（控制理论与控制工程专业论文）基于lonworks的智能照明系统设计.pdf

摘要 随着信息技术的飞速发展和社会的不断进步，人们对照明的高效控制和功能多样化 的要求也不断提高，智能照明系统应运而生。智能照明系统充分利用电子技术、通信技 术和计算机网络技术将建筑物内的各种照明器件有机地连接在一起，实现有效的管理和 控制。 本文介绍了智能照明系统的基本概念和研究应用现状，对l o n w o r k s 现场总线技术特 点进行了详细的分析，针对高校教学区域照明系统改造项目需求，提出了一种基于 l o n w o r k s 总线技术的智能照明系统设计方案。该智能照明系统能够完成灯光自动调节、 占空( 动静) 检测、远程监控等功能。论文主要工作内容包括： ( 1 ) 完成了智能照明系统的方案设计及l o n w o r k s 智能控制节点的硬件模块设计。 ( 2 ) 使用e c h e l o n 公司的n o d e b u i l d e r 节点工具完成了l o n w o r k s 智能控制节点的软件 开发。 ( 3 ) 使用v i s u a lb a s i c 编程语言开发了基于d d e 技术的上层管理界面，并用a c e s s 关系 数据库设计了后台数据库。该监控系统能够完成对现场照明状况的监控、报警、历史记 录查询等功能。 ( 4 ) 介绍了基于l o n w o r k s 总线的组网方法，描述了利用l d l l m a k e 进行智能照明系统 组网的过程。最后实现了l o n w o r k s 网络和i n t c r n c t 网络的集成。 基于试验平台的测试结果表明：系统设计方案正确，性能可靠，基本达到了项目预 期的要求。 关键词：智能照明，l o n w o r k s 技术，d d e ，l o n m a k e r a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o c i a lp r o g r e s s ，t h ed e m a n d o ne f f i c i e n tc o n t r o la n dv a r i o u sf u n c t i o n so fi l l u m i n a t i o nb yp e o p l ei sr i s i n g ，t h u st h e i n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o ns y s t e mc o m e so u t i tm a k e sg o o du s eo ft h et e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i c ， c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m b i n e sd i f f e r e n tl i g h t i n gi m p l e m e n t st og e t e f f i c i e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n t t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h eb a s i cc o n c e p t sa n dr e s e a r c hs t a t u so ft h ei n t e l l i g e n t i l l u m i n a t i o ns y s t e m ，a n a l y s e st h ef e a t u r e so ft h el o n w o r k sf i e l d b u sa n db r i n g sf o r w a r da d e s i g n i n gs c h e m eo fi n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o ns y s t e mb a s e do nl o n w o r k s t h es c h e m et o t a l l y c o n s i d e r st h en e e d so ft h ei n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o ns y s t e mw h i c hw i l lb eu s e di nh i 曲s h 0 0 1 t h i si n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o ns y s t e ma c h i e v e sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha si l l u m i n a t i o na u t o a d j u s t i n g ，b o d yd e t e c t i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n g 。