摘? 要: 介紹了LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu),討論了LonWorks技術(shù)在家庭智能化應(yīng)用的優(yōu)勢,提出了LonWorks技術(shù)應(yīng)用于智能家庭控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的一種解決方案,闡述了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞: 智能家庭? LonWorks技術(shù)? 控制系統(tǒng)

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　　家庭智能控制系統(tǒng)是智能家庭的一個重要內(nèi)容,它的發(fā)展依賴于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與監(jiān)控技術(shù)在家庭內(nèi)部的推廣。系統(tǒng)的設(shè)計首先要在家庭內(nèi)部以家庭總線的方式構(gòu)建一個控制網(wǎng)絡(luò),各種功能模塊根據(jù)住戶需要直接接入家庭網(wǎng)絡(luò),完成信息采集、傳輸、控制等相關(guān)功能;其次要實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)或者小區(qū)局域網(wǎng)的連接,達到遠程監(jiān)控的目的。本文通過分析智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)的功能及對控制系統(tǒng)的要求,結(jié)合LonWorks技術(shù)自身的特點,提出了LonWorks技術(shù)在智能家庭控制系統(tǒng)的一種應(yīng)用方案。

1 LonWorks技術(shù)簡介

　　LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于20世紀90年代初推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù),目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動化領(lǐng)域,是當前最為流行的現(xiàn)場總線之一。LonWorks技術(shù)采用神經(jīng)元芯片" title="神經(jīng)元芯片">神經(jīng)元芯片作為LON總線的通信處理器以及采集和控制的通用處理器,同時使用開放式的通信協(xié)議LonTalk。LonTalk協(xié)議的最大特點是對OSI七層協(xié)議的支持,是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議(這是以往的現(xiàn)場總線所不支持的)。這為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個通用的標準,使以往那些孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體,解決了不同廠家產(chǎn)品之間的互操作性問題,從而可以在家庭內(nèi)部構(gòu)成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。基于LonWorks技術(shù)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要包括以下幾個方面^[1]。

1.1 LonWorks節(jié)點

　　LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由智能節(jié)點" title="智能節(jié)點">智能節(jié)點組成,每個智能節(jié)點可具有多種形式的I/O功能,節(jié)點之間可通過不同的傳輸媒介進行通信。一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點" title="控制節(jié)點">控制節(jié)點主要包含以下幾部分功能塊:應(yīng)用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器和電源。神經(jīng)元芯片是智能節(jié)點的核心器件,片內(nèi)集成媒體訪問控制(MAC)處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用程序處理器三個CPU,同時具有11位可編程I/O口、5位可編程通信口、2個可編程16位定時器/計數(shù)器,存儲器容量可擴展至64K。芯片中固化了七層通信協(xié)議中的六層內(nèi)容,是集通信、控制、調(diào)度和I/O支持為一體的處理器。收發(fā)器對發(fā)送和接收的信息進行編碼和解碼,不同的通信介質(zhì)采用不同型號的收發(fā)器,主要包括雙絞線收發(fā)器、電源線收發(fā)器、電力收發(fā)器、無線收發(fā)器、紅外收發(fā)器等。

　　由于一個神經(jīng)元芯片包含了一個現(xiàn)場節(jié)點的大部分功能塊,因此一個神經(jīng)元芯片加上收發(fā)器便可構(gòu)成一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點。然而神經(jīng)元芯片畢竟是8位總線,目前支持的最高主頻是10MHz,因此它所能完成的功能也十分有限。對于一些復雜的控制系統(tǒng),可以將神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)處理器,用高級主機的資源來完成復雜的測控功能。

1.2 路由器

　　路由器在LonWorks技術(shù)中是一個主要的部分。它是不同信道之間連接的橋梁,不同信道之間使用不同型號的路由器,這是其它現(xiàn)場總線所不具備的。正是由于路由器的使用,使LON總線突破了傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線的限制——不受通信介質(zhì)、通信距離、通信速率的限制。LonWorks路由器能支持從簡單到復雜的網(wǎng)絡(luò)連接,所以這些網(wǎng)絡(luò)可以小到幾個節(jié)點,大到上萬個節(jié)點。

1.3 LonTalk協(xié)議

　　LonTalk協(xié)議是LonWorks技術(shù)的通信協(xié)議,支持ISO/OSI七層協(xié)議,并固化在神經(jīng)元芯片內(nèi)。LonTalk支持多種傳輸介質(zhì),如雙絞線、電力線、光纖、無線射頻、紅外線等。每一種介質(zhì)稱為一種信道,各種傳輸介質(zhì)具有不同的傳輸速率,最高為1.25Mbps。LonTalk協(xié)議支持分散的Peer to Peer的通信,節(jié)點可以組成總線型、環(huán)型、樹型等多種拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),甚至還可以組成自由拓撲結(jié)構(gòu)。此外,LonTalk協(xié)議支持用Neuron C語言進行編程,并通過網(wǎng)絡(luò)變量進行節(jié)點之間的邏輯安裝,這是一種面向?qū)ο蟮拈_發(fā)和設(shè)計方法。

