c h n o l o g yt h ev a l u eo f w a t e rm 酏e r ， a m m e t e r g a sm e t e ra n dt h e c u “t ys y s t e m a r el m e 舒a t e di nt h e i n t e l l i g e 玳 c o m m u 血y 疗a m e w o r k v i s u a lb a s i ca n da c c e s sd a t a b a s ea r eu s e dt om a n a g et h e i n f o r m a t i o ns y s t e mo fi n t e l l i g e mc o m m u n i t yn e u r o nca n dd l lt e c h n o l o g yi s a p p l i e dt oi m p l e m e mt h ec o m m u m c a t i o nw i t ht h ed d e s e r v e rt h e nt h ed a t aa n d i n f o n n a t i o nc a nb es t o r i e di nt h ed a t a b a s ea n df i n dt h e m 丹e e l v k 哪o r d s ： l o r l w o r k s ， i n t e l l i g c n tc o m m u i l i t y ， n 叫r o n c ，d d e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 近年来国内已先后引进和研制了多种适用于楼堂、馆所的智能化管理和控 制的自动化系统。智能小区( i m d l i g e md i s t r i c t ) 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，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 3 】。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。智能小区是信息时代的产物，是科学技术与经济 实力的综合体现，可以反映出一个国家的综合国力 3 扪。我国已经成功的加入了 w t o ，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 的开发与应用更加迫在眉睫。 以“基于l o n w o r k s 技术的智能小区管理系统开发及应用”为题还具有如 下的现实意义和实际价值： 1 ) 跟踪国际先进技术。作为一名工程技术人员，应时刻关注国际技术的最 新动态，从全世界的角度，去考察自己所处的位置，选择最有利的切入点，去 赶超世界技术潮流。在当今的控制技术领域，最热门的话题之一为现场总线技 术，而l o n w b r k s 技术作为其中的标准之一，因其起步晚而发展迅速，倍受业 内人士关注【1 6 】。 2 ) 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此项技术的 本土化，即对技术进行消化、吸收和利用、开发自己的民族产业。而l o n w o r k s 技术因其开放性，为国内企业的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 企业的介入提供了方便之门，同时也为l o n w b r k s 技术的推广利用提供了更为 广泛的基础【1 6 】【2 ”。 浙江犬学硕士学位论文 3 ) 技术先进性：相对于其它总线类型，l o n w o r k s 在远距离传输方面有完 善的解决方案，灵活的传输组网方式节省了硬件数量与投资，同时节省了安装 费用和围护开销，用户具有高度的系统集成主动权，提高了系统的准确性与可 靠性。 4 ) 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逐渐升温，作为智能建筑重要组成的智能小区对技术 提出了更高的要求，一些国外大企业凭借着其技术实力和成熟产品，首先在中 国抢滩登陆，迅速占领了中国的先期市场，尽快开发出自己的民族产业，生产 出更加适合本国国情、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，开发和研制l o n w o r k s 技术的系统产品，将是业内人士最理想的选 择。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 近年来，随着网络技术、信息技术、计算机技术的发展，智能化将会成为 住宅建设的一个重要的发展方向p “。但是由于智能建筑在我们国家起步比较 晚，近几年才有了较大的发展，智能建筑技术在住宅以及小区中的运用正处于 探索发展的阶段【6 】，因此还存在一些问题。与国外相比，智能建筑技术的整体 应用水平还不是很高，相关技术产品功能单一与系统的规划设计尚不能适应市 场的需求，理论研究与管理滞后的矛盾还有待于进一步的解决” 。 目前，美国、日本和欧洲等发达国家正在尝试着用现代高新技术建设智能 型生态住宅和智能型家居环境，向实现人类居住环境的“可持续发展技术”方 向发展。美国的“智能塑料屋”堪称这方面的典范4 】【7 】，该种房屋通过微机控 制系统使房屋的塑料玻璃改变颜色，使之能充分利用自然能源对室内的照明、 温度等进行自动调节。还有位于日本东京西部的一幢智能住宅【1 2 】，可以由微机 控制系统根据天气的温度、湿度、风力等情况自动调节窗户的开闭，以保持室 内最佳的环境。