（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于lonworks技術(shù)的智能小區(qū)信息管理系統(tǒng)的應用研究.pdf

摘要 過去十年里，互聯(lián)網(wǎng)世界中爆發(fā)了一場悄無聲息的革命。l o n w o r k s 技術(shù)作 為新一代網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，以優(yōu)良的開放性、互操作性、網(wǎng)絡(luò)適應性、靈活的網(wǎng) 絡(luò)拓撲以及面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計等特點處于這場技術(shù)革命的前沿，并在智 能建筑和智能小區(qū)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 本文首先提出了智能小區(qū)的概念和功能目標。在分析了智能小區(qū)建設(shè)中選用 l o n w o r k s 技術(shù)的優(yōu)勢后，對l o n w o r k s 現(xiàn)場總線技術(shù)的組成進行了詳盡的介紹， 包括l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、l o n t a l k 通信協(xié)議、l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)硬件實現(xiàn)和 l o n w o r k s 開發(fā)工具。隨后，本文從應用的視角出發(fā)，構(gòu)建了一個完整的智能小 區(qū)信息管理系統(tǒng)。本文的第三章主要給出底層智能小區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，包括 智能小區(qū)住戶節(jié)點的功能規(guī)劃、硬件設(shè)計及軟件開發(fā)，實現(xiàn)了對小區(qū)住戶水、 電、氣三表數(shù)據(jù)的采集、安防報警和家電控制等功能；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一 個智能小區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并采用l o n m a k e r 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具進行組網(wǎng)。這部分重 點研究了n e u r o n 芯片技術(shù)、n e u r o nc 編程以及l(fā) o n m a k e r 組網(wǎng)。第四章主要解 決底層l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)與上層應用軟件間的通信問題。利用d d e 技術(shù)，本文實 現(xiàn)了v i s u a lc + + 應用程序與l n sd d e 服務(wù)器的實時通信，從而獲取了底層 l o n w o r k s 控制網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息。本章詳細分析了利用c + + 類如何實現(xiàn) d d e 通信的過程，并給出了相應的程序代碼。第五章主要對智能小區(qū)信息管理 系統(tǒng)的軟件平臺進行了功能規(guī)劃，將其劃分為三部分：智能小區(qū)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控予系 統(tǒng)、智能小區(qū)物業(yè)管理子系統(tǒng)和智能小區(qū)用戶信息查詢子系統(tǒng)，實現(xiàn)了對底層 l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的監(jiān)控和管理、物業(yè)管理中的用戶權(quán)限、用戶信息、報警、 繳費和報表打印等功能以及面對用戶服務(wù)的用戶查詢功能。針對智能小區(qū)信息 管理系統(tǒng)軟件功能的規(guī)劃，本文給出了相應的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計。 隨著i n t e r n e t 技術(shù)的飛速發(fā)展，對智能小區(qū)信息管理系統(tǒng)的開放和信息共享 已經(jīng)成為一種日益增長的需求。智能小區(qū)控制網(wǎng)絡(luò)連入i n t e m e t 之后，可以使之 增加許多新的、有價值的、超越局域網(wǎng)的服務(wù)功能。在文章的最后，對基于w e b 的智能小區(qū)信息系統(tǒng)的應用進行了展望。 關(guān)鍵詞：智能小區(qū)，l o n w o r k s ，n e u r o n 芯片，n e u r o nc ，d d e a b s t r a c t o v e rt h ep a s td e c a d e ，as i l e n tr e v o l u t i o nh a st a k e n p l a c ei nt h en e t w o r k i n g w o r l d l o n w o r k st e c h n o l o g ya san e wc o n t r o lt e c h n o l o g yo fn e t w o r ki sa tt h ef o r e f r o n to f t h i s t e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o nb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ff i n eo p e ns y s t e m ， i n t e r a c t i o n o p e r a t i o n ，n e t w o r ka d a p t a b i l i t y , f l e x i b l e n e t w o r k t o p o l o g y a n d o b j e c t o r i e n t e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nd e s i g n ，a n dw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so ft h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g