1、LonWorks在家庭智能控制網絡中的應用摘要：在智能建筑中，家庭智能控制網絡作為其最基本的組成部分，直接影響著智能建筑的人性化及智能化程度。RS485、以太網、無線網及LonWorks總線均可用于家庭智能控制網絡，但相比之下，基于LonWorks總線1的家庭智能控制網絡更具有優勢，因此本文主要就LonWorks在家庭智能控制網絡中的應用展開了簡單的設計。家庭智能控制網絡的核心是家庭控制器和接口模塊，對于家庭控制器的設計，又分為Lon控制模塊和采集模塊兩個模塊，并分別就這兩個模塊做了簡單的介紹和設計，其中Lon控制模塊設計的核心芯片是神經元芯片3150和主處理器。最后用拓撲圖的形式展現了家庭智

2、能控制網絡的總體結構，從而完成了基本設計要求。關鍵詞：LonWorks總線 智能控制網絡 神經元芯片 LonWorks application in family intelligent control networkAbstract: in intelligent building, family intelligent control network as part of its most basic, directly affects the humanization of the intelligent building and intelligent level. RS485, Et

3、hernet, wireless networks and LonWorks fieldbus intelligent control network can be used in the family, but in contrast, family intelligent control based on LonWorks fieldbus network has more advantages, so this paper mainly LonWorks application in family intelligent control network is a simple desig

4、n. Family intelligent control network is the core of the controller and the interface module, the design of the controller for the family, is divided into Lon control module and acquisition module two modules, and then the two modules respectively made simple introduction and design, the module desi

5、gn of Lon control core chip is the neuron chip 3150 and the main processor. Finally in the form of a diagram shows the general structure of the family intelligent control network, thus completed the basic design requirements.Key words: Lon Works fieldbus intelligent control network neuron chip.隨著網絡經

6、濟、家電的智能化以及CPU的發展，家庭網絡日益受到人們的關注。伴隨著智能建筑的逐漸普及，為了追求更加智能化的居住環境，人們對家庭智能控制網絡2的需求也逐漸增強，同時LonWorks總線的日趨成熟也為家庭智能控制網絡的發展提供了極大地契機。LonWorks是由美國Echelon公司研制，于1990年正式公布的現場總線網絡。LonWorks技術的核心是具有3位CPU的神經元芯片（Neuron Chip），同時具備通信與控制功能，并且固化了LonTalk協議，以及34種常見的I/O控制對象。它采用ISO/OSI模型中完整的七層通信協議，采用面向對象的設計方法，LonWorks技術將其稱為“網絡變量”

7、，使網絡通信的設置簡化成參數設置。這樣，不僅節省了大量的設計工作量，同時增加了通信的可靠性。其最高通信速率為1.25Mbit/s，最遠通信距離為2700m，節點總數可達32000個。與RS-485相比，LonWorks技術是一套完整的智能控制網絡技術，Echelon公司以及全球OEM廠商提供了基于LonWorks的一系列產品及完整的解決方案。國際LonMark協會制定的可互操作設計規范為不同的廠商產品互操作奠定了基礎。而RS-485則是物理電器接口標準，不是實際意義上的網絡。基于RS-485的廠商可個自定義自己的通信協議和數據格式，不同廠商的產品不通過網關3基本上不能共存在同一網絡中。并且經比

8、較RS-485在通訊速率、傳輸速率、網絡結構、網絡容量、通信可靠性等方面均略遜色于LonWorks總線。因此本文不同于傳統家庭智能控制網絡的設計方式，基于LonWorks總線對家庭智能控制網絡進行了簡單的設計。1.LonWorks控制網絡的組成基于LonWorks技術的現場控制系統由LonWorks節點、路由器、LonTalk協議、LonWorks收發器和LonWorks網絡管理5個部分構成。1.1 LonWorks節點 節點被稱為智能設備，它物理節點的抽象，應用設備節點、路由器、網絡接口卡都是節點。LonWorks節點可采用一神經元芯片為核心的方式，即神經元芯片加上收發器構成一個現場控制節點