如果天气不好或者刮风下雨，窗户将马上自动关闭，空调随之 开始工作。看电视时如果有电话铃响，则电视音量自动降低，晚间音像设备或 者外界噪声超过一定分贝时，家庭智能控制器将自动启动隔音设备，以免影响 他人和自身休息。此外美国的m 【t 实验室正在研究一种高科技的住宅智能化系 2 浙江大学硕士学位论文 统2 ”，该系统通过生物传感器对人的生理行为进行感知，并把感知到的信息传 给家庭智能控制器去分析、处理，随后根据分析判断的结果自动控制和调节居 住系统，使室内环境始终达到最佳状态。 我国在智能建筑方面的研究起步比较晚，住宅小区智能化的整体解决方案 正处于探索发展的阶段【“】，相关技术的研究和产品开发与国外相比差距很大， 但是智能住宅及其小区的建设在我们各地发展较快。据统计资料显示1 1 ”，目前 我们建筑智能化的投资，大约占工程建设项目总投资的5 8 ，有的达到了 1 0 。平均约在6 0 元平方米。这在我们城镇每年住宅开发总量5 亿多平方米 中占有很大的比重，并且住宅小区智能化的系统也由刚开始时的单一安防系统 发展到了三表远程抄收系统、室内家电控制系统、通信与计算机网络系统、物 业管理系统等多方面的发展。 1 3 智能小区 作为人类步入信息社会后出现的产物，智能化小区是传统建筑业与迅速发展 的高科技结合产生的结果。小区智能化的实现，也就是人们常说的“e 生活模式”， 成为房地产业的新亮点，也成为当前消费者趋之若鹜的潮流。 所谓智能化小区，即是通过一个高度集成的通信和计算机网络，把住宅小区 安全防范系统、物业管理系统、公共服务系统、信息系统连接起来，建立集成 平台与信息处理控制中心，各个系统独立运行又共享网络硬软件资源。实旌智 能化与最优化，为住户营造一个安全、自由、舒适的现代居家生活环境。 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 f 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 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。智能小区具有的安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独 特魅力，对于改善现代人类的生活质量，刨造舒适、安全、便利的生活空间有 着非常重要的意义，因此也具有非常广阔的市场前景。随着现代科技的进步， 浙江大学硕士学位论文 制造成本的降低，智能小区系统将在不久的将来步入中国寻常百姓家。 1 3 1 智能小区的分类 根据全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) ，智 能小区可以分为一星级、二星级、三星级小区。 1 ) 一星级小区 具有安全防范子系统、信息管理子系统、信息网络子系统。其中安全防范 子系统包括出入口管理及周界防越报警、闭路电视监控、对讲与防盗门控、住 户报警、巡更管理。信息管理子系统包括远程抄表与管理i c 卡、车辆出入与停 车管理、供电设备、公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理、紧急广播、 物业管理计算机系统。信息网络子系统为实现上述功能科学合理布线。 2 ) 二星级小区。 二星级除应具备一星级的全部功能之外，同时在安全防范子系统和信息管 理子系统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。信息传输通道应采用 高速宽带数据网作为主干网。 3 ) 三星级小区： 三星级应具备二星级的全部功能。其中信息传输通道应采用宽带光纤用户 接入网作为主干网，实现交互式数字视频业务。三星级住宅小区智能化系统建 设在可能条件下，应实施现代集成建造系统( c 订s ) 技术，并把物业管理智能 化系统建设纳入整个住宅小区建设中，作为c i m s 工程中的一个子系统。同 时，h 1 c i m s 系统要考虑物业公司对其智能化系统管理的运行模式，使其实现 先进性、可扩展性和科学管理。 1 3 2 智能小区系统的构成 小区智能化系统可具体分解成图1 1 所示的四个子系统，其每个子系统均 具有多项具体功能。 1 3 21 家庭智能化子系统 家庭智能化子系统又包括以下几部分： 1 ) 三表集抄：传统方式的住户水，电，气表抄表给物业管理和用户带来 4 浙江大学硕士学位论文 极大的不便，误差大、时效性差、统计计算工作量大。智能抄表系统可以很好 的解决传统抄表方式带来的问题，该系统节省时间、节省人力物力提高工作效 率。降低物业管理成本，也解决了用户想及时了解用水、电、气情况的烦恼， 真正实现物业管理为用户着想的原则，准确。及时地将住户和物业管理部门所 需三表数值反映在中央控制中心上。该系统由抄表器、数字( 电度、煤气、冷 热水) 表、中继器等组成。利用小区智能布线，将分散在各家各户的水、电、 气、表连接形成网络，实现中心实时监测。 2 ) 家庭电器设备遥控：在家遥控或在家外通过电话线遥控家里的各种电器 设备，包括照明、空调、电话录音等。 3 ) 载波电器控制器、家电自动监测控制( 电视机、计算机、音响设备、空 调机、其他家电设备) ；卫生间排气扇控制、水、电、气阀门控制。 1 3 2 2 安防( s a ) 子系统 1 ) 在小区每一住户内安装的红外线探头、紧急救助、煤气泄漏、门禁系统 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1 1 0 报警中心。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。