a n d i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y e t c t h ep a p e rh a sp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to ft h ei n t e l l i g e n tc o m m u n i t ya n di t s f u n c t i o ng o a l a tf i r s t a f t e ra n a l y z i n gt h ea d v a n t a g eo fl o n w o r k st e c h n o l o g yw h i c h u s e di nt h ec o n s t r u c t i o no f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , t h el o n w o r k s f i e l db u st e c h n o l o g y h a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gl o n w o r k sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，l o n t a l k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，l o n w o r k sn e t w o r kh a r d w a r er e a l i z a t i o na n dl o n w o r k s d e v e l o p i n gt o o l s t h e n ，a ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fi n t e l l i g e n t c o m m u n i t y h a sb e e ns t r u c t u r e db a s e do nv i s u a la n g l eo f a p p l i c a t i o n c h a p t e r 3o ft h i s p a p e rp r o v i d e sg r o u n df l o o rn e t w o r kd e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc o m m u n i t ym a i n l y , i n c l u d i n gf u n c t i o n a lp l a n n i n g ，h a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h e h o u s e h o l d sn o d ei na l l i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , t or e a l i z ed a t ac o l l e c t i o no fw a t e r m e t e r ，a m m e t e ra n dg a sm e t e ro ft h eh o m e ，s a f e t ya l a r ma n de l e c t r i cd e v i c ec o n t r o l ； b a s e do ni t ，ac o n t r o ln e t w o r ko fi n t e h i g e n tc o m m u n i t yh a sb e e ns t r u c t u r e d ，a n d d e v e l o p e db yl o n m a k e ri n t e g r a t i o nt 0 0 1 t h i sp a r th a sm a i n l yr e s e a r c h e dn e u r o n c h i pt e c h n o l o g y , n e u r o ncp r o g r a m m i n ga n di n s t a l l i n g al o n w o r k sn e t w o r kb y l o n m a k e r c h a p t e r4s o l v e 毒t h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e nt h eg r o u n df l o o r l o n w o r k sn e t w o r ka n du p p e r a p p l i c a t i o n s o f t w a r e p r i m a r i l y b a s e d o nd d e t e c h n o l o g y , t h i sc h a p t e r r e a l i z e st h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv i s u a lc + + a p p l i c a t i o np r o g r a m a n dl n sd d e s e r v e r , a n de a s i l yo b t a i n i n gt h ei n f o r m a t i o n f r o m d e v i c e si n ag r o u n df l o o rl o n w o r k sn e t w o r k t h e c h a p t e r i n t r o d u c c sh o wt o i m p l e m e n t d d eu s i n gc + + c l a s s e si n d e t m la n d p r o v i d e s t h e c o r r e s p o n d i n g p r o c e d u r ec o d e c h a p t e r 5c a l i e so nt h ef u n c t i o n a lp l a n n i n gt ot h es o f t w a r ep l a t f o r m o ft h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t ym a i n l y , a n dd i v i d e s i ti n t ot h r e e p a n s ：n e t w o r km o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s