t h em a i nj o b sa r e s h o w e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ew h o l es c h e m eo ft h ei n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o ns y s t e ma n dt h eh a r d w a r ec i r c u t ef o r l o n w o r k si n t e l l i g e n tn o d ea r ed e s i g n e da n dd e s c r i b e di nd e t a i l s ( 2 ) t h et h e s i su s e sn o d e b u i l d e rs o f t w a r ew h i c hi sd e v e l o p e db ye c h e l o nc o m p a n yt o d e s i g nl a n g u a g ef o rt h el o n w o k r si n t e l l i g e n tn o d e ( 3 ) t h et h e s i sa d o p t sv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g et od e s i g nt h em o n i t o r i n g i n t e r f a c eb a s e do nd d et e c h n o l o g ya n db u i l d sb a c k s t a g ed a t a b a s eo ft h es y s t e m w i t h a c c e s sd a t a b a s e t h eu s e r sc a nc o n t r o lt h ei l l u m i n a t i o ns y s t e ma n di n q u i r et h eh i s t o r i c a l i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h em o n i t o r i n gi n t e r f a c e ( 4 ) t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ew a yo fb u i l d i n gl o n w o r k sn e t w o r k ，i l l u m i n a t i n gt h e t o o lc a l l e dl o n m a k e r f i n a l l yt h ei n t e g r a t i o no fl o n w o r k sa n di n t e r n e ti sd i s c u s s e da n d r e a l i z e d t h et e s tr e s u l t sb a s e do nt h el a b o r a t o r yp l a t f o r ms h o w st h a tt h ed e s i g no ft h es y s t e mi s c o r r e c ta n dr e l i a b l e ，a n dc a l lm e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o n , l o n w o r k st e c h n o l o g y , d d e ，l o n m a k e r i i 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己在论文 中作了明确的说明。 卅年6 月；。日 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。 州年舌月毒b 日 硕士论文基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 1 绪论 随着现代建筑和照明技术的发展，传统的照明设计方法已经不能解决实际场景对照 明效果的不同需求，简单的控制方式更不便于管理和维护。智能照明控制技术顺应了计 算机技术、通信技术、控制技术的发展潮流，能够实现对建筑的分散控制、集中管理的 智能化照明，具有很大的发展空间。论文以高校教学区域照明系统改造项目为背景，讨 论了l o n w o r k s 总线在照明系统中的应用，设计了基于l o n w o r k s 总线的智能照明系统。 该系统利用光二极管对光照强度的敏感性进行测量，并与设定的照度值进行比较，控制 分组照明灯具的开关；应用l o n w o r k s 技术，将灯具的状态数据以网络变量的形式进行 远程传输，达到对照明灯具的智能化、分布式控制。 1 1 智能照明系统及其发展现状 智能照明控制系统，又称建筑调光系统【l 】。它能够根据环境变化、客观要求、用户 预定需求等条件采集照明区域中的各种信息，并对所采集的信息进行相应的逻辑分析、 推理、判断，将分析结果按要求的形式存储、显示、传输，进而进行相应的工作状态的 控制反馈，以达到预期的控制效果1 2 j 。 