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， 并可关闭煤气阀门，启动排气装置。在客厅安装烟雾感应器或温度感应器，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 ) 巡更、周界报警系统：在小区的围墙上设置主动红外对射式探测器，防 止罪犯由围墙翻入小区作案，当有人非法翻越时，立刻报警，并触发周界摄像 机跟踪摄相及录相；在小区内设置电子巡更系统，让保安人员定时定路线对小 区内进行巡视，以弥补其他技防手段的不足，及时发现可疑情况，防患于未然。 3 ) 出入口控制系统：对小区的车辆出入口、楼宇出入口进行监视与控制， 小区住户与物业管理人员及保安人员配备不同级别的i c 智能卡，对社区住户出 入小区进行身份鉴别、确认、及出入信息登记，提供住户出入小区信息的登记 与查询功能。 图ll 智能小区系统构成 4 ) 小区对讲系统是小区管理中心或来访者与用户直接通话的一种快捷通信 方式。该系统有助于：来访客人、朋友的通行；紧急呼救的情况询问；紧急事 件、公共信息的通知；车辆移动及邮件通知；其它情况的通话。 1 3 2 、3 物业管理子系统 浙江大学硕士学位论文 物业信息管理系统包括对工程没计文件的管理、对居民信息管理、对设备 报修、维护管理、来客访问管理与设备管理。同时还包括物业收费自动化系统 与小区停车库管理系统。 对纳入社区收费管理的收费项目进行电子收费管理( 主要是指对煤气表、 电表、水表的自动抄表与电子收费) ，提供网上应缴费用的查询，定期催缴。对 出入小区的外来人员进行人员信息、出入信息的登记、汇总、监督管理，可查 询。现代智能小区免不了有许多公共设旖或设备，通过科学手段加强对小区各 种公共设备( 旖) 的管理，降低管理成本，提高管理效率，创造舒适的生活环 境。停车管理系统能将公寓车辆按时间、顺序、内外单位、价格等不同因素分 门别类管理，给停车户提供停车方便，车辆安全，也使公寓车辆管理更加完善 规范。车辆管理系统由出入读卡器、自动开门机，探测器、控制器等设备组成。 1 32 4 信息网络子系统 信息网络子系统主要由以下几部分构成： 1 ) 小区通讯系统。p a b x ( 提供4 0 0 门分机) 一部分用于物业管理办公， 另一部分用于小区主要交通要道、每栋楼的大门口与小区管理中心的紧急联 络；微小区域的无线通信，建立微小范围( 半径1 0 0 一5 0 0 m ) 内的收发基站，实 现小区内无线座机、手提电脑的无线通讯；卫星通信( v a s t ) 接口，该系统作 为有线网的补充建立小区用户与国内、国外进行语音、数据、图象通信的传输 通路：每住户提供两门直线电话。可实现i s d n 、语言信箱、传真、可视电话等。 2 ) 设置小区综合电视网，本系统布线简单，节目众多，且转换方便，通过 增加用户终端设备可实现可寻址自动播放系统( v o d ) 。信号来源主要有：数字 电视公司提供的数字电视信号；卫星电视信号；自办电视节目信号；共用天线 系统的调频广播节目传播i 当地有线电视光纤网络节目。 3 ) 计算机宽带网络。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 r n 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i n t e r n 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b b s ( 电子公告版) ，v 0 d ( 视频点播) ， 网上电子商务等虚拟社区服务。 7 浙江大学硕士学位论文 1 4 现场总线技术 当今世界，信息技术突飞猛进，整个人类社会正在步入信息时代。随着控 制、计算机、通信、网络技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖生产、 生活的各个方面和各个层次。这一切，引起自动化领域的深刻变革。现场总线 应运而生，并且成为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的局 域网。它的出现标志着工业控制技术领域的一个新时代。 1 4 1 现场总线概念 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( 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 没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 兀r o ls y s t e m ) ，简称 f c s 。 1 4 2 现场总线的特点 1 ) 系统的开放性 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。 通信协议一致公开，各个不同厂家的设备可以交换信息。现场总线的开发者就 是要致力于建立一个统一的自动化领域的开放互连系统。 2 ) 系统的互操作性和互用性 互操作性，是指实现互连的设备之间、系统之间的信息交换和沟通。互用 性意味着不同厂家的设备可以实现互相替换。 3 ) 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 等功能分散到现场设备中完成，仅仅依靠现场设备就可以完成自动控制的基本 浙江大学硕士学位论文 功能，并且可以随时诊断设备的运行状态。 4 ) 系统的高度分散性 现场总线已经构成一种新的全分散式控制系统，简化了系统的体系结构， 提高了可靠性和可维护性。 5 ) 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： 6 ) 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。 