1.4 LonWorks網(wǎng)絡(luò)管理

　　在LON總線中,需要一個網(wǎng)絡(luò)管理工具來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安裝、網(wǎng)絡(luò)維護以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控三項功能。網(wǎng)絡(luò)安裝主要用于實現(xiàn)各個智能節(jié)點的連接,為網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點分配邏輯地址,同時將每個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報文連接起來,包括物理連接和邏輯安裝。網(wǎng)絡(luò)安裝只是在系統(tǒng)開始時進行;而在系統(tǒng)的運行過程中則需要進行網(wǎng)絡(luò)的維護和監(jiān)控,以便隨時了解網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報文的變化情況。

2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)所提出的控制網(wǎng)絡(luò)是將PC機作為家庭服務(wù)器,應(yīng)用LonWorks技術(shù)在家庭內(nèi)部建立兩種介質(zhì)的控制子網(wǎng)。家庭內(nèi)部各種設(shè)備直接掛接在相應(yīng)的子網(wǎng)上,各個子網(wǎng)通過路由器相連,不同子網(wǎng)的設(shè)備可以和其它子網(wǎng)的設(shè)備交互通信,實現(xiàn)家庭的網(wǎng)絡(luò)化智能控制^[3]。

　　系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為家庭服務(wù)器、路由器和底層智能節(jié)點三個層次。

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2.1 基于PC機的家庭服務(wù)器

　　上位機采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)的信息處理模式。PC機作為家庭服務(wù)器,通過插于機內(nèi)ISA總線上的PCLTA適配卡接入家庭內(nèi)的LonWorks網(wǎng)絡(luò),與網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點進行通信,從而可以在PC機節(jié)點上監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)中的各種參數(shù)以及相應(yīng)的家庭內(nèi)部的各種狀態(tài)。同時,PC機可以通過ADSL技術(shù)、HFC技術(shù)或者以太網(wǎng)技術(shù)接入到小區(qū)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的Internet接入。PC機服務(wù)器配備了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能提供家庭信息服務(wù)的程序系統(tǒng),可以接收網(wǎng)絡(luò)上多臺客戶機的請求,啟動相關(guān)處理進程,以實現(xiàn)家庭的遠程監(jiān)測與控制。

2.2 路由器

　　路由器的設(shè)計主要是基于RTR-10核心模塊和兩個收發(fā)器模塊(分別連接到兩個通道上)。由于系統(tǒng)涉及雙絞線和電力線兩種通信介質(zhì),因此相應(yīng)地就有兩種路由器:雙絞線到電力線路由器和雙絞線到雙絞線路由器。

2.3 智能節(jié)點

　　整個網(wǎng)絡(luò)包含七種智能節(jié)點,分別是:

　　(1)燈光控制節(jié)點:該節(jié)點控制室內(nèi)燈具的開關(guān)及照明度,通過使用照度探測、紅外感應(yīng)等手段實現(xiàn)門燈、照明設(shè)備的自動控制。

　　(2)家電控制節(jié)點:該節(jié)點控制傳統(tǒng)家用電器的開關(guān),通過使用紅外線傳感器和紅外線發(fā)生器,實現(xiàn)室內(nèi)部分電器的紅外遙控。

　　(3)溫度及濕度控制節(jié)點:該節(jié)點測量當前室內(nèi)溫度、濕度值,并在液晶顯示器上顯示。同時該值與設(shè)定值進行比較,將差值送至空調(diào)末端設(shè)備控制器,實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的自動控制。

　　(4)自動抄表節(jié)點:該節(jié)點實現(xiàn)家庭能耗表(水表、電表和煤氣表)的自動抄送,解決入戶抄表擾民和人為讀數(shù)誤差等問題。其工作原理是利用電子技術(shù)和傳感技術(shù),將住宅耗能計量表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號,由節(jié)點進行采集、計數(shù)和存儲,然后將三表數(shù)據(jù)傳送到上位機進行進一步處理。

　　(5)安防報警節(jié)點:該節(jié)點實現(xiàn)家庭的安全防范,包括紅外防盜探測、煤氣泄漏、火警探測、緊急求助按鈕等。其工作原理是發(fā)生搶劫盜竊、火災(zāi)、煤氣泄漏等警情時,首先觸發(fā)感應(yīng)探測器或緊急按鈕部分,然后節(jié)點將報警信號傳送到上位機進行報警處理。

　　(6)鍵盤及顯示控制節(jié)點:該節(jié)點實現(xiàn)室內(nèi)的鍵盤及顯示控制,設(shè)有16只按鍵和一塊液晶顯示器,用于狀態(tài)的設(shè)置和查詢,如設(shè)防/撤防、數(shù)據(jù)查詢、電器控制等。

　　(7)電話及語音控制節(jié)點:該節(jié)點實現(xiàn)電話及語音控制。電話接口電路包括振鈴測試、模擬摘機、信號音測試、雙音頻接收、雙音頻發(fā)送等電路,用于實現(xiàn)電話的指令控制,如電話留言、電話報警、遠程控制家電等。