智能照明系统一般由主控模块、采集器模块、执行器模块、监控上位机四个部分组 成。主控模块是系统的控制者，负责总线上信号的仲裁和传递，同时负责总线的供电。 它是系统中的核心部件，每个系统必须有一个主控模块。采集器模块是系统信息的输入 通道，控制指令由用户或传感器经它发出。目前，采集器模块基本上包括按键和传感器。 执行器是具体的驱动单元，系统的信息输出通道，它根据控制指令去驱动具体的对象， 如灯、电源开关、警灯、警铃等。监控上位机提供了整个系统的集中显示，实时监控， 可以对现场进行直接操作，具有系统生成、信息诊断等功能，通过主控模块与其他设备 连在一起，要求具有较高的可靠性和良好的稳定性。 现代意义上的智能照明系统是从舞台灯光控制系统发展起来的【3 】。1 9 8 6 年美国影视 剧场技术协会工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输标准 d m x 5 1 2 协议。上世纪9 0 年代后期，随着楼宇自动化和办公自动化的兴起，智能 照明控制系统的应用从剧场的舞台灯光逐渐转向了各种建筑物的照明。照明控制技术也 由集中控制方式转变为集散控制和分布式控制。进入2 1 世纪后，大量的新产品、新技 术的出现，使智能照明技术向系统一体化集成的方向发展。网络技术的渗透使得不同控 制方式的系统间相互结合，实现了资源共享、远程监控以及异常信息处理等一体化管理。 各类智能照明产品的生产和技术实现也随着行业标准和规范的制定逐步地完善，并进入 成熟、实用、可靠阶段 4 1 。 1 绪论硕士论文 国外从上世纪9 0 年代就开始从事智能照明系统的开发与应用，如今已开发出不少智 能灯具和智能照明的控制与管理系统，如澳大利亚奇胜( c j i s p a l ) 的c b u s 总线，德国a b b 公司的i b u s 总线，邦奇d y n e t 总线协议，p h i l i p s 的d a l l 协议，日本松下的h b s 协议， 以及x 1 0 电力线载波协议。采用无线网络技术的智能灯光控制系统产品最近也相继出 现。与电力线载波方案一样，由于不需要专用的网络线，且可以使用电池供电，因此该 方案安装或扩展非常灵活方便，而且也降低了用户的总体成本【5 】【6 1 。 我国在灯光调控方面的研究起步较晚。灯光调控在美国的使用率为7 0 ，欧洲为 4 0 5 0 ，亚洲为1 0 1 5 ，其中日、韩占1 5 2 0 ，中国还不到1 。但是国内在智 能照明控制技术方面的研究也相当迅速，如智能住宅中心控制系统( i h c c ) ，和“真善美” 品牌的智能照明控制开关等【7 】。 总的说来，智能照明还处于发展阶段，国内外很多知名企业都看好这个新锐行业， 已经投入了大量的人力和财力来着手研发新颖的智能照明控制系统。目前，智能照明系 统在住宅、道路、体育场馆、工业厂房、公园等照明场合得到不同程度的应用【8 】。 1 2 课题的研究意义 为贯彻我国资源节约与开发并举，把节约放在首位的方针，早在- 1 9 9 3 年国家经贸 委就把节电工作列为节能工作的重点之一，并于1 9 9 6 年9 月1 8 日正式启动了中国绿 色照明工程实施方案【9 1 。目前，我国电力工业的发展速度很快，但是用电效率低和电 力供应不足的问题仍然比较严峻，并且在今后一段时间内将继续存在。推行终端节电技 术节约电能，是改善电力负荷紧张的主要方法。我国照明用电约占发电总量1 0 左右， 且以低效照明为主，是终端节电的主要对象之一。照明用电大多数属于峰时用电，因此， 照明节电具有缓和高峰用电的作用【1 0 1 。同时，我国电耗高和用电浪费的问题相当严重， 是造成环境污染和企业经济效益不高的重要因素【1 1 1 。 照明节电具有良好的经济效益【1 2 1 ，节约千瓦电量的投资只有新建千瓦容量电厂造价 的1 5 一5 0 ，用户节电平均成本只相当于终端电价的l 3 左右，节电投资回收期平均不 到一年。“九五 期间，实施绿色照明工程，可减少电力建设投资4 9 0 6 3 0 亿元，扣除 节电投入实际可减少社会支出3 0 0 4 0 0 亿元【1 3 】。 和传统的照明系统相比，智能照明系统更具有操作安全( 一般采用2 4 v 低压) 、安装 简单、维护方便、可扩展性好( 使用软件设计) 、功能丰富( 能实现灯光的任意组合) 、便 于系统集成( 配有通讯单元) 等优点。此外，智能照明能够根据人们的行为模式和住宅的 光环境决定照明的控制规律，体现了以人为本的照明控制思想，创造了一个个性化、艺 术化、舒适、高雅的居住环境。 2 硕士论文基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 1 3 智能照明与现场总线技术 从智能照明控制系统的组成方式看，主要有总线型、电力载波型和无线网络型【1 4 】。 但因技术相对成熟而最为广泛使用的是总线型控制网络。总线型控制网络打破了传统照 明控制方式和d d c 自动照明控制方式的一个控制点连接一根控制线的连线方式，它把 照明线路中的控制箱作为现场总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成 网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进 行通信，这样网络中的监控节点可以控制和检测网络中所有设备的运行状态 1 5 】。 