9、。由于神經元芯片的功能有限，對于節點的設計也可以采用神經元芯片加主處理器的方式，把神經元芯片作為通信協議處理器，用高性能的主處理器完成較為復雜的測控功能。LonWorks節點的設計根據其難易程度分為兩類：單處理器的智能節點和雙處理器的智能節點。其中，單處理器的智能節點是以神經元芯片為核心，其結構如圖1所示。神經元芯片不僅要實現節點與網絡的通信，而且通過其將I/O口直接連接到傳感器/執行器上，實現端口數據的實時采集、監視和控制，主要應用于較為簡單的節點，如自動抄表、安防報警的等。而雙處理器的智能節點是將神經元芯片作為通信協處理器，而復雜的測控功能則有更高級的主處理器來完成，其結構圖如圖2所示，主

10、要用于功能較為復雜的節點，如鍵盤及顯示控制節點、電話及語音控制節點等。圖1 單處理器的智能節點結構圖圖2 雙處理器的智能節點結構圖1.2 路由器 路由器是LonWorks技術的一個主要組成部分，用來連接不同通信介質的LonWorks網絡。路由器通常有兩個互聯的神經元芯片，每個神經元芯片配有一個適用于本側信道的收發器，路由器就連接在這兩個信道上。路由器對網絡的邏輯操作是完全透明的，但他們并不一定傳輸所有的包，智能路由器能夠阻止沒有遠地地址的包穿越路由器。LonWorks支持的路由器有四種，即中繼器、網橋、學習路由器和配置路由器，后兩者屬于智能路由器。Lonworks還支持名為LonWorks/I

11、P的路由器，利用該路由器，LonWorks系統可以通過廣域網（如Internet）大幅度地擴展其工作范圍。路由器除連接不同媒介的LonWorks網絡外，還能控制網絡交通，增加信息通量和網絡速度。 1.3 LonTalk協議 LonWorks稱為LonTalk協議4和ANSIEIA7091控制網絡標準，是Lonworks系統的靈魂，它固化于神經元芯片中，是直接面向對象的網絡協議。該協議提供一系列通信服務，使得一個設備的應用程序可以在不了解網絡拓撲、名稱、地址或其它設備功能的情況下發送和接收網絡上其它設備的報文。LonTalk協議能提供端到報文確認，報文認證、打包業務和優先傳送服務，提供網絡管理服

12、務的支持，并允許遠程網絡管理工具與網絡設備進行交互。LonTalk協議是一個分層的、基于數據包的對等通信協議，是一個公認的標準并遵循OSI模型分層規則。為了確保滿足控制網絡的可靠和魯棒的通信標準，LonTalk協議為控制應用提供了一個高可靠、高性能、高抗干擾性強的通信機制。其各層的功能如表1所示：層次OSI層次服務Lon提供的服務處理器7應用層網絡應用標準網絡的類型應用CPU6表示層數據表示網絡變量，外部幀傳輸網絡處理器5會話層遠程遙控請求/應答，認證，網絡管理網絡處理器4傳輸層端對端可靠傳輸應答、非應答。點對點及雙重查網絡處理器3網絡層傳輸分組地址，路由網絡處理器2鏈路層鏈路層幀結構幀結構，

13、數據解碼，CRC錯誤檢查MAC處理器MAC子層介質訪問1物理層電路連接介質，電器接口MAC處理器表1 LonTalk協議的各層功能1.4 LonWorks收發器神經元芯片通過收發器與網絡交換信息5，各種不同的收發器支持不同的通信媒體。常見的收發器有：雙絞線收發器、電力收發器、無線射頻收發器和光纜收發器。雙絞線收發器與神經元芯片的接口有三種類型：直接驅動、EIA-485和變壓器耦合，其中比較長見的接口是采用變壓器耦合的FFT-10A收發器。FFT-10A收發器支持沒有極性、自由拓撲（包括總線型、星形、環形、復合型）的互聯方式。在傳統的控制系統中，一般采用總線拓撲，通過帶屏蔽的雙絞線互聯在一起。根