　　七種智能節(jié)點的硬件設(shè)計根據(jù)節(jié)點功能的難易程度分為兩類:單處理器的智能節(jié)點和雙處理器的智能節(jié)點。單處理器的智能節(jié)點是以神經(jīng)元芯片為核心,如圖2所示。神經(jīng)元芯片不僅要實現(xiàn)節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)的通信,而且通過將其I/O口直接連接到傳感器/執(zhí)行器上,實現(xiàn)端口數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)視和控制,主要應(yīng)用于功能較為簡單的節(jié)點,如自動抄表節(jié)點、安防報警節(jié)點等。雙處理器的智能節(jié)點是將神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)處理器,而復雜的測控功能則用高級處理器(如80C196KC)的資源來完成,如圖3所示,主要應(yīng)用于功能較為復雜的節(jié)點,如鍵盤及顯示控制節(jié)點、電話及語音控制節(jié)點等。

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3 系統(tǒng)的軟件

　　整個控制系統(tǒng)的軟件由兩部分組成:一是各個智能節(jié)點的軟件,二是上位機的監(jiān)控軟件。

3.1 智能節(jié)點的軟件

　　各個智能節(jié)點上,神經(jīng)元芯片的應(yīng)用程序采用NodeBuilder開發(fā)環(huán)境下的Neuron C語言進行開發(fā),主要完成信號采集、狀態(tài)監(jiān)控、定義網(wǎng)絡(luò)變量以及節(jié)點通信等任務(wù)。Neuron C是以ANSI C為基礎(chǔ),專門為神經(jīng)元芯片而設(shè)計的編程語言,同時加入通信、事件調(diào)度、分布數(shù)據(jù)對象和I/O功能。而基于雙處理器的智能節(jié)點,其主處理器的應(yīng)用程序由匯編語言或C語言編寫,主要完成液晶顯示、紅外遙控、語音控制等復雜的測控任務(wù)。在節(jié)點開發(fā)和組態(tài)成功后,各個節(jié)點在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)的采集和處理,并將各類信號以網(wǎng)絡(luò)變量的形式實時送入LonWorks網(wǎng)絡(luò)中,相應(yīng)節(jié)點自由交互通信,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的智能控制。

節(jié)點程序的開發(fā)流程如圖4所示。

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3.2 上位機的監(jiān)控軟件

　　上位機的監(jiān)控軟件以Windows 98作為軟件平臺,利用Echelon公司的LonManager系列中的DDE Server軟件與插于PC機內(nèi)ISA總線上的PCLTA接口卡進行通信。采用Visual Basic 6.0完成監(jiān)控軟件的開發(fā)。軟件的開發(fā)是以消息的響應(yīng)為核心,DDE服務(wù)器定時從LonWorks網(wǎng)絡(luò)上獲取最新網(wǎng)絡(luò)變量信息,觸發(fā)監(jiān)控軟件中定義的消息,然后由監(jiān)控軟件完成相應(yīng)的功能。監(jiān)控軟件的核心是處理各個消息之間的關(guān)系并在此基礎(chǔ)上完成監(jiān)視和控制的功能,主要是監(jiān)測需要實時顯示的重要系統(tǒng)參數(shù)以及相應(yīng)的控制,主要由初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置及監(jiān)視模塊、歷史數(shù)據(jù)記錄模塊以及各個具體任務(wù)模塊組成。

　　現(xiàn)階段國內(nèi)的家庭智能化建設(shè)主要集中于開發(fā)遠程抄表系統(tǒng)、安防報警系統(tǒng)和家電控制系統(tǒng),與國外相比,智能化程度不高。然而隨著信息技術(shù)的發(fā)展,智能家庭是未來家庭發(fā)展的必然趨勢,家庭智能化的程度也將越來越高,因此現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該能夠適合未來家庭智能化的發(fā)展。本系統(tǒng)正是基于此而提出的,該方案通過LON總線來構(gòu)建家庭控制網(wǎng)絡(luò),采用LonWorks技術(shù)實現(xiàn)底層的控制和通信功能。系統(tǒng)具有以下特點:

　　(1)控制系統(tǒng)做到了多網(wǎng)合一,大大簡化系統(tǒng)布線;

　　(2)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都能完成控制和通信功能,部分節(jié)點不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定;

　　(3)LonWorks在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的自由拓撲特性和軟件設(shè)計上的完全面向?qū)ο?使其易擴充、易組態(tài)。

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參考文獻

1 楊育紅. LON網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及應(yīng)用. 西安:西安電子科技大學出版社,1999.4

2 曹玖新,張德運,普杰信. 家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與發(fā)展. 微型機與應(yīng)用,2000;19(9)

3 王俊杰,謝春燕. 基于LonWorks技術(shù)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)Ｐ偷难芯颗c實現(xiàn).自動化儀表,2000(7)