从上世纪9 0 年代开始，国外就有不少厂家试图研制和开发应用于照明控制的现场 总线控制系统，比较常见的有澳大利亚的奇胜c b u s 总线、a b b 公司的i - b u s 总线、邦 奇d y n e t 总线以及日本松下的h b s 总线。e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 总线虽然不是专用 于照明的控制总线，但因其具有高可靠性、安全性和互操作性，而被广泛地应用于很多 领域，本课题的任务就是设计基于l o n w o r k s 总线的智能照明系统。下面对几种总线进 行简单介绍。 ( 1 ) c b u s 总线 c b u s 是c l i p s a lb u s 的简称，是奇胜( c l i p s a l ) 公司的封闭总线协议，该总线采用两 线制双绞线，即一对双绞线既提供总线设备工作电源( 1 5 - 3 6 vd c ) ，又传输总线设备信 息，总线设备之间直接通信，无须通过中央控制器。c b u s 的传输协议为c s m a c d ， 通信速率为9 6 k b p s ，支持总线型、星型或树型拓扑结构。子网为基本单位，每个子网 最多容纳1 0 0 个单元或2 5 5 个控制回路，最大传输距离为l k m t l 6 1 。 ( 2 ) i - b u s 总线【1 7 1 i - b u s 总线是基于e i b ( 欧洲安装总线) 标准的两线网络，它采用对等的控制方式，总 线为4 芯屏蔽双绞线，其中两芯为总线使用，另外两芯备用。所有元件采用2 4 vd c 工 作电源，采用c s m a c d 通信协议，通信速率为9 6 k b p s 。主网可连接6 4 个子网，每个 子网可连接6 4 个模块。 ( 3 ) 邦奇d y n e t 总线 d y n e t 是邦奇( d y n a l i t e ) 公司面向照明系统的封闭控制总线协议。它采用4 线制两对 双绞线。其中一对双绞线提供d c l 2 v 总线设备工作电源，另一对用于传输总线设备信 息。d y n e t 是一种基于r s 4 8 5 四线制的传输协议，只支持总线型网络拓扑结构，主网可 通过网桥连接6 4 个子网，每个子网可连接6 4 个总线设备单元，其子网传输速率为 9 6 k b p s ，主网最高可达5 7 6 k b p s t 蜡j 。 ( 4 ) h b s 总线 家庭总线体系( h o m eb u ss y s t e m ) 是由日本一些知名企业，包括日立、松下、三菱、 东芝等联合提出的，并得到了日本政府和商会的支持。h b s 协议规定了如何通过双绞线 l 绪论硕士论文 或同轴电缆实现家用电器、电话、音频、视频装置的互联，着眼于家用电器的综合自动 化。同时，h b s 协议也考虑了如何在家庭内获得远程服务，如在家购物、远程医疗和远 程教学等。协议主要用于电器开关量以及简单模拟量的控制，采用专用总线，具有抗干 扰强、响应速度快、开发成本及风险较低的特点【1 9 1 。 ( 5 ) l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 是一种分布式、智能化的局域操作网络。e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技 术，并且为l o n w o r k s 总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。l o n w o r k s 总线可 以使用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外等。 其通信协议l o n t a l k 支持i s o o s l 的所有七层模型，任何制造商的产品都可以实现互操 作。l o n w o r k s 总线采用星型、总线型、环型及自由型网络拓扑结构，可以根据不同结构 采用不同的连接方式，降低布线的复杂性，提高可靠性和可维护性。其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t p s ，双绞线) 。另外，l o n w o r k s 应用程 序采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩 短了产品开发周期。l o n w o r k s 总线的以上特点满足智能照明系统的所有需求，在智能照 明中获得了广泛的应用【2 0 】( 2 。 1 4 课题研究内容 本课题是以某高校教学区域照明系统改造项目为背景而提出的，要求设计教学区域 基于l o n w o r k s 总线的智能照明系统。该系统能够实现对照明灯具的分布式控制，集中 管理，实现了对现场照明的智能调控。论文详细介绍了智能照明节点软、硬件部分的设 计过程，主要包括照度检测软硬件设计、按键软硬件设计、显示软硬件设计。在此基础 上，利用v b 编程语言设计了基于动态数据交换( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ：d d e ) 技术的 监控界面，该监控界面能够实现对整个系统的实时监控，是管理人员及时了解和控制现 场照明状况的有效途径。