（计算机应用技术专业论文）基于lonworks技术的网络家电控制器研究.pdf

摘要 摘要 进入2 1 世纪，科技发展以人为本，电子信息技术的发展渗透到人们生活的各 个领域，为人们提供了安全、舒适、便捷的生活环境。网络家电是新兴的家电产 品，除了具有传统的家电功能以外，还具有网络通信的功能。网络家电能够接受 外部信息随之进行相应的功能调整，并能够将自身信息传递给外部世界的监控者， 它具有网络化、智能化的特点。 本文首先介绍了网络家电的功能和开发意义。之后对智能家居网络所采用的 l o i l w o r k s 技术进行了详细说明。本文设计的家电控制器采用8 9 c 5 1 r b 2 单片机做 家电控制内核，采用n e u r o i l 3 1 5 0 芯片作为家电控制器的网络通信部件，以电力线 载波通信芯片s c l l 2 8 作为电力线通信收发器。论文中以家居网络环境设计网络 家电的通信方式，重点解决了网络家电通信中数据通道中的几个关键环节，并给 出了n e u m n 芯片和8 9 c 5 l 单片机的两种串行通信具体设计和电力线收发器设计。 关键词：网络家电；l 0 n 、v o r k s ；s c l l 2 8 ；电力线收发器 至三：鉴兰三兰堡圭兰堡篁兰 a b s t r a c t e m e rt h e 抑e m y - 血s tc e m w i e s ，t h ed e v e l o p 硷mo ft e c h n o k yi sb a s e do nt h e h 岫a i lb e i l l g t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n di n f o m m t i o ni si n u n e r s e dd e 印l yi n o l l r 1 i v i i 玛，i tp r o 、，i d e sc o m 向r t a b l e ，c o r e l l i e m ，s a 诧t yl i v i n ge n “m n r i 帕n t n 咖r k 印p l 曲c e si s1 1 e w 坶盯i s e n 印p l i a n c e ，b e s i d e sl l a v i n gt r a d i t i o m l 觚t i 0 璐，i ta l s oh 嬲 删w o r kc o m m u i l i c a t i o na b i h t y i tc a na c c e p t 嘲e r i o ri 向n n i o i l ，趾d a 由u s t si t s r e l a t i v c 血n c t i o ni i i l i i l c d 面七l y ，南n h c r 瑚r c ，i tc 趾d e l i v e fi n e s 鼢g ea b o mi t s e l ft ot h e o m s i d cs u p c 融n e t w o f k i n g 锄d i n t e l l 培e m i st h cc h a r a c t c r i s t i c so f 咖r k a p p l i a i l c e s a tf i r s t ，t l l i sp a p e ri n t r o d u c e sm ef m l c t i o n 趾ds i g m c a n c eo fd e v e l o pn e t w o r k a p p l i a n c e s e c o n d ，i ti n t m d l l c e sm o r cd 咖i l sa b o ml o i l w o r k st e c h n i q u ew h i c hu s e di i l t h ch e l l i g e mh o i n en e t w o r k t h e a p p l i a n c ec o m r o c ru d 8 9 c 5 lm c ua si t s c o r c ，n e u m n3l5 0c h - p 船c o m i n u n i c a t i o ni n o d u k ，a n dp o w 盯l i n em o d 咖c “p s c l l 2 8a st r a n s c e i v e r t h em a i nr e s e a r c hi nt h e s i si sc o m 埘衄【1 i c a t i o nm c t h o do f n e t w o r ka p p l i a ：n c eu n d e rh o m er 圮t w o r ka n ds o l v e daf b wk e y sl i n ki nt h e 璀帆m r k a p p l i a n c ed a t ap 船s 叫g e t l l i sp a p e ra l s og a v et 、v o k i n d so fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n b e t w e e n8 9 c 5 1 r b 2m