u b s y s t e m a n du s e ri n f o r m a t i o n i n q u i r ys u b s y s t e m ，t o r e a l i z et h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n to ft h e d e v i c e si nt h eg r o u n df l o o rl o n w o r k sn e t w o r k ，i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n to fu s e ra u t h o r i t y , u s e ri n f o r m a t i o n ，a l a r m ，p a yt h ef e e sa n dt h ef u n c t i o n o f i n q u i r i n gi n f o r m a t i o nb yu s e r s t ot h es o f t w a r ef u n c t i o n a lp l a n n i n go fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t o f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , t h ec h a p t e rp r o v i d e st h er e l e v a n td e s i g no ft h e r e l a t i o nd a t a b a s e w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , o p e na n di n f o r m a t i o n s h a r i n g i na ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t b e c o m eo n ed e m a n dt h a ti n c r e a s e s p r o g r e s s i v e l y a f t e r c o n n e c t e dt o i n t e r n e t ，t h e c o n t r o ln e t w o r k so f i n t e l l i g e n t c o m m u n i t yc a nm a k en e w , v a l u a b l es e r v i c e sf u n c t i o na n de v e nb eb e t t e rt h a nl a n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , i th a sal o o kf o r w a r dt ot h ew e b a p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t y k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , l o n w o r k s ，n e u r o nc h i p ，n e u r o nc ，d d e 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 智能小區(qū)的概念 第1 章引言 2 0 世紀中葉以來，科學技術(shù)飛速發(fā)展，特別是電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通 信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，對有數(shù)千年歷史的建筑行業(yè)產(chǎn)生了重大的影響。 建筑不僅僅只是一個擋風遮雨、防寒保暖的庇護所，進而成為一個能感覺、能 反應、能傳遞信息、能判斷決策，特別是能適應各種變化的安全、高效、舒適 的生活、工作環(huán)境。智能建筑是人們在信息時代對辦公條件和居住環(huán)境提出更 高要求的呼聲下應運而生的，是信息時代的必然產(chǎn)物。 智能小區(qū)是結(jié)合智能大廈、智能住宅和國內(nèi)住宅小區(qū)的特點而衍生出來的。 建設(shè)部關(guān)于住宅產(chǎn)業(yè)化辦公室提出的住宅小區(qū)的基本概念如下：智能小區(qū)是以 科學技術(shù)為基礎(chǔ)，依賴先進的設(shè)備和科學的管理，利用計算機及其相關(guān)最新技 術(shù)，將自然生態(tài)環(huán)境和建筑技術(shù)與計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信與信息處 理技術(shù)等相結(jié)合的高度綜合復雜系統(tǒng)；它為小區(qū)住戶提供更加安全、方便、快 捷、舒適開放的家居環(huán)境，實現(xiàn)小區(qū)基礎(chǔ)物業(yè)管理，安防管理以及信息管理方 面的高度綜合自動化，以實現(xiàn)降低成本、節(jié)約能源、保護環(huán)境和提高服務(wù)等目 標。 1 2 智能小區(qū)信息系統(tǒng)的功能目標 全國住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程建設(shè)要點與技術(shù)導則( 試行稿) 按照 不同星級，從安全防范子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)三個方面提 出對住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程的功能要求。 ( 1 ) 安全防范子系統(tǒng) 安全防范子系統(tǒng)由出入口管理及周界防越報警系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、 對講防盜門系統(tǒng)、住戶報警系統(tǒng)和保安巡更管理系統(tǒng)五部分構(gòu)成。各部分功能 目標如下： 出入口管理及周界防越報警系統(tǒng) 出入口管理及周界防越報警系統(tǒng)主要的功能目標是建立封閉式小區(qū)，加強 出入口管理，防范區(qū)外閑雜人員進入，同時防范非法翻越圍墻或柵欄。 閉路電視監(jiān)控系統(tǒng) 閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)是在小區(qū)主要通道、重要公建及周界設(shè)置前端攝像機， 將圖像傳到管理中心。