在论文的最后部分，研究了控制网络和信息网络的集成问题， 采用e c h e l o n 公司的i l o n1 0 0 网络服务器实现了l o n w o r k s 控制网络和i n t e m e t 的集成， 以便于用户能够通过w e b 网页实现对现场的远程监控。 1 5 论文的组织结构 全文共分六章，组织结构如下： 第一章，简要介绍了智能照明系统的概念、国内外研究现状，阐述了课题研究的意 义，并对智能照明系统中一些常用的总线进行了分析。 第二章，结合课题内容，对l o n w o r k s 总线系统和l o n w o r k s 的关键技术进行了分 析。 第三章，针对项目功能需求，设计了智能照明系统的总体方案，重点介绍了智能照 4 硕士论文 基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 明节点的软、硬件设计过程。硬件部分主要包括照度检测模块、灯具驱动模块、按键模 块、显示模块的硬件电路的设计；软件部分主要包括a d 转换、按键、显示子程序的设 计。 第四章，介绍了d d e 动态数据交换技术，并利用v b 语言设计了系统的监控界面。 第五章，介绍了l o n w o r k s 组网工具l o n m a k e r ，描述了利用l o n m a k e r 进行智能照 明系统组网的过程，实现了l o n w o r k s 网络和i n t e r n e t 网络的集成功能。最后，讨论了 灯具数目的计算及照度检测传感器的布局问题。 第六章，对全文进行总结，讨论有待进一步研究的问题。 5 3 智能照明系统设计 硕士论文 2l o n w o r k s 技术介绍 本章着重介绍l o n w o r k s 技术的核心，主要包括主处理器n e u r o n 芯片、通信协议 l o n t a l k 协议，以及特有的编程语言n e u r o nc 语言，为后续的应用开发提供理论支持和 技术铺垫。 2 1l o n w o r k s 技术概述 l o n w o r k s 总线是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种综合的测控网络。为支持 l o n w o r k s 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 r l w o r k s 网络的设计、构 成、安装和维护提供了一个完整的开发平台。 开放式通信协议l o n t a l k 是l o n w o r k s 总线通信运行的基础，它的最大特点是对 i s o o s i 七层协议的完全支持f 2 2 】，是面向对象的网络协议，网络变量的通信方式可以解 决不同厂家之间的互操作性问题，能够满足现场智能节点之间无拥塞、快速的通信要求。 n e u r o n 芯片是l o n w o r k s 技术的核心，内部装有三个微处理器，并固化有l o n t a l k 通信协议，可集控制、通信和i o 为一体，通过收发器与外部实现通信。 l o n w o r k s 控制网络能够使用多种传输媒介，包括双绞线、光缆、电力线、射频、 红外等。其中双绞线以因其性能价格比较高而被广泛应用。l o n w o r k s 控制网络支持所 有的网络结构，如对等式、主从式以及客户朋艮务式。并且l o n w o r k s 网络还支持总线型、 环型、自由拓扑型等网络拓扑形式。智能节点构成了l o n w o r k s 网络，各智能节点内部 具有实现特定功能的驱动程序，且可实现多种i o 功能，节点之间可通过网络变量或显 式报文进行信息的传输【2 3 】。图2 1 是一种典型的智能节点组成框图。它包括一片n e u r o n 芯片、一个电源、一个通过网络介质通信的收发器以及接口应用电路。 网络 图2 1典型智能节点组成框图 目前，l o n w o r k s 现场总线技术被广泛地应用在工业、能源、楼字自动化等领域， 是目前比较流行的现场总线之一。 6 硕士论文 基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 2 2n e u r o n 芯片 n e u r o n 芯片是l o n w o r k s 技术的核心，它提供控制、通信、介质访问、f o 接口、 i o 应用库、操作系统、l o n t a l k 协议等软硬件功能模块，通过收发器与外部通信【2 4 1 。 图2 2 是n e u r o n 芯片的内部结构图。 v s sv d d5 v 外部存储扩展总线( 仅3 1 5 0 ) 图2 2n e u r o n 芯片内部结构图 由图2 2 可以看出，n e u r o n 芯片有三个c p u ，随机存储r a m ，只读存储r o m 以 及通信和i o 接口。r o m 用于存储操作系统、l o n t a l k 协议以及i o 函数库；r a m 用 于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。