14、據EIA485標準，所有設備必須通過雙絞線互聯在一起，以防止線路反射，保證可靠通信，FFT-10A收發器很好到解決了這一限制。FFT-10A的具體引腳定義如表2所示：名稱管腳序號功能Vcc15v DC輸入NET-A2網絡端口，連接雙絞線，無極性NET-B3網絡端口，連接雙絞線，無極性RxD4神經元芯片CP0TxD5神經元芯片CP1CLK6收發器的時鐘輸入端，連接Neuron芯片的CLK2T17ESD和瞬態保護GND8接地T29ESD和瞬態保護表2 FFT-10A引腳定義 2. 利用LonWorks網絡構建家庭控制裝置家庭控制網絡的核心部分是家庭控制器和接口模塊，家庭控制器用來管理與監控接在接口

15、模塊終端下各種設備的信息傳送，實現與外部信息網絡的連接。接口模塊則是用來實現家庭網絡與終端之間的配接，各種設備通過接口模塊與家庭總線相連接，并在家庭控制器的管理下構成家庭總線網絡，從而實現家庭內、外的信息傳送及管理。對于家庭控制裝置可分為兩個設計部分，即Lon控制模塊和采集模塊。 2.1 Lon控制模塊控制裝置以Lon控制模塊為核心，通過對采集電路所采集的各種信號加以作用，完成裝置的各種功能，其中Lon控制模塊主要包括神經元芯片、存儲器、晶振和收發器。2.1.1神經元芯片的選擇常用的神經元芯片主要有Neuron3120xx和Neuron3150，這兩種芯片在功能上大體相同。120芯片內含有2k

16、存儲器，多用于功能較少而且不需要擴展存儲器的硬件構造中；而3150芯片內部具有0.5kEEROM、2kRAM存儲器，可以外擴存儲器來存儲信息，從而用于更復雜的應用系統的開發。因此在此次設計中選擇功能更加強大的Neuron3150芯片。Neuron3150芯片外部存儲器接口引腳如下表3所示：引腳名方向功能A0A15輸出地址線D0D7輸入/輸出數據線E輸出使能時鐘R/-W輸出讀/寫選擇表3 Neuron3150芯片外部存儲器接口引腳2.1.2通信適配端口Neuron3150芯片的通信口可與多種傳輸媒介接口（即網絡收發器）相連接，以實現較寬的傳輸速率。同時，各種不同類型的網絡收發器的配置，也為選擇不

17、同的通信媒介提供了條件。在本設計中選用的是FTT-10型收發器，利用雙絞線實現與家用電腦以及整個小區網絡管理的信息傳遞。FFT-10型收發器采用變壓器隔離，可以實現高隔離、高抗擾，對于控制網絡的穩定性有了極其可靠的保證。其傳輸距離可達2700m、傳輸速率達78kbit/s,可滿足裝置與上位機的信息傳遞要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三種工作方式，分別是：單端工作方式、差分工作方式、專用工作方式。不同的工作方式所對應的引腳定義不同，具體工作方式的選擇如下表4所示：引腳單端工作方式差分工作方式專用工作方式CP0數據入+數據入Rx入CP1數據出-數據入Tx出CP2發送使能+數據出比

18、特鐘輸出CP3休眠輸出-數據出休眠輸出CP4沖突檢測輸入沖突檢測輸出幀時鐘輸出表4 Neuron3150工作方式引腳定義在設計中Neuron3150芯片的通信端口選擇單端工作方式配置，與FFT-10A收發器的具體配置如圖1所示，其中FFT-10的CLK與Neuron3150的CLK2相連，用以保證二者的時序一致。圖3 FFT-10收發器配置圖2.2采集模塊設計采集模塊包括I/O接口電路、光電隔離保護電路、驅動電路、緩沖電路、保持電路、鎖存電路以及A/D轉換電路。采集電路與Lon控制模塊的連接則是通過一個18針雙列直插式板邊連接器和一個6針單列直插式板邊連接器完成。這樣的連接方式符合模塊化的設計