c ua n dn e u r o nc h i p ，1 ) 0 w e rl i n e 仃a i l s c e i v e rw a sd e s i g n e dt o o k e ”o r d s ： n ，o r ka p p h a n c e s ；l o n 、 埘- k s ：s c l l 2 8 ；p o w e rl i n e 仃锄s s c e i v e r h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络家电的研究意义 1 1 1 网络家电概述 当今时代，网络基础设施已经遍及全世界，i m e m c t 接入已不仅局限于个人计 算机和工作站，各种电器也可以接入i m e m e t 。这得益于最新的数字与网络技术， 诸如空调、冰箱、电视、洗衣机等许多消费电子设备以及打印机等办公设备都已 成为“网络化”设备，这些设备具有网络功能，能够接受外部信息，随之进行 相应的功能调整，并能够将自身信息传递给外部世界，我们称之为网络家电。网 络家庭已成为公认的下一个网络革命前沿目标，消费电子技术与i n t e m e t 的交叉 结合将会改变人们的生活方式，网络化电器将融入我们未来的生活。随着计算能 力和网络技术的不断进步，全自动化的智能家庭概念已不是可望不可及。不久的 将来，我们生活中的所有电器将能够互联并接入i m e l e t 。 网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改 进的新型家电产品，它具有网络化、智能化等特点。网络家电可以实现互联组成 一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。由此可见， 网络家电技术包括两个层面：首先就是各种家电之间的互连问题，也就是使不同 家电之间能够互相识别，协同工作。第二个层面是解决家电网络与外部网络的通 信，使家庭中的家电网络真正成为外部网络的延伸。要实现家电间互联和信息交 换，就需要解决以下两个重要问题： ( 1 ) 建立描述家电的工作特性的产品模型，使得数据的交换具有特定含义。 ( 2 ) 解决信息传输的网络媒介。在解决网络媒介这一难点中，可选择的方案有： 电力线、无线射频、双绞线、同轴电缆、红外线、光纤。 目前认为比较可行的网络家电包括网络冰箱、网络空调、网络洗衣机、网络 热水器、网络微波炉、网络炊具等。总之，网络家电未来的方向也是充分融合到 家庭网络中去。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 网络家电出现的意义 ( 1 ) 节能与环保。2 0 0 4 年以来在各大城市频频上演的拉闸限电以及近年来频 频爆发的各种自然灾害，以及水资源的减少和水费的提高，使节能和环保的话题 变得空前真实和贴近。节能和环保，已经不只是一句促销的口号。 随着居民生活水平的提高，居民生活用电量已接近甚至超过工业用电，但 是居民生活用电和工业用电的周期性，导致在用电高峰期需要的电量可能超过 电网的最大供给。如果按照最大用电量来配置发电和输配电系统和设备，则必然 在用电低谷时，造成多余的电量损失和设备闲置。因此，当采用分时段的计费方 式时，家用电器能够根据当前的用电区段，有选择地执行某些功能，而推迟另一 些功能的执行对家用电器的智能化水平提出了更高的要求1 。 ( 2 ) 实现了家用电器的远距离监控。家电厂商可以通过互联网在世界上的任何 地点，任何时间对上网家电进行远程故障诊断和监护。 例如，家中的空调，用户在办公室或在回家的路上只要打开具有上网功能 的手机，拨通家中的网络号码即可打开空调，调到合适的温度，当你回家时就 会有一个舒适的环境。 ( 3 ) 实现了家用电器的远距离诊断与自适应控制。家用电器制造商的服务中 心以一定的周期自动地检查电器，对家电的使用环境及故障情况，进行自学习和 自判别。例如监测电冰箱的各项工作指标，通过压缩机上的振动传感器随时掌握 电冰箱压缩机的工作情况。在得到即将出现故障的信号时就可以对其进行智能诊 断，并自动对其进行处理。还可通过对家电使用环境的自学习，自动生成自适应 算法，对原算法进行刷新，使家电具有自适应控制能力。 总之，网络电器将全面改变人们的生活方式，为人类创造更舒适、便利、安 全、充满乐趣的家居环境。网络电器的出现将是电器行业的一场革命，这场革命 将重组新的秩序，为整个行业带来更多的机遇。 1 1 3 国内外研究现状 1 国外 第一章绪论 s h a r p 、t o s h i b a 、h i t a c h i 、p a n a s o n i c 等日本家电大厂与东京电力公司，于 1 9 9 7 年1 2 月在日本政府支持下，成立了e c h o n e t ( e n e r g yc o n s e r v a t i o na n d h 0 m e c a r e n e t w o r k ) 协会，主要目标是开发一标准化的家庭网络标准规格，并应 用至家庭能源管理、居家医疗保健等服务上。日本主要家电大厂各自制定了网络 家电发展战略，开发出多种支持e c h o n e t 的网络家电，并进一步联合开发网络家 电的核心技术 ire ady ，确保不同品牌间的网络家电可以相互连接。