n e u r o n 芯片主要有如下性能特点【2 5 】： ( 1 ) 高度集成，所需外部器件较少： ( 2 ) 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 ： ( 3 ) 片上存储器： ( 4 ) 1 1 个可编程f o 引脚( 有3 4 种可选的工作方式) ； ( 5 ) 两个1 6 位的硬件定时器计数器，1 5 个软定时器； ( 6 ) 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能损耗； ( 7 ) 网络通信端口有三种方式供选择：单端方式、差分方式和专用方式； ( 8 ) 固件包括l o n t a l k 协议、f o 驱动器程序、事件驱动多任务调调度程序： 7 3 智能照明系统设计 硕士论文 ( 9 ) 服务引脚可用于远程识别和诊断； a o ) 4 8 位的内部n e u r o ni d 用于唯一识别n e u r o n 芯片。 2 2 1 处理器介绍 n e u r o n 芯片有3 个8 位处理器，分别是介质访问( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ：m a c ) 处理器，网络处理器和应用处理器【2 6 】。介质访问处理器完成l o n t a l k 协议的第1 层和第 2 层功能的处理，包括驱动通信子系统硬件，执行m a c 算法。介质访问处理器和网络 处理器通过共享网络缓存区进行通信，对网上报文进行编码解码。网络处理器实现 l o n t a l k 协议的第3 层至第6 层的功能，包括网络变量的处理、寻址、事务处理、背景 诊断、权限证实、网络管理、软件计时器和路由等。同时它还对网络通信端口进行控制， 物理地发送和接收数据包。应用处理器执行用户编写的执行代码及代码调用的操作系统 命令。图2 3 为n e u r o n 芯片处理器结构示意图。 图2 3 处理器结构不惫图 由于系统对三个c p u 采用了管道技术，能够在不影响性能的情况下降低硬件的需 求。三个c p u 可并行工作，不会造成上下文交换和耗时中断。 2 2 2 应用i o 对象 n e u r o n 芯片通过1 1 只引脚( 1 0 0 1 0 1 0 ) 与应用指定的外部硬件相连，我们称这1 1 只引脚为应用i o 。1 1 个i o 引脚共可组成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。 编程人员可以将一个或多个引脚申明为i o 对象，并调用i o _ i n 0 和i o o u t o i 函数对这 些对象执行实际的i o 操作。 2 2 3 通信端口 n e u r o n 芯片通过c p 0 - - c p 45 只引脚与各种通信介质接口连接，可以配置成单端模 式、差分模式和专用模式。其中单端模式是最常使用的接口模式，用于实现收发器与 多种传输媒介的连接，采用差分曼彻斯特编、解码技术来发送及接收数据。 r 硕士论文基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 2 2 4s e r v i c ep i n 引脚 s e r v i c ep i n 引脚在n e u r o n 芯片中非常重要，一般在节点配置、安装和维护时使用。 该引脚具有输入出功能。输入时，一个低电平使n e u r o n 芯片传送一个包括该节点n e u r o n d 的网络管理信息。输出时，会点亮外部的l e d ，l e d 不同的点亮方式代表了n e u r o n 芯片的不同工作状态。 2 3l o n t a l k 协议 l o n t a l k 协议是l o n w o r k s 总线的通信协议，它支持i s o o s i 七层模型，支持灵活编 址，并且单个网络可存在由多种类型通信介质构成的通信信道。l o n t a l k 协议能够有选 择地提供端到端的报文确定、证实和优先级发送，这样来设定有界事务处理时间。能够 通过远程网络管理工具使节点间相互作用，包括网络参数和地址的重新配置、下载应用 程序、报告网络问题以及节点应用程序的起始、终止和复位。 和数据网络协议一样，l o n t a l k 协议是一个分层的以数据包为基础的对等通信协议， 但由于它是用于控制系统，因此采用短帧报文，通常几个到几十个字节，由应用层、寻 址等其他信息组成。l o n t a l k 协议解决所有通信问题的方法是面向对象技术，它使用网 络变量进行通信，能够方便实现l o n m a r k 的互操作性，而且能节省节点的存储空间， 使得控制信息能够在各种介质中可靠传输。 l o n t a l k 协议使用其独有的冲突避免算法来处理网上报文冲突，即“带预测p 坚持 c s m a 算法”。该算法既保留了c s m a 算法的优点，也对它进行了扩展，使它更适用于 控制网络。该算法能够预测网络业务量发送优先级报文且能动态调整时间槽的数目，能 够保证在网络负载较小时，遇到冲突的节点可以尽快把报文重新发送出去；而当网络负 载较重时，时间槽的增加可以有效地降低冲突发生的概率，因而可以保证冲突处理的有 效性【2 7 1 。 2 3 1 寻址方式 l o n t a l k 协议使用了域( d o m a i n ) 地址、子网( s u b n e t ) 地址、节点地址的三层编址方式。 如图2 4 所示。 节点2节点2 图2 4 分层编址示意图 1 2 7 9 3 智能照明系统设计 硕士论文 第一层结构是域。