（计算机应用技术专业论文）联网型智能小区防盗报警系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着信息时代来临，智能建筑进入高速发展时期，智能小区防盗报警系统 作为小区智能化系统中的子系统之一，同样承载着智能建筑所面临的挑战与机 遇。针对居住的环境不同，用户对于防盗报警系统的要求也不是一成不变的。 弩能小区防盗报警系统既要易于使用、安装和维护，又要有利于扩展和升级， ；! 要考虑与其他系统的集成和信息共享，关注计算机、通信技术的发展对系统 + 学来的影响。 传统的智能小区防盗报警系统是基于电话线的联网报警系统，响应时间 慢、使用和维护成本高、安全和稳定性依赖于电话网的安全和稳定性，系统的 独立性较差。总线制报警系统通过小区内的局域总线作为物理网络，彻底摆脱 电话线制的局限，有开放性、独立性、扩展性、高效性和经济性等特点。 本文设计并实现了一个能与i n t e m e t 互连的，基于r s 4 8 5 总线制联网的智 能小区防盗报警系统，介绍了系统的组成、系统结构，分析了现场总线的技术 特点。通过分析比较几种方案，系统采用r s 4 8 5 现场总线的连接方案，分配了 上位机、下位机的功能，确定了上位机与下位机的通信协议，并讨论了系统与 i n t e m e t 的连接模式。详述了上位机软件的功能、模块及数据的组织，描述了主 程序流程和与下位机通信的流程。介绍了软件的编程实现技术，简单说明了提 高系统可靠性的措施。 关键词：智能小区，防盗，报警，r s 4 8 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t l lt h ei n f o r m a t i o ne r ac o m i n gn e a r , t h ei n t e l l e c t u a lb u i l d i n g sb e g i nt o d e v e l o p a tv e r yf a s ts p e e d a sa s u b - s y s t e mo f t h e i n t e l l e c t u a ls y s t e m ，t h ei n t e l l i g e n t r e s i d e n c es e c u r i t yg u a r da g a i n s tt h e f ta n d a l a r m s y s t e mi sf a c e dw i t h t h es a m e c h a l l e n g e s a n do p p o r t u n i t i e sa st h ei n t e l l e c t u a lb u i l d i n g sd o w i t hc u s t o m e r s d e m a n d sc h a n g i n gq u i c k l y , t h ea l a r ms y s t e md e s i g ns h o u l dp a ya t t e n t i o n t ot h e i n f l u e n c e sb r o u g h ta b o u tb yt h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a ne x c e l l e n ts u c hs y s t e m s h o u l db ee a s i l ya p p l i c a b l e ，m a i n t a i n a b l ea n d u p d a t a b l e f u r t h e rm o r e ，i t s h o u l dh a v et h e a b i l i t y t ob ei n t e g r a t e da n ds h a r e i n f o r m a t i o nw i t ho t h e rs y s t e m s t r a d i t i o n a li n t e l l i g e n tr e s i d e n c eg u a r d a g a i n s tt h e f ta n d a l a r m s y s t e m i sa i l a l a r ms y s t e mo nt h eb a s i so f t e l e p h o n el i n e s ，w h i c hh a sal o n gr e s p o n s et i m e ，h i f g h a p p l i c a t i o na n dm a i n t e n a n c e c o s ta n dl o wi n d e p e n d e n c ew i t ht h e s e c u r i t ya n d s t a b i l i t yl e v e ld e p e n d i n go n t h a to f t e l e p h o n en e t w o r k s t h ef l e l d b u sa l a r ms y s t e m w h i c hi sf r e ef r o mt h er e s t r i c t i o no f t e l e p h o n el i n ew i t ht h el o c a lf i e l d b u sw o r k i n g 弱t h e p h y s i c a ln e t w o r k ，i so p e n ，i n d e p e n