“。 2 0 0 0 年，l g 就推出了全球第一台通过互联网连接的“互联网冰箱”，到去年年 初，日本三洋宣布开始和国内厂商合作，把智能家电引入中国，其主打概念就是 通过手机、电脑进行远程遥控家电产品。 2 0 0 5 年初，在戛纳，日本最大的电信运营商n t t d o c o m o 在2 0 0 5 年主推的 业务中，其中主要一项就是通过手机远程控制家电，并通过在手机上集成红外线 接口，取代目前家庭中的多种家电遥控器。 国外目前有两家大的网络家电联盟，分别是： 1 ) u o p f ：联盟成员有松下、索尼、n e c 、东芝等。现规模是1 0 家日本电子厂商 和4 家互联网服务商。 2 ) d h w g ( 数字家庭联盟) ：联盟成员有索尼、英特尔、微软、飞利浦等。 2 国内 早在2 0 0 0 年，海尔就推出了网络家电，主要包括微波炉、空调、洗衣机和 冰箱。之后有科龙集团研制的智能网络家居系统；海信的智能家居控制系统；卓 越3 0 0 0 的家用电器智能控制等。目前国内也有两个网络家电联盟，分别是： 1 ) 闪联：联盟成员包括海尔、网通、清华同方、上广电、春兰、长城、上海贝 岭。发起厂家：海信、联想、康佳、长城、t c l 。现规模2 3 家 2 ) e 家佳：联盟成员包括海尔、网通、清华同方、上广电、春兰、长城。发起 厂家是海尔，现规模7 家。 1 2l o n w o r k s 技术与电力线通信 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 1l o n w o 水s 控制网络 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。 它具有网络协议开放，组网方式灵活，开发方便等优点，已被广泛用于楼宇控制， 工业过程控制，家庭自动化等众多领域。选择l o n w o r k s 作为智能住宅的开发技 术主要基于它的如下特点： 1 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，它符合未来智能住宅的布线要求。对于电脑、打印机、扫描仪等数字设备， 我们可以保持其原先的双绞线系统，而对于智能家电我们则使用电力线系统，这 样做有以下好处： ( 1 ) 可以避免重新布线，不需要将家电重新布置，保持房间原来面貌。 ( 2 ) 电力网是家庭内部最普遍存在的资源，使用它避免了额外的布线费用， 具有经济可行性。 ( 3 ) 支持即插即用的形式，方便了用户。 另外，还可以根据用户的要求使用无线、红外线等布线方案，真正的满足了 用户的要求。 2 l o i l _ 、o r k s 支持星形、总线形、环形和自由形等拓扑形式，可根据建筑物 的结构而使用不同的连接方式。可最大限度的降低布线系统的复杂性和工作量， 提高系统的可靠性和可维护性。 3 l o n w o r k s 是无主站点对点的网络，系统具有一定的健壮性。其任何一个 节点的故障不会导致系统瘫痪，整个系统便于维护，稳定性极高。 4 网络结构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i p 网的远程调试。 5 n e u m n 芯片内置现成的i o 对象，l o n t a l k 协议，使用高级语言州e l l r o n c ) 编程，其网络通信采用了面向对象的设计方法，应用程序无需花太多的时间去 考虑通信部分的繁琐编程，降低了编程的难度，缩短了开发周期。 4 第一章绪论 6 l o 、v o r k s 的各网络节点之间使用逻辑连接，这使得系统中节点的增加、 和删减都变得相对较容易，便于系统的扩充和调整。 7 家庭控制网络与其它的网络不同，其信道上传输的信息具有突发性f 例如 在中午或晚上用户相对较多，网络信息量较大。而l o n w 0 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 mc s m a ) 使得在网络超载时仍保持很高的吞吐量，网络延迟较小【2 9 】【3 0 】。 1 2 2 电力线载波通信 电力线载波通信技术并不是一项新兴技术，只是多年以来一直被电力公司用 作电网控制管理的工具，而如何进一步将其用于家庭，为更多的人提供便利的通 信手段，一直是人们努力的目标。把电力线通信技术、网络、微控制器相结合， 是在现有基础上推进家庭自动化的最现实途径。以电力线为物理媒介，把分布在 住宅各个角落的家用电器、微控制器和家用p c 机连接成一个网络。其电力线和 信号线合一以及无须布设信号线的优点，对现有家电的改造是非常便利的。而且 家电的通信信息量小，这使得通信速率较慢的电力线载波技术得到发展的空间。 除了家庭，它还可作为智能大楼的后备网络。 自从e c h e l o n 公司于1 9 9 2 年推出第一代电力线收发器产品以来，电力线收 发器已经在商业、住宅小区、楼宇、家庭和交通运输等领域中得到广泛的应用。 并于2 0 0 0 年被美国国家标准化协会正式确定为控制网络电力线( p l ) 信道规范 a n s i ，e i a7 0 9 2 a 一2 0 0 0 。 1 3 课题的研究内容和方法 1 3 1 课题的研究内容 本课题为：l o n w b r k s 智能家居网络中家电控制器的研究。