中心對整個小區(qū)進行實時監(jiān)控和記錄，使中心管理人員 武漢理工大學碩士學位論文 充分了解小區(qū)動態(tài)。 對講防盜門系統(tǒng) 對講防盜門在各個單元路口安裝防盜門和對講裝置，以實現(xiàn)訪客與住戶對 講可視對講。住戶可遙控開啟防盜門，有效地防止非法人員進入住宅樓內(nèi)。 住戶報警系統(tǒng) 住戶報警系統(tǒng)是為了保證住戶在住宅內(nèi)的人身財產(chǎn)安全。通過在住宅內(nèi)門 窗及室內(nèi)其它部位安裝各種探測器進行晝夜監(jiān)控。當監(jiān)測到警情時通過住宅內(nèi) 的報警主機傳輸至智能化管理中心的報警接收計算機。接收機將準確顯示警情 發(fā)生的住戶名稱、地址和所遭受的入侵方式等，提示保安人員迅速確認警情， 及時趕赴現(xiàn)場，以確保住戶人身和財產(chǎn)安全。同時住戶也可通過固定式緊急呼 救報警系統(tǒng)或便攜式報警裝置，在住宅內(nèi)發(fā)生搶劫案件和病人突發(fā)疾病時，向 智能化管理中心呼救報警，中心可根據(jù)情況迅速出警。 保安巡更管理系統(tǒng) 保安巡更管理系統(tǒng)是在小區(qū)各區(qū)域內(nèi)及重要部位制定保安人員巡更路線， 并安裝巡更站點。保安巡更人員攜帶巡更記錄機需按指定的路線和時間到達巡 更點并進行記錄，將記錄信息傳送到智能化管理中心。管理人員可調(diào)閱打印各 保安巡更人員的工作情況，加強保安人員的管理，從而實現(xiàn)人防和技防的結(jié)合。 ( 2 ) 信息管理子系統(tǒng) 信息管理子系統(tǒng)也由五部分構(gòu)成，各部分功能目標如下： 水、電、氣、熱等表具遠程抄收 計量水、電、氣、熱等表遠程抄收系統(tǒng)是通過采集抄收各表數(shù)據(jù)傳送到智 能化物業(yè)管理中心，實現(xiàn)各戶各表數(shù)據(jù)的錄入、費用計算并打印收費帳單，將 相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到相應的職能部門，避免入戶抄表擾民和人為讀數(shù)誤差。 供電設(shè)備、公共照明、電梯、供水等主要設(shè)備監(jiān)控管理 對小區(qū)內(nèi)給排水、變配電系統(tǒng)以及電梯等進行工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制， 從而實現(xiàn)公共設(shè)備的最優(yōu)化管理并降低故障率。同時，利用傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò) 通訊控制技術(shù)，根據(jù)自然光亮度和使用要求，采用智能開關(guān)方式和定時自動控 制方式實現(xiàn)公共照明及環(huán)境燈光的自動控制。從而達到優(yōu)化整個小區(qū)燈光照明， 延長燈具壽命和節(jié)約能源的目的。 車輛出入，停車管理 車輛出入停車管理系統(tǒng)通過對小區(qū)停車場出入口的控制，完成對車輛進出 及收費的有效管理。 緊急廣播與背景音樂 在小區(qū)廣場、中心綠地、組團綠地、道路交匯等處設(shè)置音箱，音柱等放音 2 武漢理工大學碩士學位論文 設(shè)備，由管理中心集中控制，可在節(jié)假日、每日早晚及特定時間播放音樂，也 可通過遍布于小區(qū)內(nèi)的音箱播放一些公共通知、科普知識、娛樂節(jié)目等。同時， 在發(fā)生緊急事件時可作為緊急廣播強制切入使用。 物業(yè)計算機管理 硬件部分采用計算機或計算機局域網(wǎng)組成。軟件部分以高效、便捷的軟件 體系來協(xié)調(diào)小區(qū)居民、物業(yè)管理人員、物業(yè)服務(wù)人員三者之間的關(guān)系。對物業(yè) 管理中的房產(chǎn)、住戶、服務(wù)、公共設(shè)旋、工程檔案、各項費用及維修信息資料 進行數(shù)據(jù)采集、傳遞、加工、存儲、計算等操作，反映物業(yè)管理的各種運行狀 況。軟件結(jié)構(gòu)應以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)信息共享，方便物業(yè)公司和住戶信息溝通。 ( 3 ) 信息網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) 針對小區(qū)星級的不同，對信息網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)有不同的具體要求。信息網(wǎng)絡(luò)予 系統(tǒng)主要提供小區(qū)的信息傳輸通道，是目前發(fā)展迅速的高科技領(lǐng)域之一。 1 。3 智能小區(qū)建設(shè)中應用l o n w o r k s 技術(shù)的特點 l o n w o r k s 技術(shù)是目前國際上控制領(lǐng)域中最熱門的通用控制總線技術(shù)之一， 它得到世界各大著名工控產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的支持，應用范圍極為廣泛。在智能小 區(qū)建設(shè)中選用l o n w o r k s 技術(shù)有以下特點： ( 1 ) 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)靈活多變?？筛鶕?jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點采用不同的連接方 式，可以最大限度地降低布線的復雜性和工作量，提高系統(tǒng)的可靠性和維護性。 ( 2 ) l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)是對等網(wǎng)絡(luò)。其任一節(jié)點的故障不會造成系統(tǒng)癱瘓。一 個住戶節(jié)點的損壞和關(guān)閉不影響其他住戶節(jié)點的運行。 ( 3 ) n e u r o n 芯片內(nèi)置現(xiàn)成的i 0 對象、l o n t a l k 協(xié)議，并使用高級語言編 程，大大縮短開發(fā)周期。 ( 4 ) l o n w o r k s 節(jié)點之聞使用邏輯連接，很容易添加和修改節(jié)點，便于系統(tǒng) 調(diào)整和擴充升級。 