d e n t , u p d a t a b l e ，p o w e r 如la n de c o n o m i c a l t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sa ni n t e l l i g e n tr e s i d e n c eg u a r da g a i n s t t h e f ta n da l a r ms y s t e m ，am a s t e r - s l a v e r yr s 4 8 5n e t w o r kc o n n e c t e dw i t hi n t e r a c t t h es t r u c t u r ea n dt h ec o n s t i t u t i o no ft h e s y s t e ma n dt h e s t r u c t u r eo fc o m p u t e r n e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d a n dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o c a l ef i e l d b u sa r e a n a l y z e d b yc o m p a r i n gs e v e r a ls o l u t i o n s ，r s 4 8 5 l o c a l ec o n n e c t i o ns o l u t i o ni s a d o p t e d t oa s s i g nt h ef u n c t i o n so f u p p e rl a y e rc o m p u t e ra n dm i c r o c o m p u t e r - b a s e d l o w e rc o n t r o la n dt od e t e r m i n et h ep r o t o c o l su s e db yu p p e rl a y e r c o m p u t e ra n d m i c r o c o m p u t e r - b a s e dl o w e rc o n t r 0 1 a n dt h ec o n n e c t i o nm o d e 、i 也i n t e r a c ta r e d i s c u s s e d t h es o f t w a r ef u n c t i o n ，m e d i c sa n dd a t ao r g a n i z a t i o no f t h e u p p e rl a y e r c o m p u t e r a r e e x p l a i n e d ，t h ep r o c e s s o fm a i n p r o g r a m a n dt h a t o ft h e c o m m u n i c a t i o nw i t l l u p p e rl a y e rc o m p u t e r a r en a r r a t e d t h e s o f t w a r e p r o g r a m m i n g a n dt h em e a s u r e st oe n h a n c et h e s y s t e ms t a b i l i t ya r ei n t r o d u c e d k e yw o r d ：i n t e l l i g e n tr e s i d e n c e ，g u a r da g a i n s tt h e f t ，a l a r m ，r s 4 8 5 耍童銮望盔堂塑婴壅生堂堡笙塞 蔓! 戛 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 智能建筑面临的机遇与挑战 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、控制技术相结合的产物，具有十分鲜明信息社会的时代特征 也是人类社会进步、生产力发展的必然需求。进入2 1 世纪以来，智能建筑在 我国建筑行业的迅速发展并呈现了巨大的市场潜力，社会、经济效益显著，对 于改造提升传统建筑产业和改善人民生活水平起到了积极作用，为人们提供了 更为安全、舒适、方便、高效的工作与生活环境。智能住宅小区在我国各地发 展较快，在全国城镇每年住宅开发总置4 - 5 亿平方米中占有相当比例，并且以 较快速度增长，已成为智能建筑发展的主要市场。由于智能住宅小区的产品难 以成套引进，促进了国内产品供应商的研发需求，膨胀了智能建筑领域的研发 队伍，各种新产品、新系统层出不穷，争奇斗艳，从而形成了新的智能建筑产 业”。 1 智能建筑发展现状 1 9 9 6 年以来，我国智能建筑取得了较大发展。智能建筑技术在全国范围内 得到推广应用，其对象由宾馆、商务楼向银行、证券、办公、图书馆、博物馆、 展览馆以及住宅( 含住宅小区) 等拓展。智能建筑队伍迅速成长，初步形成了 一支具有一定规模的智能建筑设计、施工力量以及系统集成商和产品供应商。 与此同时，建设部和上海、江苏、陕西、四川等省市先后成立智能建筑专业委 员会及学术研究机构，对智能建筑的发展起到了积极的推动作用。1 9 9 9 年以来， 我国智能建筑技术日趋成熟，各地积累了一定的工程经验，基本上适应了国内 各类建筑对智能化的需求，人们对智能建筑开始注重理性化，对智能建筑有了 更深入的理解，智能建筑的设计也较为注重切合实际，克服了过去贪大求全的 做法。