7 ) 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、端予、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。 8 ) 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。 9 ) 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 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。 1 0 ) 用户具有高度的系统集成主动权 浙江大学硕士学位论文 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 牌的产品而被限定在某一范围内，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一 筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 1 4 3 几种有影响的现场总线技术 自8 0 年代中期以来，有几种现场总线技术已经逐渐形成其影响，并在一 些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的 生命力。目前在国内影响较大的是基金会现场总线( ) 、l o n w j r k s 、p r o 硒u s 、 c a n 、h a r t 。 1 ) 基金会现场总线但f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u 幻： 1 9 9 4 年6 月，现场总线的两大国际组织i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 和北美w o r l d f m ( w o r l df a c t o r yi i l s t r u m e n tp r o t o c 0 1 ) 组织正式合并，产生了现场 总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 。 现场总线基金会是由国际上1 0 0 多家主要的控制和检测仪表厂家和最终用 户组成的非赢利性中立组织。其宗旨是开发适用于过程控制、开放、可互相操 作、标准的现场总线。 2 ) l o “l o c a lo p e 艴：c i n gn e t w o r k s ) 总线 l o n 总线是由美国e c h e l o n 公司推出并且和摩托罗拉、东芝公司共同倡导， 于1 9 9 0 年正式公布而形成的。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。l o n w b r k s 采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的 设计方法、通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b 口s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ，支持双绞线、同轴电缆、光纤、 红外线、电力线等多种媒介。l o n w j r k s 采用的l o n l 甜k 协议被封装在称为n e u r o n 的神经元芯片中，集成芯片中有三个c p u ，一个用来完成开放互连模型中第一 层和第二层的功能，称之为媒体访问控制器，实现介质的访问和处理；第二个 用于完成3 6 层的功能，称之为网络处理器，进行网络变量的寻址处理、背景 诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。 第三个是应用处理器，执行操作系统服务和用户代码。 l o n w j r k s 技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本f 每片价格约5 9 美元) ，而芯片的低成本又返过来促进了l o r l w o r k s 技术的推广应用，形成了良 浙江大学硕士学位论文 好循环，据e c h e l o n 公司的有关资料，到2 0 0 4 年7 月，己生产出1 5 0 0 万片神 经元芯片。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，l o n w o r k s 神经元芯 片也具有独特的优势。l o n w b r k s 技术已经被美国暖通工程师协会a s r e 定为建 筑自动化协议b a c n e t 的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造 商协会已经通过决议，以l o n w o r k s 技术为基础制定了a 一7 0 9 标准。这样， l o n w o r k s 己经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制 造、0 e m 控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制 造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一 种技术的推广、应用有很大的促进作用。 