1 4 本課題的研究意義及創(chuàng)新 隨著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展和i n t e m e t 在全球范圍的盛行，開放、互連和信息 共享已成為r r 時代的潮流，構(gòu)造不同廠家的產(chǎn)品能夠互聯(lián)、互換和互操作并可 以與i n t e r n e t 無縫連接的新一代樓宇自動控制系統(tǒng)( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ， b a s ) ，已成為業(yè)主、系統(tǒng)集成商和用戶的迫切需要和現(xiàn)實追求。 l o n w o r k s 技術(shù)作為新一代網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，以優(yōu)良的開放性、互操作性、網(wǎng) 絡(luò)適應性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲以及面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計等特點，成為現(xiàn)場總 武漢理工大學碩士學位論文 線技術(shù)和控制領(lǐng)域的一個最佳選擇，并成為小區(qū)智能化建設(shè)的最佳方案之一。 智能小區(qū)系統(tǒng)可以通過l o n w o r k s 技術(shù)互聯(lián)成一個整體，使智能小區(qū)管理中一i i , 能 集中管理，分散控制。運用l o n w o r k s 技術(shù)可以很容易地實現(xiàn)智能化住宅的所有 功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以采用自由拓撲結(jié)構(gòu)，布線容易。對不同系統(tǒng)的功能要求， 對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無需作任何修改，只需對l o n w o r k s 節(jié)點編寫相應的程序，將其直接 連接到控制網(wǎng)絡(luò)上，使得整個智能小區(qū)具有很強的可擴展性。旱期可以使用 些基本的功能，以后根據(jù)需要不斷地增強系統(tǒng)的功能。對于最終用戶來說，項 目的初期投資大為減少，系統(tǒng)管理簡單，增加新功能又十分簡便。 本課題在參考了全國住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程建設(shè)要點與技術(shù)導則 ( 試行稿) 的基礎(chǔ)上，提出了智能小區(qū)信息管理系統(tǒng)的功能規(guī)劃，并針對小區(qū) 住戶三表數(shù)據(jù)抄表、安防報警和家電控制等功能需求設(shè)計了小區(qū)住戶智能節(jié)點， 同時構(gòu)建了一個智能小區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在底層網(wǎng)絡(luò)與上位監(jiān)控機之間通信方面， 采用v i s u a lc + + 進行l(wèi) n sd d e 編程，利用c + + 類實現(xiàn)了客戶應用程序與l n s d d e s e r v e r 之間的d d e 通信，最終實現(xiàn)了上位機對底層控制網(wǎng)絡(luò)的信息采集、 監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫管理，這是本文的主要創(chuàng)新之處。 4 武漢理工大學碩士學位論文 第2 章l o n w o r k s 現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線技術(shù)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合與集成，廣泛應 用于各類自動化控制系統(tǒng)中。本章首先介紹了現(xiàn)場總線的概念和特點，隨后， 著重討論了本課題涉及的l o n w o r k s 現(xiàn)場總線，包括其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、l o n t a l k 通信 協(xié)議、l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)以及開發(fā)工具，為后文中的應用開發(fā)提供了理 論支持。 2 1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述 現(xiàn)代工業(yè)過程控制領(lǐng)域?qū)y控系統(tǒng)的速度、精度、成本等方面提出了更高 的要求，全數(shù)字、雙向、多節(jié)點的現(xiàn)場總線應運而生【l 】。現(xiàn)場總線是一種串行的 數(shù)字通信鏈路，它溝通了生產(chǎn)領(lǐng)域中現(xiàn)場設(shè)備之間以及更高層次控制過程設(shè)備 之間的聯(lián)系。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)帶來了自動控制領(lǐng)域的革命性變革，為實施大范 圍智能控制提供了強大的技術(shù)支持。 2 1 1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點 現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場和在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行數(shù) 字通信的系統(tǒng)。它在制造業(yè)、工業(yè)過程、交通和樓字等自動化系統(tǒng)中具有廣泛 的應用前景。與傳統(tǒng)控制技術(shù)相比，現(xiàn)場總線技術(shù)具有隊下鮮明的特點： ( 1 ) 開放式控制網(wǎng)絡(luò) 開放式控制網(wǎng)絡(luò)允許許多智能設(shè)備之間相互通信，而不需加入監(jiān)控設(shè)備并 能負責整個系統(tǒng)級的控制算法。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備構(gòu)成對等( p e e r t op e e r ) 結(jié)構(gòu)，即 每個設(shè)備負責直接將信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備，信息由設(shè)備的發(fā)送器以數(shù) 據(jù)包形式發(fā)出，一個或多個接收器接收這些數(shù)據(jù)包。 ( 2 ) 分布式智能 網(wǎng)絡(luò)己出現(xiàn)許多年了，除了大型計算機系統(tǒng)外，通常還沒有應用到網(wǎng)絡(luò)控 制設(shè)備，絕大多數(shù)通信協(xié)議仍被用來進行計算機或個人之間的數(shù)據(jù)通信。