智能建筑技术产品也由过去的封闭状态向开放性、市场化、公平竞争方 面转化，使智能建筑市场全面走向有序的发展轨道。 目前，国外智能建筑发展已处于一个较高水平阶段，具有以下特点，值得 我们借鉴。 西南交通大学硕士研究生学位论文箜兰垂 ( 1 ) 智能建筑充分体现”以人为本”的思想。智能建筑的最终受益者应该 是在其中生活、工作的人。一幢大厦的智能化程度，不能全视其所装设备器材 的先进程度，而主要取决于使用人的需求功能。发达国家的智能建筑发展到今 天，已经不是单纯的高新技术产品的简单合成，而是采用高科技来实现人的需 求，改善和提高人工环境的品质，更好地为人服务。 ( 2 ) 智能建筑是信息产品升级换代和业主自身需求的结合。发达国家智 能建筑的发展完全是二种市场行为的结果、业主行为的结果。政府只是对建筑 物的节能和环保提出要求。而业主完全是根据市场和自身的需求来投资适用的 智能建筑，不会盲目攀比。同样，建筑商或设计公司也不会为标榜自己而设计 建造一幢没有市场需求的智能建筑。 2 主要技术发展趋势及问题 ( 1 ) 控制网的标准化和开放性。这一新趋势必将影响智能建筑的楼宇自 动化技术的发展具有开发性和互操作性的系统，是楼宇设备控制系统的最佳选 择，例如，目前在楼宇控制系统中采用较多的有l o n w o k s 和8 a c n e t 。另值得关 注的是，近来工业以太网的发展已有取代现场总线的趋势，或者浇现场总线的 发展必然向工业以太网靠近，工业以太网因其协议开放两有广泛应用的潜力。 控制网中融入i p 技术也是值得注意的动向。 ( 2 ) 网络宽带化和引入i n t e r n e t 技术。在我国政府部门制定的信息产 业”十五”计划纲要和2 0 1 0 年远景目标框架思路中，提出了：抓紧建设国家信 息产业基础设施，继续建设宽带传输网络，大力发展高速互联网，高度重视信 息资源的开发利用。为了满足日益增长的信息应用以及本身的系统集成和信息 融合的需求，智能建筑信息系统的宽带化是必然的。随着光纤的广泛使用，光 纤到区( 楼) ，光纤到户( 桌面) ，为智能建筑宽带化创造必要的条件。i n t e r n e t 技术，已经渗透到i t 各个领域，智能建筑也不例外，实现i n t e r n e t 接入，进 行本身网站的建设，满足用户访问i n t e r n e t 服务的需求，在i n t e r n e t 上对智 能建筑的某些功能进行远程监控和综合管理等是当前智能建筑信息网发展的 新动向。 ( 3 ) 逐步选用无线通信技术。智能建筑中选用无线通信技术是发展的 趋势，今后若干年，随着i n t e r n e t 的无线访问、无线局域网、无线家居智能 系统( 如蓝牙技术) 等技术的不断成熟，无线通信技术将会在不同建筑中应用。 ( 4 ) 视频传输技术的应用。在数字化社区中视频传输系统包括视频点播 系统( r o d ) 、会议电视系统( m t v ) 、可视电话系统、可视对讲系统以及家庭内 各种视频传输系统，这些视频传输技术在智能建筑宽带网上将会大量使用。在 苴宣銮望盔堂堡主婴壅生堂焦鲨塞 鱼三亘 未来几年之内，计算机网上的多媒体会议系统将大大超过电信网上的会议系 统。 ( 5 ) 系统集成化势在必行。在目前的智能大厦( 小区) 中，实际上已 经存在局域网、电话网、双向有线电视网和控制网四类网络。在信息化的智能 建筑环境中事实上存在着数据、语音、视像和控制四种信息。系统集成与多种 信息融合，有利于优化网络结构、避免功能重复建设、减少投资；有利于资源 集中和信息共享；有利于系统的科学管理、集中维护以及系统的发展和扩充等。 实践已证明系统集成和信息融合是必要的，其优点是明显的。在目前的技术条 件下系统集成设计时，应注意将控制网和信息网分层设计。当通过信息网实现 子系统的互动时，要注意实时性和可靠性，同时增加硬件连锁互动，以确保可 靠。 ( 6 ) 技术产品方面，从智能建筑技术的研究到智能建筑产品的丌发，缺 少必要的引导、协调和支持。缺乏具有自主知识产权的智能建筑硬、软件产品。 1 1 2 智能小区( 大厦) 防盗报警系统的新动向 家庭报警系统最初是单机式报警，即；只有现场报警功能，如果有非法入 侵，入侵现场发出声音警报，提示现场的主人吓退入侵者，这种报警方式在布 防现场起到了一定的作用，但因无法通知相关的安防单位或部门，体现较大的 局限性。 联网式报警系统克服了单机报警的种种弊端，推出后得到很快的普及。报 警系统联网后，可以设立接警中心，对辖区内的报警器进行有效管理。既快速 有效的制止犯罪，又节省人力、物力，同时有可加大住户的安全意识，因为住 户的“步、撤”防行为可清晰地反映到接警中心电脑上，当住户无意中忘记布 防系统后，接警中心人员可以电话通知住户或通过电话对住户的报警系统进行 布防。这样可有效地杜绝囟用户大意而造成的损失，住户的报警系统报警后可 自动迅速的拨通接警中心主机，发出警情数据，同时也可拨通用户预先设好的 固定电话、手机、呼机等。这些有效的功能得到很大的普及。 随着大量的使用和推广，基于电话线的联网报警器存在的问题也逐渐暴露出 来。 1 在反映时间上：因传输网络为电话线，需要通过电信的拨号程序才能 进行信号传输，往往浪费大量的时间，从警情发生到接警中心计算机响应一般 要4 5 秒种或更长，这样在突发犯罪预防方面往往达不到要求； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 使用和维护成本方面：住户的每次有效信息都要通过电话线进行传输， 相当于拨通一次电话，电信局就会收通话费，按每天6 次步、撤防计，每天使 用成本i 2 元，很多用户对此不满。 