19、要求，且便于安裝和調試。其硬件原理圖如下圖4所示：圖4 硬件原理圖2.3軟件實現Neuron C是專門為神經元芯片設計的程序設計語言。它在C語言的基礎上進行了自然擴展，直接支持神經元芯片的固化軟件，刪除了標準C中一些不需要的功能，如某些標準的C函數庫，并為分布式LonWorks環境提供了特定的對象集合及訪問這些對象的內部函數。 Neuron C提供了一些適用于LonWorks網絡開發的功能，增加了一個新的對象類網絡變量，網絡變量分為輸入和輸出類型，Lonworks網絡上各設備之間可通過網絡變量互傳信息，且網絡變量的傳送工作由固件自動完成，開發時只需在Neuron C應用程序中給網絡變量賦值即可

20、；此外，還增加了一個新的語句類型when語句，引入事件驅動機制，整個應用程序用When語句引導；通過對I/O對象的聲明，使神經元芯片的I/O得以標準化，便于對于多種類型信號的監控。在此次設計中，采用的方法是模塊化設計方法，其中主要包括遠程抄表模塊、報警聯動模塊、室內環境檢測模塊、順序控制模塊，各功能模塊的運行都采取事件驅動。整個系統的程序流程圖如圖5所示：圖5程序流程圖3.用LonWorks搭建家庭控制網絡LonWorks總線的普遍應用給智能家庭控制網絡的新發展提供了技術基礎。采用Lonworks使得智能家居網絡從封閉的僅依賴與單個廠商的控制系統到完全可以互操作的家庭智能控制系統的轉變成為現實

21、。可以以LonWorks技術為依托，開發與LonWorks兼容的通用智能控制節點，各種專用節點，再根據實際情況選擇合適的傳感器、變送器及執行器，從而搭建出性能更優的新一代的家庭控制控制網絡。家庭智能控制系統通過用戶接口與家庭總線單元連接。集宅內安防、遠程抄表和家電控制于一體，所有有關設備都掛接在LonWorks網絡組成的家庭總線系統（Home Bus System）上，所有報警信號經過智能節點的轉換和標準化，通過LonWorks網絡送到家庭，其具體的拓撲結構圖如圖6所示：圖6 控制網絡拓撲結構圖撲結構圖中的用戶接口單元是一個由HFC網連接用戶終端的設備。它從HFC6接收視頻、數據、語音的混合信

22、號，經它分為兩路，一路由同軸電纜輸出有線電視信號和視頻信號至用戶的STB和TV；另一路射頻語音、數據信號解調后，送電話到其他家電設備，同時接受智能家庭控制器所采集的數據和各類報警信號。智能控制器則是基于LonWorks技術構成的，它即可完成電表、煤氣表、冷熱水表等數據的采集、傳輸，又可通過紅外傳感器、氣漏傳感器等進行安全報警，還可以實現對照明、家電等設備的控制，對室內溫、濕度的檢測。4總結基于LonWorks較RS485在通訊速率、傳輸速率、網絡結構、網絡容量、通信可靠性等方面的優點，本文主要就LonWorks總線，對于智能家庭控制網絡進行了簡單硬件與軟件設計，其中著重對于Lon控制模塊進行了設計，最后以拓撲結構圖的形式展現了基于LonWorks的智能家庭控制網絡的基本結構。運用LonWorks總線的方式，提高了系統的開放性和互操作性，由于Lonworks現場總線設備的智能化、數字化，系統的結構較為簡單，智能節點與現場儀表直接相連，設備與連線較少，減少了信號的往返傳輸，大大地提高了智能家庭控制網絡的可靠性。本文中的設計僅僅是最初步的設計，相信隨著LonWorks總線應用領域的不斷擴展，LonW