3 ) p r o f m u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 总线 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 诞生于1 9 8 7 年，1 9 8 9 年被确立为德国国家标 准d i n l 9 2 4 5 。1 9 9 1 年，p r o f u s f m s 、p r o f m u s d p 、p r o f m u s p a 先 后被批准实施。1 9 9 6 年3 月，p r o f u s 被欧洲电工标准化委员会f c e n e l e c ) 批准为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。目前，p r o f u si n t c m a t i o n a l ( p i ) 组织有8 0 0 个成 员，分布在2 1 个国家。p r o f m u s 总线访问协议是一种混合的协议，包括主站 之间的令牌传递方式k 姐p a s s i n g ) 和主站、从站之间的主从方式 ( m a s t e 卜s l a v e ) 。主站在一个限定的时间内有总线访问权，从站按照主站的询问 作出应答，它没有总线访问权。主、从站在任何时候都可以增设或拆除。现场 总线数据链路层将自动对令牌环重新组态。令牌传递方式保证每个主站有足够 的时间来完成它的通信任务。 4 ) c a n ( c o m r o la r e an e t w o r k ) 总线 c a n 是控制局域网( c o n t r o la r e an e t 、o r k ) 的简称，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。其总线规范以及被i s o 国际标准组织制订为国际标准。由于得到摩托罗拉、英特尔、菲利普、西门子、 n e c 等公司的支持，它广泛应用在离散控制系统。c a n 协议也是建立在i s o 0 s i 模型基础上的，不过，其结构只有三层，只取o s i 底层的物理层、数据链路层 和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率可以达到1 m b d 以0 m ， 直接传输距离最远可以达到1 0 k i i l 5 k b p s ，最多可以挂接l l o 个外部设备。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时 浙江大学硕士学位论文 间短，受干扰的概率低。当节点发生严重故障时，具有自动关闭的功能，以切 断节点与总线的联系，使总线上的其他节点不受影响，具有较强的抗干扰能力。 5 ) h a r t ( h i 曲w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a i l s d u c e f ) 总线 h a r t 是可寻址远程传感器高速通信协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t e t r a i l s d u c e ) 的缩写，是用于控制系统与现场智能仪表的一种工业标准通信协议。 h a r t 通信协议是由r o s e m o u n 公司在1 9 8 6 年制订出来的，其后对其进行了修 订和增 ，并作为开放系统标准由h a r t 通信基金会向全世界发布。 符合h a r t 通信协议的现场仪表保持了4 2 0 m a 标准化信号，同时以数字 形式传输过程数据和现场仪表数据。在不间断的过程模拟传输中，通过同一模 拟回路上的数字信息，用户可以获得现场仪表的诊断和维护信息，以及更多的 过程数据。尽管有一些观点认为，h a r t 协议只是延长4 2 0 m a 模拟标准使用 期限的有效方法。但是，h a r t 不仅向现场总线迈进了一步，而且在其功能上， 对现场设备操作的信息处理是有效和实用的。 1 4 4 现场总线的发展趋势 虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已 经是一个不争的事实。随着现场总线思想的日益深入人心，以及基于现场总线 的产品和应用的不断增多，这种新一代控制系统正逐渐浮出水面，体系结构日 益清晰，具体表现在如下几个方面。 首先，现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。体现在位于 现场的传感器执行器一级也全部实现数字化、智能化，他们彼此之间以及与控 制器之间通过现场总线构成工业现场的局域网络，进而连接到上层控制网、管 理网甚至互连网，形成一个无所不在的网络系统，信息可以在现场、车间、工 厂、公司总部之间自由流动。 其次，现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。目前达成共识的 是三层设备、两层网络的3 + 2 结构，如图1 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 图1 2 现场总线控制系统三层结构示意图 第三层设备是位于底层的现场设备，如传感器执行器，以及各种分布式 陇i 设备等，位于中间的控制设备，如p l c 、工业控制计算机、专用控制器、 网关等，位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工 作站等。两层网络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作 设备之间的管理网。 最后，现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术。