3 在安全和稳定性方面：因传输网络依赖于电信的p s t n ，当电信部门的相 关设备或线路出现问题时，报警信息就无法传到报警中心，造成漏报现象的发 生。 4 在独立性方面：每个住户的家中都配有自己的电话机，报警主机是串 接在电话机之间。当用户的话机性能不良或某些信号不合规定时，容易导致报 警线路的瘫痪。 因以上的问题是传输网络的依赖性造成的，是基于电话线报警系统的固有 问题，无法根本克服。 总线制报警系统通过小区内的局域总线作为物理网络，彻底摆脱电话线制 的局限，其基本组成是：报警控制器，探测器，总线和报警中心的接警计算机。 报警控制器连接多个探测器。报警控制器通过总线与接警计算机相连，按一定 的协议通信，对发生的警情进行几次校对，确认后发出声光报警。总线制报警 系统具有先进性、开放性、独立性、扩展性、高效性和经济性等特点。 总线制报警系统还具有以下特点： 1 零使用、维护成本：因为起物理网络为小区内自己铺设的局域总线，在 使用和维护上不需要投入资金，真正做到一次投资、终生受益。 2 报警反应高效、快速：因其系统是采用数码流直接传输，不用拨号和模 拟调制，真正做到即时报警、即时接警，从报警发生到中心警示，只需i 0 。1 s 数量级。 3 扩展方便、兼容性好：智能小区的大多数予系统都通过小区的局域总线 传输信号，增减报警控制器不需要对总线改造。 4 集成度高，功能性好：总线制报警系统的安装配置可以通过接警中心 计算机的软件进行设置，还能与其他子系统互连。 智能小区( 大厦) 防盗报警系统作为智能化系统中的予系统之一，同样承载 着智能建筑所面临的挑战与机遇。智能小区建设中，所有的系统都需要个集 中的小区监控管理中心，传统的防盗报警系统是采用电话线来传送报警信号， 信号传输速度慢，运行费用高，而且功能单一，要实现其他如周界防范、电子 巡更、三表抄送等功能就必须另外布线，重新安装新系统，并且各个系统各自 独立运行，互不相关，各系统协调能力差，系统运行、维护复杂，系统升级扩 容匾难，从而造成物业管理部门工作难度加大，系统的智能化程度降低。因此， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 _ _ _ - _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ 一一 在智能小区系统中，必须采用集成能力高的系统，通过单一的总线方式布线， 集成家庭安防、周界防范、电子巡更、三表抄送、联动控制、c c t v 、停车场管 理、家居自动化等需要集中监控的系统。 针对居住的环境不同，用户对于防盗报警系统的要求也不是一成不变的。 因而智能防盗报警系统的设计中要考虑这些因素。既要易于使用、安装和维护， 又要有利于扩张和升级，还要考虑与其他系统的集成和信息共享，关注计算机、 通信技术的发展对系统带来的影响。 1 2 本论文的工作与论文结构 本论文作者在攻读硕士研究生期间，深入学习了计算机控制、计算机网络 与通信、软件工程的理论与技术，并两次参与防盗报警系统的设计与实现工作， 积累了一些经验和认识。本论文来源于四川i 省众科安全保密责任有限公司的项 目。作者在导师指导下，参与了总体设计，设计实现智能小区防盗报警系统的 上位机软件部分。该系统先后在自贡市某小区和成都市某大厦安装运行，据几 个月来的反馈信息，其运行状态良好。 从技术的角度来看，智能小区的防盗报警子系统和智能大厦的防盗报警子 系统，内部的结构和原理大同小异。故本论文将侧重于论述智能小区防盗报警 子系统的设计与实现。探讨系统的体系结构，软硬件功能划分，集成化的方法 以及上位机软件的实现，致力于自主知识产权的产品研发。 本论文的结构如下： 第1 章绪论，综述了国内外智能建筑的发展现状和智能小区防盗报警系统 的技术动态，介绍了论文的主要内容。第2 章智能建筑防盗报警基础，定义了 智能大厦、智能小区、智能建筑的概念与范畴，介绍了防盗报警子系统的组成、 系统结构和计算机网络体系结构，分析了现场总线的技术特点，比较了 l o n w o r k s 、c a n 、r s 4 8 5 总线。第3 章系统分析与设计，通过分析比较几种方案， 再根据科研设备条件，系统采用r s 4 8 5 现场的连接方案，分配了上位机、下位 机的功能，确定了上位机与下位机的通信协议。第4 章管理计算机的软件实现。 根据第3 章的功能分配要求，介绍了软件的功能与模块的组织，描述了主程序 流程和关键流程。介绍了数据库访问技术，c r c 及其软件实现等编程技术，简 要论述了提高系统可靠性的措施。最后是结论，总结论文的主要成果，并指出 了今后进一步在本研究方向的展望与设想。 亘查銮望盔堂堡主堑壅生堂焦迨塞 筻! 夏 第2 章智能建筑防盗报警基础 2 1 智能大厦与智能小区概述 本世纪八十年代以来，计算机、信息、电子、控制、通信等技术得到迅速 发展，促使了社会生产力的提高，也使人们的生产方式和生活方式产生日新月 异的变化。在建筑领域，1 9 8 4 年，产生了智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i i d i n g ) 的概 念。由于智能建筑与信息技术密切相关，它的概念也随着现代高新技术的发展 而变化。因此，对于智能建筑，国际上至今尚无统一的定义。如美国智能建筑学 会、日本智能建筑学会、欧渊智能建筑协会以及我国智能建筑专家，对智能建 筑都有其定义。目前，一般推荐美国智能建筑学会的定义，即智能建筑是将结 构、系统、服务、运营及其相互联系全面综合，并达到最佳组合，所获得的高效 率、高功能与高舒适性的建筑物“。 智能建筑和知识经济是信息时代的重要标志。作为国家综合国力和技术水 平的具体体现，其特点和优势明显，国内外市场十分看好。