其主要研究内容 如下： ( 1 ) n e u r o n 3 1 5 0 芯片和网络家电控制器的信号传输。 ( 2 ) 具有通用模块功能的家电控制器开发。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 电力线通信家居网络的布线、安装和组网。 ( 4 ) 家居网络系统的人机交互界面，通过浏览器实现对网络家电的远程访问 与控制。 ( 5 ) 实现家居网络无缝扩展及接口功能。 1 3 2 课题的研究方法 本课题的研究方法为：采用低压电力线构成家庭内部网，网络协议采用 l o n t a l l ( 协议，每个家电控制器都是l o n 网上的一个节点，控制器由通信模块和 各种控制功能模块构成。 目前，基于l o n w o r l 【s 技术的成功应用在国内已经有很多，但是l o n w o r k s 硬件高昂的价格难以应用于家用电器。国内智源利和公司开发的s c l l 2 8 电力线 收发器，价格具有优势，本次设计采用l o i i 、o r i 岱协议与s c l l 2 8 电力线收发器 相结合，开发出一种新型的网络家电控制器，应用于家电中，从而实现家用电器 “即插即用”的功能。 根据目前实验室现有的硬件设备条件和研究的理论基础，本课题拟实现以下 几个方面的目标： 组建一个小型的智能家居系统，该系统中必须至少有两个以上的，位于不同 地址的智能家庭子网络构成，每一个家庭子网络中必须有至少3 个以上的智能家 电节点，开发一整套的网络系统管理软件，实现家电节点的智能控制和节点相互 之间的互操作，允许通过互联网对网络家电节点进行远程访问、控制和必要的故 障诊断及维护。 6 第二章l w o r k s 技术与应用 第二章l o n w o r k s 技术与应用 2 1l o n w o r k s 技术概述 l o n w o r k s 作为一种新的现场总线技术，是由美国e c h c l o n 公司在1 9 9 1 年推出的，它提供了一个开放性很强的、无专利权的底层通信网络局部操作 网络( l o n ) 。与当前己有的几种现场总线技术( c a n ，p i f i b u s ，h a r t ，f f 现场 总线等) 相比，l o n 网以其特有的突出特点：统一性、开发性以及互操作性，成 为实际上的现场总线推荐标准。它的问世很快被世界各国所确认和广泛应用。我 国国内许多的制造业的群控系统、电力系统均有开发的l o n w j r k s 产品上市。它 主要用新一代现场总线控制系统( f c s ) 代替传统的集散控制系统( d c s ) 实现现场 通信网络与控制系统的集成。它是计算机技术、通信技术和控制技术的学科综合。 它的出现使传统的自动控制系统在体系结构、设计方法、安装调试方法等发生了 革命性变革。 l o n w o r k s 技术的特点如下： ( 1 ) 开放性：网络协议开放，对任何用户平等。 ( 2 ) 通信媒介：可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，而且在同一网络中可以有多种通信媒介。 ( 3 ) 互操作性：l o n w 0 r k s 通信协议l o n l k 是符合国际标准化组织( i s o ) 定义 的开放互连( o s i ) 模型。任何制造商的产品都可以实现互操作。 ( 4 ) 网络结构：可以是主从式、对等式或客户朋艮务式结构。 ( 5 ) 网络拓扑：有星形、总线型、环形以及自由形。 ( 6 ) 网络通信采用面向对象的设计方法。l o n w 0 r k s 网络技术称之为“网络变 量”，它使网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。 ( 7 ) 通信的每帧有效字节数可从o 到2 2 8 个字节。 ( 8 ) 通信速率可达1 2 5 m b s ，此时有效距离为1 3 0 m ；7 8 k b ，s 的双绞线，直线通信 距离长达2 7 0 0 m 0 ( 9 ) l o n w 0 r k s 网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达3 2 0 0 0 个。 7 ( 1 0 ) 提供强有力的开发工具平台- l o i l b u n d e r 与n o d e b u 丑d e r 。 ( 1 1 ) l 0 1 娟d r j 岱技术核心元件n e u m n 芯片内部装有3 个8 位微处理器( r a m r o m ，e 2 p r o m ) 3 4 种i o 对象和定时器计数器等，还有l o n t a u ( 通信协议。 n e u m n 芯片具备通信和控制功能。 ( 1 2 ) 改善了c s m a ，采用可预测p 坚持c s m a ，这样，在网络负载很重的情况 下，不会导致网络瘫痪。 ( 1 3 ) 分布式处理：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，而不依赖于计算机、p l c 或其它形式的中央处理器【3 0 1 。 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。