如在管 理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的t c p 邛加以太网，操作设备 一般采用工业p c 甚至普通p c ，控制设备一般采用标准的p l c 或者是工业控制 计算机等，而控制网络就是各种现场总线的应用领域。 1 5 本文主要研究工作及其结构 本文主要研究了基于l o n w b r k s 现场总线技术在智能小区建设中的应用， 并结合三里亭小区三里家园项目的智能小区管理系统研发，实现了集安防、信 息管理、远程抄表和自动收费为一体的智能小区管理系统。通过该项目的实施， 浙江大学硕士学位论文 验证了设计方案的合理性和可行性，为现场总线技术在智能小区中的应用提供 ，重要实例和参考。具体工作如下： 1 ) 分析了智能小区实际应用中的需要，并结合传统的d c s 系统，说明了 在智能小区自动化系统中引入现场总线技术的必要性； 2 ) 在深入分析l o n w o r k s 现场总线技术的基础之上，探讨了l o n w o r k s 现 场总线应用于智能小区建设的可行性、合理性及其本地化过程中要关注的问题； 3 ) 提出了基于l 0 n w o r k s 现场总线技术的智能小区管理系统方案和实现架 构； 4 ) 结合实际应用，提出了用l o n 网络构建智能小区安防系统的硬件和软 件实旌方案和实现方法，进而具体实现了该方案，并投入了实际运行： 5 ) 解决了各行业管理层对小区物业管理层的数据访问问题。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章l o n w o r k s 技术和l o n 总线 2 1 运用l o n w o r k s 技术组建系统的优势 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，为支持l o n 总线， e c h d o n 公司开发了l o n w b r k s 技术。l o n w o r k s 技术使用开放式通信协议 l o n t a l i 【，l o n t a l k 协议的最大特点是对o s i 的七层协议的完全支持，是直接面 向对象的网络协议，这是其它现场总线所不支持的。通过网络变量使各个节点 之间的数据传递变得简单可靠。神经元芯片e u m nc h i p ) 是l o n w j r k s 技术的核 心，它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时也是作为采集和控制的通用处理器。 按照l o n w j r k s 标准网络变量来定义数据结构也可以解决和不同厂家的互操作 性问题。正是这些特点使l 0 n w o r k s 技术成为当今最流行的现场总线之一，并 且广泛应用于各种智能化管理系统。 l o n w j r k s 技术包括以下几个组成部分： a l o n w b r k s 通信控制处理器神经元芯片( n e u r o nc h i p ) b l o n w b r k s 的通信协议_ i ，o n t a l k c l o 州n r k s 面向对象编程语言i n e u r o n c d l o n w o r k s 开发工具 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，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，世界大的楼宇控制公司，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 b r k s 技术改造产品，已形成世界技 术潮流。 相对于其它总线结构，l o n w o r k s 具备以下优势： 1 、其网络协议是完全开放的，其通信不受通信介质的限制，它所支持的介 质是现场总线中最多的，并且多种介质可以在同一网络中混合使用，这使它在 浙江大学硕士学位论文 楼宇和住宅小区设备控制中具有最好的适应性。 2 、l o n w o r k s 的通信除支持传统的主从式外，还支持对等式的通信方式。 网络结构也不受传统方式的限制，可以支持自由拓扑，目前还没有其它的现场 总线技术能完全满足这些要求。 3 、l o n w o “s 技术在双绞线情况下，通信速率为7 8 k b p s ，其直接通信距离 可达2 7 0 0 米，非常适合大楼和住宅这样大范围内的信号采集和数据传送。并且 在其网络上的节点数可达到3 2 0 0 0 个。 由于l o n w o r k s 技术具备上述优点，这一技术已在测量及控制的各个领域 中广泛被采用，也被多个标准化组织所承认，它已被e i a 定义为家庭控制网络 的标准，被美国供暖、空调和制冷工程师协会( a s h r a e ) 采纳作为其b a c n e t 标 准的组成部分，使之成为楼宇自动化和家庭自动化中公认的技术标准。美国国 家标准协会正式确定l o n t a l k 协议为开放式工业控制标准( a n s i e i a l a 1 9 9 9 ) ；认定l o n w o r k s 中电力线通讯技术为控制网络电力线通信信道规范标 准( a n s i 一7 0 9 2 一a 一2 0 0 0 ) 目前世界各国约4 5 0 0 多家公司开发了l o n w o r k s 控制产品和系统，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。开放式l o n t a l k 协 议被世界各国相关行业广泛采用。 