智能建筑是“国际信 息高速公路和智能化城市的网络节点，其所具有的作用、功能和效益，决定着 它在现代信息社会中的重要角色。智能建筑不仅需要与国际信息高速公路接轨 而且也将进一步促进信息高速公路的发展。智能建筑的发展将带动一批相关技 术与产业的发展，如信息、电子、自动化、计算机、电力技术，等等。智能建筑 在国内外的发展方兴未艾，前景广阔，世界各国竟相研究和开发智能建筑技术。 智能建筑的发展尚有许多理论与技术问题有待于研究和开发，如系统集 成、智能材料、网络结构、智能化物业管理技术研究等。 近年来，智能建筑技术又有了新的发展，人们把智能建筑技术扩展到一个 区域的几座智能建筑进行综合管理，再分层次地联接起来进行统一管理，这样 的区域和城市分别被称为智能小区和智能城市，智能小区是智能城市的基本单 元，它已成为建筑行业中继智能建筑之后的又一热点。 所谓的智能小区，就是将在一定地域范围内多个具有相同或不同功能的建 筑物( 主要是指住宅小区) 按照统筹的方法分别对其功能进行智能化，资源充分 共享，统一管理，在提供安全、舒适、方便、节能、可持续发展的生活环境的 同时，便于统一管理和控制，并尽可能的提高性价比指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一。 智能小区和小区智能化是两个不同的概念，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 区仅是对有一定智能程度的住宅小区的笼统称呼，至于何种智能程度才能称其 为智能小区，现在尚没有定性定量的标准。小区智能化概念表达了住宅小区的 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、完善，它表明了可持续发展性应是小区智能化的重要特性，充分考虑到人 们需求的不断增长性。小区智能化的叫法更加适合客观规律和符合中国的国 情。 近年来随着我国国民经济的发展和国家住房制度的改革，人民生活和自身 素质得以不断提高，人们对住房条件的要求越来越高，对环境的舒适性、便利 性、安全性有了较高要求，加之电子信息产业正快速发展并向人们生活的各个 领域渗透，与此相适应，各种不同档次的公寓、生活小区纷纷提出了自己不同 的智能需求，由于住宅小区与综合性智能建筑有着很大的区别，如何根据小区 的特点，赋予小区各种功能以适应不同层次的居民的需求，对小区实现统一、 有序、智能化、网络化管理，这是智能建筑行业亟需解决的问题。 在智能小区中，网络技术应用和控制方式的也不断变化。计算机网络和多媒 体技术已经进入住宅小区，使住宅控制与管理技术发生深刻变化。八十年代，住 宅控制方式主要为电子型。九十年代初为程序型控制方式，九十年代末发展为 网络型控制方式。在二十一世纪，住宅控制方式将演变为智能控制型。各种家 电设备都“上网”，实现家电接口标准化、设备控制智能化、系统功能集成化。 2 2 智能小区防盗报警子系统 根据探测器的种类及安装的位置不同，报警系统的名称也不一样： 周界防越报警系统：探测器安装在围墙上，以防范翻越围墙进入社区的非 法入侵者。 住宅防盗防火报警系统：探测器安装在住宅内，若发生非法入侵住家或发 生如火灾，老人急症等紧急事件，通过户内各种探测器，报警中心将很快获 得警情消息。并迅速派员赶往事件现场进行处理。 2 2 1 周界防越报警系统 周界防越报警系统是为防止不法之徒通过小区非正常出入口闯入时而设 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 立的，以此建立封闭式小区，防范闲杂人员出入，同时防范非法人员翻越围墙 或栅栏。通常，在小区的围墙四周设置红外多束对射探测器，一旦有非法入侵 者闯入就会触发，并立即发出报警信号到周界控制器，通过网络传输线发送至 管理中心，并在小区中心电子地图上显示报警点位置，以利于保安人员及时准 确地处警，同时联动现场的声光报警器( 白天使用) 或强光灯( 夜间使用) ，及 时威慑和阻吓不法之徒，提醒有关人员注意，做到群防群治，拒敌于小区之外， 真正起到防范的作用。 2 2 2 住宅防盗防火报警系统 住宅防盗报警系统是为了保证住户在住宅内的人身财产安全，通过在住宅 内门窗及室内安装各种探测器进行昼夜监控。当监测到警情时通过住宅内的报 警主机传输到智能化管理中心的报警接收计算机。接收机将准确显示警情发生 住户的名称、地址和入侵方式等，提示保安人员迅速确认警情，及时赶赴现场， 以确保住户人身和财产安全。住户也可通过固定式紧急呼救报警系统或便携式 报警装置，在住宅内发生抢劫和突发疾病时，向管理中心呼救报警，中心可根 据情况迅速出警。 2 3 现场总线技术介绍 现场总线( f i e l d b u s ) 是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领 域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生 产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一 个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、 控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的 关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻 变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技 术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设 备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特 点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；还具有网络负载稳定，多数 为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构 到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影 响的有l o n w o r k s 、c a n 和r s 4 8 5 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形 成了自己的优势。 