它的个显著特点是：既能管理 通信，同时又具有输入输出和控制功能。芯片内部有三个八位的微处理器：m a c p m c e 船o “媒体访问控制处理器) 、n e t w o r kp r o c e s s o r ( 网络处理器) 和 a p p l i c a t i o n p m c e s s o r ( 应用处理器) 【”。 图2 1 神经元芯片处理器和存储器 f i g l l r e2 1c p u a n dm e i n 0 搿o f n e u r o nc h i p 如图2 1 所示，c p u l 是介质访问控制处理器，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m a c 算法。c p u1 和c p u 2 用共享 存储区中的网络缓存区进行通信，正确地对网上报文进行编解码。c p u 2 是网络 第二章l 舢w o r k s 技术与应用 处理器，它实现l o n t a l k 协议的第3 到第6 层，包括处理网络变量、寻址、事务 处理、权限认证、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等。同时还控制网络 通讯端口，物理地发送和接受数据包。该处理器用共享存储区中的网络缓存区与 c p u l 通信，应用缓存区与c p u 3 通信。c p u 3 是应用处理器，它执行用户编写 的代码以及用户调用的操作系统命令。 神经芯片有两种型号：3 1 5 0 系列和3 1 2 0 系列。它们的区别在于3 1 5 0 系列 可以扩展外部存储空间( 有地址线a 0 a 1 5 ) ，而3 1 2 0 系列则只有片内固定的内 存空间( 无地址线) 。由于3 1 5 0 系列为用户留下了更为广阔的创造空间，能够满 足用户写入更周全和复杂的控制程序，具有更广泛的用户群。本课题采用m o t o r l a 公司的m c l 4 3 1 5 0 芯片。n e u m n 芯片构成方框图见图2 2 。3 1 5 0 芯片主要引脚 的功能参见其用户手册，其中本次设计中用到了n e u r o n 芯片的5 个通信端口和1 1 个i o 端口。 图2 2n e u r o n 芯片方框图 f i g l l 】陀2 - 2b l o c kd i a g r a mo f n e u r o nc h i p 3 1 5 0 n e u m n 芯片扩展存储器的连接方式如图2 ，3 所示，图中的两个低电平有效 输入与非门可以用逻辑功能与电气特性相同的7 4 f 3 2 或门代替。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 3 存储器扩展电路图 f j g u r e 2 3c i r c u i to f e ) ( t e n d e dm e r n o r y n e u m n 芯片拥有一多功能的通信端口，它有5 个引脚可以配置与多种传输 媒介接口( 网络收发器) 相连接，且可实现较宽范围的传输速率。它有三种工作方 式，分别是单端、差分及专用工作方式。表2 1 是与每种工作方式对应的引脚定 义。 表2 一l 通信端口引脚定义 t a b l e2 1p i i l so f c o 瑚m u i l i c a t i o p o r t 引脚单端工作方式差分工作方式专用工作方式 c p 0 数据入+ 数据入r x 入 c p l 数据出一数据入t x 出 c p 2 发送使能+ 数据出比特钟输出 c p 3 休眠输出，低有效+ 数据出休眠出或唤醒输入 c p 4 冲突检测输入，低有效冲突检测输入帧时钟输出 对单端、差分工作方式使用差分曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码所提供 的数据格式使得数据可在多种媒介中传送。此外，差分曼彻斯特编码对信号的极 性不敏感，所以通信链路中的极性变化不会影响数据的接收。单端工作方式是最 常用的工作方式，用于实现收发器与多种传输媒介的连接，例如构成自由拓扑结 构的双绞线、射频、电力线、光纤以及同轴电缆网络。 i o 第二章l 叩w l ( s 技术与应用 2 3l o n l a l k 协议 2 3 1 概述 l o w o r l 【s 协议称为l o n t a l l ( 协议和a n s i e i a 7 0 9 1 控制网络标准，是 l o n w o r l ( s 系统的核心。l o n 附k 协议符合i s o o s i 参考模型的七层体系结构，是 一个分层的，基于数据包的对等通信协议。像e t h e m e t 网络和i m e 圮t 协议一样， 它是一个公认的标准并遵循o s i 模型分层规则。为了确保满足控制网络的可靠和 鲁棒的通信标准，l o r l t a ( 为控制应用提供了一个高可靠、高性能、抗干扰性强 的通信机制。“1 。 