2 2l o n w o r k s 技术的硬件组成 2 2 1 通信控制处理器一神经元芯片( w e u r o nc hip ) l o n w b 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 i4 31 5 0 和 m c i4 3 1 2 0 两大系列，m c i4 3 1 5 0 支持外部存储器，适合更为复杂的应用，而 m c i4 31 2 0 则不支持外部存储器，它本身带有r o m 。 2 2 2 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 ( n e t w o r k ) 处理器和应用( a p p c a t i o n ) 处理器，结构如图2 1 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 e d i aa c c e s s c o n t r o l l ，也就是i s 0 0 s i 模型七层协议的1 和2 层，这其中包括碰撞回避算法。 1 6 浙江大学硕士学位论文 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。 b 网络处理器。网络处理器完成i s 0 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 2 3 存储器 图2 1 神经元芯片的3 个处理器 m c 31 5 0 存储器包括： 5 1 2 字节的e e p r o m 用来存放网络配置和地址表，独一无二的4 8 位神经 元d 码，2 0 4 8 字节的r a m 包含堆栈段、应用程序和系统程序的数据区、l o n t a k 协议的应用缓冲区和网络缓冲区。神经元芯片有一个时间计数器具有完成认值 w 缸c h d o g 、多任务的调度、定时功能。神经元芯片支持节电方式，在这种方式 下系统时钟和计数器关闭，但是状态信息，包括r a m 中的信息不会改变，一 旦状态变化，系统就会激活神经元芯片。 2 2 4 输入输出单元 神经元芯片和其它的设备连接是通过它的1 1 个i o 接口- i o o 1 0 1 0 。这些 1 7 浙江大学硕士学位论文 管脚可以根据不同外部设备i o 的要求，灵活配置输入输出方式。1 0 4 一1 0 7 可以 通过编程设置成上拉：i o o 1 0 3 带有高电流接收；i o o i o l o 带有t t l 标准的迟滞 输入：1 0 0 1 0 7 带有低电平检测锁存。神经元芯片带有两个片内定时计数器。 定时，计数器l 称之为多路选择定时计数器( m u l t i p l e 黼dt i m e r c o u m e r ) ，它的输 入通过一个多路选择开关，从1 0 4 一1 0 7 选择一个，输出到i o o ，定时计数器2 称为专用定时计数器，输入是1 0 4 ，输出为i o o 。神经元芯片的专用编程工具 n e u r o n c 提供i o 定义可以将1 1 个i o 配制成不同的i o 对象；通过函数i oi n ( ) 和i oo u t 对定义的o 进行输入输出操作。神经元芯片的1 1 个i 0 口由3 4 种 预编程设置，如下表2 1 所示。 表2 1 神经元芯片的3 4 种i ，0 对象 对象 说明 一一百磊高i f 一 位输入( b i th i p u t )o ，l 二进制 位输出( b i to u t p u t ) 0 1 二进制 字节输入( b y 屺i n p u t ) 0 2 5 5 二进制 字节输出( b 啦o i 邶u t ) o 一2 5 5 二进制 电平检测( l e v dd e t e c ti n p m )逻辑。电平检测 n i b b l ei n p u t0 2 5 5 二进制 n i b b l eo l 卸u t 0 - 2 5 5 二进制 并行i ，o 对象 多总线( m 1 1 ) 【b w i o )使用总线多路复用技术的并行双向口 并行( p a l l d )并行双向握手 串行i o 对象 位移输入( b 缸h i f i 蛐u t ) 最多1 6 位的时钟数据 位移输出( b 缸h i f io 唧u t ) 最多1 6 位的时钟数据 1 2 c 摄多2 5 5 个字节的双向串行数据 m a g c a r dh p u t 符合i s 0 7 8 l l 的磁卡阅读器轨道数据流 m a 咖c k i 符合i s 0 3 5 5 4 的磁卡阅读器轨道数据流 n e u r o w i r ei ，o 最多2 5 6 位的双向串行数据 译行输入( s c r i a 】h l p u t ) 6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 b p s 的8 位字符 串行输出( s e f i a lo u t p u t )6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 b p s 的8 位字符 t 0 u c h 加 最多2 0 4 8 位的输入输出 晰c g 柚d h l p u t晰e g a i l d 卡阅读器的编码数据流 定时、计数器输入对象 d i l a l s l 叩e d u a l s l o p c 转换逻辑比较器 e 电e l o g 输入转换流 红外输入( h 1 6 m dh p u t )红外解调器的编码数据流 脉冲输入( o n 血h p u t )o 2 l l s 1 6 7 8 s 的脉冲宽度 浙江大学硕士学位论文 周期输入( p 丽0 db p u t ) 周期为o2 u s