域的结构使得在不同的域中通信彼此独立。例如在同一通信介质 中的节点可以通过赋予不同的域名而执行不同的网络应用而互不干扰。所以域又被称为 虚拟网络。 第二层结构是子网。每个域最多有2 5 5 个子网，子网间用智能路由器实现数据交换。 第三层结构是节点。每个子网最多可以有1 2 7 个节点，所以一个域中最多有3 2 3 8 5 个 节点。任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关，也容许 一个传感器节点将采集到的数据分别发向两个不同的域。 节点也可以被分组，一个分组在一个域中跨越几个子网或通道。在一个域中最多有 2 5 6 个分组，每个分组的需应答服务最多为6 4 个节点，而无应答服务的节点个数不限。 一个节点可以分别属于几个分组去接收数据。分组结构可以使多个节点同时接收一个报 文。 另外，通道并不影响网络的地址结构，域、子网和分组都可以跨越多个通道。 2 3 2 报文服务 l o n t a l k 协议提供了四种类型的的报文服务，其中请求响应由会话层实现，其它三 种都在传输层实现。 ( 1 ) 应答服务( a c k d ) 。应答服务是端到端的应答服务，它是最可靠的服务类型。当 一条消息被发送到一个或多个节点时，发送节点将会等待所有应收到该消息的节点的应 答消息。发送节点会在预定的某个时间溢出后重发该消息。应答服务由网络处理器执行， 其余处理器不必过问。 一 ( 2 ) 请求响应服务。请求响应服务具有和应答服务一样的可靠性，发送方需要接收 到每个接收节点的应答信号。应答信号包括数据，所以该服务类型特别适合于远程过程 调用或客户服务器应用。 ( 3 ) 重发服务。重发服务( u n a c k dr p t ) 又被称为非应答重发服务，它的可靠性较 前二者低。当一个节点发送报文到另一个节点，不需要接收到每一个节点的应答报文， 而采用重发报文的方式。这种方法用于节点较多的广播发送，避免了过多节点响应造成 阻塞。 ( 4 ) 非应答服务。非应答服务( u n a c k d ) 可靠性最差，它既不需要接收接收节点 的应答信号，也不采用重复发送报文的方式，只发一次。它多用于对网络效率要求很高 而网络带宽有限，且对消息的丢失不敏感的应用场合。 2 3 3 通信方式 ( 1 ) 网络变量。网络变量是节点的一个对象，可以连接到多个节点上。每个节点可 以定义多个网络变量。网络变量分为输入和输出两种，一个输出的网络变量可以和其他 节点多个输入网络变量相连，反之亦然。当应用程序改变输出网络变量的值时，n e u r o n 1 0 硕士论文 基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 芯片固件使用l o n t a l k 协议自动在网络上传播该网络变量的新值。节点问实现数据的共 享的方法是连接输出网络变量到输入网络变量。网络变量的传送通过l o n t a l k 协议来完 成的，对用户来说是透明的，大大简化了开发的工作量。 网络变量在大多数情况下是网络通信的一个简单、可靠、快捷的方法，但由于存在 一些限制比如说网络变量的个数，通讯数据的大小( 固定3 1 个字节) 使编程者受到一定 的约束，为此l o n w o r k s 技术又提供了一种更灵活但较为复杂的通信方式一显式报文。 ( 2 ) 显式报文。显式报文属于一种低层通讯方式，实现复杂，功能灵活，其数据长 度可变且最长可以达到2 2 8 个字节。显式消息提供请求响应服务，能够实现远程过程调 用。 节点发送和接收显式报文的单位是报文标签( m e s s a g et a g s ) 。每个节点有一个默认 的输入报文标签m s g。只有在输入和输出报文标签之间建立连接之后，报文才能被发in 送至正确的节点。 由于显式消息数据部分依赖于应用本身，所以不能实现互操作。此外，显式消息实 现节点间数据交换要比网络变量复杂很多，要求编程人员必须深入了解底层知识，例如 分配消息缓存区、节点寻址、请求响应及消息重发、处理等等，并且能够显式地构造、 发送以及接收显式消息。 2 4n e u r o nc 语言 ：n e u r o nc 在标准c 的基础上进行了自然扩展，是一种专门为n e u r o n 芯片设计的编 程语言：它加入了通信、分布数据对象事件调度和i o 功能，支持n e u r o n 芯片的固 化软件，是开发l o n w o r k s 应用的有力工具。 为了满足n e u r o n 芯片作为智能分布控制应用，n e u r o nc 有自己扩展的语法和运行 库。n e u r o nc 的主要功能如下： ( 1 ) 提供网络变量的定义，简化了节点间的数据通信。 ( 2 ) 引入事件驱动的任务调度，定义w h e n 语句，并定义了这些时间的当前时间顺序。 ( 3 ) f o 操作的显式控制，将i o 对象直接映射到处理器。 ( 4 ) 支持显式报文的传递，用于直接对基础的l o n t a l k 协议服务进行访问。 ( 5 ) 提供秒及毫秒级软件定时器对象，可随意进行用户任务的激发。 以下将对事件驱动、i o 对象说明、定时器对象作详细介绍。 2 4 1 事件驱动( e v e n td r i v e n ) n e u r o n 芯片以事件驱动方式进行任务的调度：当一个给定的条件变为真时，便执行 与该条件相关联的代码( 任务t a s k ) 。