表2 2 给出了七层o s i 参考模型的l o i l t h l k 协议各层提供的服务 表2 2l o n t a l k 协议各层功能 m l b k2 2l o n t a 】l 【p r o t o c o ll a y e r s 层次o s i 层次服务l 0 n 提供的服务处理器 7 应用层网络应用标准网络类型应用c p u 6 表示层数据表示网络变量，外部帧传输网络c p u 5 会话层远程遥控请求，响应，认证，网络网络c p u 管理 4 传输层 端对端可靠应答，非应答。点对点 网络c p u 传输及双重检查 3 网络层传输分层地址，路由网络c p u 2 链路层链路层帧结构帧结构，数据解码，c r c网络c p u 错误检查 m a c 介质访问可预测c s m a ，冲突避 m a c 处理器 子层免，优先级 1 物理层连接介质，电气接口m a c 处理器 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 2 物理信道 l o n t a 墩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l o i l w o r l ( s 节点都需要物理地连 接到信道( c h a l l 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，路由器有四种不同的安装算法；配置路由器 ( c o 曲g u r e d r o u t 哪、自学习路由器( l c a r n 吨r 0 l i t e r ) 、网桥( b 谢g e ) 和中继器 ( r e p e a t e r ) 。可以任选一种算法来安装路由器。 由网桥或中继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，从而增加容量 和可靠性。 2 3 3l o n w o r k 协议的网络地址结构 l o n t a 】l 【地址唯一地确定了l o n 付k 数据包的源节点和目的节点r 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 i l l ) 、子网( s u b n e t ) 和节点( n o d e ) 。 第一层结构是域。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。 n e u m 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域之间的网关( g a t e w a y ) 。域i d 可配置为0 ，l ，3 或6 个 字节。使用较短的域i d 可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。 第二层结构是子网。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。一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，有一种子网层的智能路由器产品可以实现子网间的数据交换。在 一个子网内的所有节点必须位于相同的段上。子网不能跨越智能路由器。若将一 第二章【m w o r h 技术与应用 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。 第三层结构是节点。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。 节点也可以被分组q m u p ) ，一个分组在一个域中跨越几个子网，或几个信道。 在一个域中最多有2 5 6 个分组，每一个分组对于需要应答服务最多有“个节点， 而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。网络地址结构如图2 4 所示： 节点 图2 4 分层编址示意图 f i g u r e2 4m a po f a d d r e s ss t m c t u r e 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。 2 4n e u r o nc 语言 n e u r o nc 是专门为n e u r o n 芯片设计的编程语言。它是从a n s ic 中派生出来的， 并对a n s ic 进行了增删。对a n s ic 的扩展直接支持n e u r o n 芯片的固件，使之 成为开发l o n w o r k s 应用的强有力工具。 它的一些主要功能如下： ( 1 ) 一个新的对象类网络变量n v ( n e t w o r k i a b l e s ) ，它简化了节点问 的数据共享。 ( 2 ) 一个新的语句类型w h e n 语句，它引入了事件( e v e n t s ) 并定义了这些 事件的当前时间顺序。 南直 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) i o 操作的显式控制，通过i o 对象( o 场e c t s ) 的说明，使n e o n 芯片的多 功能i 0 得以实现。 ( 4 ) 支持显式报文，用于直接访问基础的l o i l t a ( 协议服务。 n e u m nc 为分布式的l o n w 0 r k s 环境提供了特定的对象集合及访问这些 对象的内部( b u i l d 砷函数，允许程序员生成高效的分布式l o n w o r k s 应用的 代码。 ( 5 ) i 0 对象 n e i l r o nc 语言利用3 4 个预编程的i o 对象来实现有效的测量、计时和控制 应用的不同操作模式。通过将n e u m n 芯片的1 1 个i 0 管脚( 1 0 0 1 0 l o ) 定义为不 同的i o 对象，可以提供n e u r o n 芯片灵活支持不同的输入输出设备的能力。在一 个程序中，一个或多个i o 管脚可以被定义成不同的i 0 对象，程序自动完成相 应的输入输出操作。 2 4 1 网络变量 l o n w o r k s 网络中的节点是通过网络变量n v ( n e t w o r k 、缸曲l c ) 来相互联 系，完成通信功能的。不同节点中具有相同数据类型的网络变量通过捆绑( b i n d i i 培) 方式，可以实现节点问“自动”的信息传递。当一个网络变量在一个节点的应用 程序中被赋值后，这个值就会“自动”发送到这个网络中其它被赋值为接收这一 数据的节点中。一个节点通过一个在该节点被定义为输出的网络变量，和与其具 有同一类型的被定义为输入的网络变量的其它所有节点，进行潜在的隐式报文通 信。 为了提高互操作性，l o n t a 墩协议引入了标准网络变量s n v t s ( s t a n d a r d n e t w o r k i a b l et y p e s ) 的概念。s n v t s 是一组与度量单位( 如摄氏温度、电压v 、 长度响有关的预定义的类型集，被定义为同一种卧t s 的变量具有相同的数据 结构，可以直接交换信息。l o n t a u ( 协议可支持多达2 5 5 种s n v t s 。 1 4 第二章l 加w o r k s 技术与应用 2 4 2 任务调度 为了提高系统的实时性，n e u r o n c 语言引入了一个内部多任务调度程序。抛 弃了a n s ic 中程序顺序执行的方式，而以事件驱动的方式调度程序的执行。任 务调度程序允许程序员以自然的方式，来表达逻辑上并行的事件驱动的任务，同 时控制这些任务的优先级。调度程序响应在应用程序w h e n 语句中说明的事件或 条件，执行用户定义的任务。 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 5 所示。 图2 5 n e u m n c 调度环 f 追u r e2 - 5s h e d u l i n gc i r c l eo f n e u r o nc 事件是通过w h e n 语句来定义的，一个w h c 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。 n e u r o nc 中预先定义了一些事件( e v e n t s ) 用来描述系统或对象的行为。 事件可分为以下五类： 系统事件：如r c s c t ，0 n l i n e 输入输出事件：如i 0 - o u t _ r e a d y ，i o _ c h a n g e s 报文和网络变量事件，如1 a g a r r i 、s ，r w p d a t 9 _ o c c u r s 广东工业大学工学硕士学位论文 定时器事件：如t i m e l e 冲沁s 用户说明事件：用户说明的表达式，用于判断为真还是为假。 2 4 3 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 m n c 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 现远程过程调用。显式报文是实现节点之间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( m e s s a g et a g s ) 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。报文发送有四种服务：a c k d ，u n a c k d ，u n a c k d r p t r e o u e s t 。 2 4 4r u n _ t i m e 运行库 n e i l r o nc 语言中扩展了一个r u n t i n l e 函数库，调用它可以实现事件检查、 i ，o 活动的管理、通过网络接收和发送报文，以及控制n e u r o n 芯片的各种功能。 增加的库函数共分为三类： ( 1 ) 杂函数：执行控制，如d e l a y ， 网络管理控制，a c c e s s a d d r e s s ， ( 2 ) 实函数：如b i n 2 b c d ， ( 3 ) 输入输出函数如i oo u t ， 2 5l n s 技术 2 5 1l n s 概述 l n s ( l o n w o r k sn e t w o r ks e r v i c e ) 是e c h e l o n 公司新开发出来的l o n 总线的开 发工具，它提供给用户一个强大的客户服务器网络构架，是未来l o n 总线的客 1 6 第二章【棚w o r k s 技术与应用 户操作性基础。