2 3 1 现场总线的技术特点 a 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可 进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底 层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准 的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统 相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统 集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品 组成大小随意的系统。 b 互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统 间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意 味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 c 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制 的基本功能，并可随肘诊断设备的运行状态。 d 。系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本 功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上 改变了现有的集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高 了可靠性。 e 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 3 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系 统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 a 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设 备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不 卞忡_ 呻唧 叠争蝌峥_ 一 卞一 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、 隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节 省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 b 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一 条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、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。当需要增加现场控制设备时，无需 增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、 安装的工作量。 c 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室。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快速排除。缩短了维护停工时间， 同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 d 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不刷厂商所提供 的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了漫备的选择范 围，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。 e 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同 时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信 号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于 重构等优点。 2 3 3 l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国e c h e l o n 公司推 出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。 它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，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，其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持双绞线、同轴电缆、 光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的安全防爆产品。 被誉为通用控制网络。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k s 协议被封装在称之为n e y r o n 的芯片中并 西南交通大学硕士研究生学位论文箍! ! 夏 得以实现。集成芯片中有3 个8 位c p u ：一个用于完成开放互连模型中第l 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理：第二个 用于完成第3 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处 理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、 收发数据包等：第三个是应用理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还 具有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用 缓冲区。如m o t o r o l a 公司生产的神经元集成芯片m c l 4 3 1 2 0 e 2 就包含了2 k r a m 和2 k e e p r o m 。 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 o r k s 技术已经被美国暖通工程师协会a s h r e 定为建筑自动化协议 b a c n e t 的一个标准。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e i a 一7 0 9 标准。 这样，l o nw o r k 已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、o 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。 l o n w o r k s 网络技术在我国的应用过程中也遇到一些问题： l o n w o r k s 网络接入局域网问题一直是人们关注的话题，由于城市宽带网的 迅速发展，奠定了楼宇自动化和智能建筑系统集成数据网络的基础，控制网络 接入数据网，不同的监控网通过数据网互连以达到数据共享、互动互连和中央 信息集成管理的目的，这就提出了网络路由的问题，i p 路由器已经有e c h e l o n 公司、t a c 公司及其它一些公司的产品，但还存在着价格昂贵推广困难的问题， 这就期待着功能强、价格适中、适用性好的路由产品的出现。 l o n w o r k s 作为一种现场总线技术的应用推广，由于受e c h e l o n 公司技术核 心神经元n e u r o n 芯片价格的影响，现场仪表的智能化和对现场仪表直接进行 统一组态的问题目前还不能实现，控制功能的分散还局限在i o 模块的基础上， 还取决于i o 模块输入输出口类型和数量的选择上。所以在楼宇自动化系统应 用中，i o 模块的选择余地还比较小，面向对象的针对性还不够强，i o 口的 利用率还不够高，这都是产品制造商应注意的问题。 2 3 4 c a n 总线 c a n 是控制网络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，最早出德国b o s c h 公司推 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被i s 0 国 际标准组织制订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n c e 、 n e c 等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。c a n 协议也是建立在国际标 准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3 层，只取0 s i 底 层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信 速率最高可达1 m b p s 4 0 m 。直接传输距离最远可达1 0 k m k b p s ，可挂接设备最多 可达1 1 0 个。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 而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切 断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强 的抗干扰能力。