编程人员可以定义任务用作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。也可以指定某些任务的优 3 智能照明系统设计 硕士论文 先级，以便它们得到优先服务。 事件通过w h e n 语句来定义，一个w h e n 语句包含一个表达式，当表达式为真是， 则表达式后面的代码被执行。以下是个简单的w h e n 语句，其功能是时间耗尽时执行 关闭l e d 的任务。 w h e n ( t i m e r _ e x p i r e s ( 1 e d _ t i m e r ) ) w h e n 子句 i o _ o u t ( i o _ l e d ，o f f ) , 关闭l e d ) 调度程序对于一组w h e n 子句的判断过程是一个循环往复的过程：调度程序会判断 每个w h e n 子句，如果某个w h e n 子句是真，执行相关任务，否则调度程序将对下一个 w h e n 子句进行判断。到最后一个w h e n 子句判断结束，调度程序返回到顶部再对这一组 子句重复刚才的判断。 2 4 2i o 对象说明 为实现n e u r o n 芯片和i o 设备间的数据传送，应首先定义i o 对象。要完成输入 输出，就要使用内嵌i o 函数i o _ i n o 、i o o u t o 、i o s e t d i r e c t i o n 0 、i o _ s e l e e t 、i o _ c h a n g e _ i n i t 0 和i os e tc l o c k 。i 0 对象也可以链接n e u r o nc 事件，因为i 0 的改变往往影响任务调度。 与i o 相关的事件有i o _ c h a n g e s 、i o _ u p d a t a _ o c e u r s 。 定义一个i 0 对象要对两部分进行定义，一是要定义要进行的是输入或输出i 0 操 作以及使用的i 0 端口，二是要建立i 0 名字和硬件的联系。定义的一般语法是： p i nt y p ei o o b j e c t - n a m e ； 其中p i n 指定1 0 0 1 0 1 0 引脚中的任意一个，t y p e 制定i o 对象的类型，i o o b j e c t - n a m e 为i o 对象名。 2 5l o n w o r k s 开发工具 e c h e l o n 公司在发展c 语言的同时，又为系统的设计和开发提供了一系列辅助工具。 其中常用的包括用于节点设计的n o d e b u i l d e r 软、硬件开发工具，网络集成工具 l o n m a k e l 。 2 5 1n o d e b u i l d e r 节点开发工具 n o d e b u i l d e r 是开发基于n e u r o n 芯片智能收发器的软硬件平台。它包括以下程序开 发工具： ( 1 ) n o d e b u i l d e r 代码向导：使用简单的拖拉方式来自动生成操作设备接口的n e u r o n c 代码，从而定义设备的网络接口。 ( 2 ) 用于建立n e u r o nc 源文件的集成化文本编辑器。 1 硕士论文 基于l o n w o r k s 的智能照明系统设计 ( 3 ) 建立n e u r o n 存储映象的n e u r o nc 编译器和链接器。 ( 4 ) 可在源级调试n e u r o nc 应用程序的n e u r o nc 调试程序。 ( 5 ) 设备定义和用于定义、建立、加载、控制l o n w o r k s 设备的控制工具。 n o d e b u i l d e r 硬件构成如图2 5 所示，它包括上位机p c 、p c n s sp c 接口卡、l t m 1o 节点模块和m o t o r o l ag i z m o 板。 l t m 1 0 模块 p c 机 p c n s s i 接口卡 c r i z i i l o 板 图2 5n o d e b u i l d e r 硬件构成 ( 1 ) p c 机：安装了w i n d o w s 操作系统的p c 机，作为l o n w o r k s 网络上基于主机的 节点，并安装n o d e b u i l d e r 软件环境。 ( 2 ) p c n s sp c 接口卡：是用来安装、监视、控制l o n w o r k s 设备的i s a 总线p c 接 口卡，由n s s 1 0 网络服务器模块和两个s m xl o n w o r k s 收发器构成。 ( 3 ) l t m 1 0 节点模块：包括一个n e u r o n 芯片、片上存储器、晶振和特有的n e u r o n 芯片固件。用户可以首先在l t m 一1 0 节点上测试应用程序，再移到硬件上。 “) m o t o r o l ag i z m o 板：是一个众多i o 设备的集合，使用g i z m o 板和l t m 10 模块 可以进行l o n w o r k s 应用节点样机设计。 ， 2 5 2l o n l v l a k e r 网络集成工具 网络集成工具l o n m a k e r 是进行设计、安装、维护的开放、可互