使用l n s 提供的网络服务，可以保证从不同网络服务器上提供的 网络管理工具能一起执行网络安装、网络维护和网络监测：众多的客户则可以同 时申请这些服务器所提供的网络服务o “。 l n s 为所有需要与l o r l w o r i 【s 网络相互作用的应用程序提供基本目录、管理、 监视和控制等服务，以确保各个应用程序可以不问断的观察网络而且保持同步。 这种特性使那些无论是运行同一主机或不同主机上的软件组件，都可以进行互 操作。比如，用户可以在不限量的用户界面上操作系统级的监视和控制，而且可 以和网络的配置保持同步，维护工程师可以在网络上的任意点访问所有的网络 和网络服务。 l n s 具有以下优点：减少网络安装时间与费用、简化系统集成、增强数据 访问能力、透明的i p 网络通信能力。 2 5 2d d e 技术 l o i l 、o r k s 依据自身所独有的l o n t a l k 协议进行通信，网络信息以网络变量、 配置属性及消息的形式传输，与其他应用无法兼容。为了实现l o n w o r k s 系统与 其他应用的通信，我们必须借助d d e ( d y n 锄i cd a t ae x c l l a n g e ，动态数字交换) 作为转换的桥梁。 d d e 定义了w i i l d o w s 应用程序之间分享数据的标准方式，它依靠d d e 协议 来工作。d d e 协议是一种开放的与语言无关的基于消息的协议。它允许w 访d o w s 应用程序之间以任何人为约定的格式交换数据和命令。利用d d e ，在w m d o 邢环 境下，可以在多个应用程序之间以c l i e 州s e v e r 方式建立起一条动态链接链路， 将一种应用程序中的数据动态地连接到另一种应用程序中，使得完全不同的两种 应用程序可以进行通信交换数据。当原始数据发生变化时，还可自动更换连接的 数据，以实现不同应用程序中数据的动态更新。应用之间利用d d e 交换数据的 过程称为对话( c o n v e r s a t i o n ) ，每一次对话都有一个事先定义的开始、中间过 程及结束。每一次对话有两个应用参与：客户和服务器。客户负责初始化与服务 器的对话以控制对话流，而服务器则负责响应客户的请求。 在l o n 、v o r k s 网络中，实现d d e 功能的工具是l ，n s ( l o r l w o r k sn e ts r v i c e l 广东工业大学工学硕士学位论文 d d es e “e r ( l n sd d e 服务器) 。d d es e r v e r 是l o i l _ w o r l 【s 设备与w i n d o w s 客 户应用交换网络变量、配置属性及信息数据。利用d d es e r v e r ，任何充当d d e 客 户的w i n d o w s 应用都能监控l o n w o r k s 网络，它可以观察网络变量的值、配置属 性和应用信息同时也可以通过改变它们的值来影响网络操作。d d es e n ，e r 提供 以下服务： 初始化( i n “i a t e ) 、终止( t e m 血a t e ) 、请求( r e q u e s t ) 、通告( a d v i s e ) 、 存数( p o k i l l g ) 、执行( e x e c u t e ) 。图2 6 描述了l n sd d es e e r 在l o m v o r k s 网 络中的应用1 。 l 客户应用i l 客户应用l w i n d o w s 毒害 i l n sd d es e v e r l l i d o s l 网络驱动器 l 1r i ll n s 数据库lll o n w o r k s 网络接口l l 图2 6l n sd d es e v c r 工作原理图 f i g u r e2 - 6w d r k i i l gt h e o r yo f l n sd d e s e v c r 2 5 3 利用l n s 网络操作系统支持t c p ，i p 由于信息技术的迅猛发展，互联网已经变成了日常生活中的一部分，也是很 重要的一个资源。除了运用双绞线或电力线来运作设备管理系统以外，实现对设 备的远程管理也是一个重要的课题。除此以外如果系统的主干线是i p 的话可将 其它的电脑终端设备接入，最终将数据汇聚到了数据网，从而形成了统一的网络。 这样，高层的系统可以处理所有的系统比如：计帐付费、求助、客户服务、网络 管理等等。l o n w 0 r k s 的设备网络已经实现了与i p 网络的无缝连接。这个主 要归功于l n s 网络管理操作系统。控制网与其他任何网络一样，必须有一个网 第二章l w o r k s 技术与应用 络管理的平台在这个网络管理平台的基础上可实现网络安装、配置、修理、更换、 监测和控制。这个管理平台同时支持通过因特网建立无缝的、标准化的e i a 7 0 9 1 ( l o i l t a l k ) 数据包的数据选择。具体的e i a 7 0 9 1 ( l o n t a l k ) 至i p 的路由器硬件设备 ( i l o n1 0 0 0 ) 亦已经得到c i s c o 公司n e t w b r k s t m 计划认证。正因为有了l n s 网络管理，因而才能形成端到端的完整解决方