c a n 支持多主方式工作，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、一点对多点和全局广播方式接收发送数 据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级 高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总 线冲突。 已有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e l 公司的 8 2 5 2 7 ，m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 等。还有插p c 机 上的c a n 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 2 3 5r s - 4 8 5 总线 r s - 4 8 5 作为现场总线的鼻祖还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采 用r s _ 4 8 5 通讯具有设备简单、低成本等优势。仍有强劲的生命力。以r s - 4 8 5 为基础的o p t o - 2 2 命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。 r s - 4 8 5 收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将t t l 电 平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成1 h r l 电平，因 此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达2 0 0 m y 的电压，故数据传输可达千米以外。 r s - 4 8 5 许多电气规定与r s - 4 2 2 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要 在传输线上接终接电阻等。r 8 - 4 8 5 可以采用二线与四线方式，二线制可实现 真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与r s - 4 2 2 一样只能实现点对多的 通信，即只能有一个主( m a s t e r ) 设备，其余为从设备，但它比r s - 4 2 2 有改 进，无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达3 2 个设备，s i p e x 公司新 推出的s p 4 8 5 r 最多可支持4 0 0 个节点。r s - 4 8 5 与r s - 4 2 2 的共模输出电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 是不同的。r s - 4 8 5 共模输出电压在7 v 至+ 1 2 v 之间，r s - 4 2 2 在- 7 v 至+ 7 v 之间，r s - 4 8 5 接收器最小输入阻抗为1 2 k d ；r s - 4 2 2 是4 k q ；r s - 4 8 5 满足 所有r s _ 4 2 2 的规范，所以r s _ 4 8 5 的驱动器可以用在r s - 4 2 2 网络中应用。 但r s 4 2 2 的驱动器并不完全适用于r s _ 4 8 5 网络。 r s - 4 8 5 与r s - 4 2 2 一样，最大传输速率为1 0 m b s 。当波特率为1 2 0 0 b p s 时，最大传输距离理论上可达15 千米。平衡双绞线的长度与传输速率成反比， 在1 0 0 k b s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。 r s - 4 8 5 需要2 个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输 电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在3 0 0 米以下不需 终接电阻( r s _ 4 8 5 有关电气参数见表2 1 ) 。 表2 1r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口电路特性比较 规定i 蹲2 3 2r s - 4 2 2r s 鹌5 工作方式单端 差分差分 节点数1 收、1 发 1 发1 0 收l 发3 2 收 最大传输电缆长度1 5 来1 2 0 0 米 1 2 0 0 柴 最大传输速率2 0 k b ，s1 0 m b s1 0 m b s 最大驱动输出电压+ - 2 5 v- 0 2 5 v + 6 v- 7 v + 1 2 v 驱动器输出信号电平( 负载最小值) 负载+ 1 - 5 v + - 1 5 v+ - 2 0 v+ - 1 5 v 驱动器输出信号电平( 空载强人值)空载 + - 2 5 v+ - 6 v + - 6 v 驱动器负载阻抗( n )3 k 7 k1 0 05 4 摆率( 最大值) 3 0 v 雌 n ，a 。 n a 接收嚣输入电压范围+ - 1 5 v- 1 0 v + 1 0 v7 v + 1 2 v 接收器输入门跟+ 3 v + l - 2 0 0 m v+ - 2 0 0 m v 接收器输入电阻( n )3 k 7 k4 k ( 最小)1 2 k 驱动器兵辏电压- 3 v + 3 v1 v + 3 v 接收器共模电压7 v + 7 v - 7 v + 1 2 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页