隨著 微處理器價格的不斷下降，可以將微處理器嵌入到價格低廉的控制器和控制設(shè) 備。在這個意義上說，控制設(shè)備具有通信和信息處理的能力( n x 擔傳感測量、 補償計算、數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)) ，該設(shè)備亦稱為“智能設(shè)備”。 ( 3 ) 強大的網(wǎng)絡(luò)功能 在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，采用的通信協(xié)議通常服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。然而在控制 網(wǎng)絡(luò)中，通信協(xié)議主要提供智能設(shè)備間頻繁、可靠、安全的通信，設(shè)備間對等 武漢理工大學碩士學位論文 的信息傳輸?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用自由拓撲結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場設(shè)備自治，以點對點通信 方式實現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的信息融合。通過各種智能網(wǎng)關(guān)、橋接器和路由器不僅實 現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的分段成組，還可以實現(xiàn)現(xiàn)場控制系統(tǒng)向信息系統(tǒng)的集成。 2 1 2 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)場總線自2 0 世紀8 0 年代中期問世，傳統(tǒng)的自動化儀表、集散控制系統(tǒng) ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 、可編程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，p l c ) 的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)受到了挑戰(zhàn)。自動化設(shè)備的制造廠家被迫進行 產(chǎn)品更新?lián)Q代，出現(xiàn)了一批集檢測、運算、控制功能于一體的變送控制器，具 有通信功能的智能化數(shù)字儀表，以及帶有控制模塊和故障信息的執(zhí)行器，大大 改變了現(xiàn)有設(shè)備的維護管理方式?，F(xiàn)場總線是新型自動化系統(tǒng)，又是低帶寬的 底層控制網(wǎng)絡(luò)，它可與i n t e r n e t 的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相連，溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場級設(shè)備與 更高控制管理層之間的聯(lián)系，以分布式的智能和強大的網(wǎng)絡(luò)能力增強了系統(tǒng)的 可靠性和品質(zhì)，代表了工業(yè)自動化的發(fā)展方向。由于現(xiàn)場總線擔負測量控制的 特殊任務(wù)，具有信息傳輸?shù)膶崟r性、高可靠性和短幀傳送，其傳輸速率一般在 幾k b s 至1 0 m b s 之間。 目前國際上有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸形成其影響，并在一些特定的應用領(lǐng) 域顯示了自己的優(yōu)勢。它們分別為基金會現(xiàn)場總線( f o u n d a t i o n f i e l db u s ，f f ) 、 l o n w o r k s 現(xiàn)場總線、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) 總線和h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 總線等。其中l(wèi) o n w o r k s 總線以其支持o s i o s i 七層模型、支持多種通信媒介及易于實現(xiàn)等諸多特征，受到了廣泛的關(guān)注。 現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品具有很強的開放性、兼容性、可靠性和互操作性，廣泛用 于工業(yè)過程、樓宇、家庭、能源等自動化領(lǐng)域。現(xiàn)場總線技術(shù)促使控制網(wǎng)絡(luò)與 信息網(wǎng)絡(luò)的集成，極大地改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)方式和生活方式，擴大了傳統(tǒng)控制領(lǐng) 域的范疇。 2 1 3l o n w o r k s 總線技術(shù)優(yōu)勢 l o n w o r k s 總線技術(shù)是美國e c h e l o n 公司1 9 9 2 年推出的構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 完整平劊2 】。包括：為控制網(wǎng)絡(luò)提供智能、具備通信和控制功能的n e u r o n 芯片； 符合i s o o s i 七層通信協(xié)議的l o n t a l k 協(xié)議；支持多種傳輸介質(zhì)的收發(fā)器；用于 節(jié)點研制、調(diào)試和組網(wǎng)的n o d e b u i l d e r 工具；能方便高效地管理網(wǎng)絡(luò)安裝、維護 和監(jiān)測，以保證整個網(wǎng)絡(luò)具有互操作性的l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系架構(gòu)l n s ；用 于應用層軟件開發(fā)的n e u r o nc 等。 高可靠性、安全性、易于實現(xiàn)和互操作性，使得l o n w o r k s 產(chǎn)品應用非常廣 武漢理工大學碩士學位論文 泛。它廣泛應用于過程控制、電梯控制、能源管理、環(huán)境監(jiān)視、污水處理、火 災報警、采暖通風和空調(diào)控制、交通管理、家庭網(wǎng)絡(luò)自動化等【3 】o 為了便于各個 廠商不同設(shè)備的互操作，e c h e l o n 公司和一些l o n w o r k s 用戶在1 9 9 4 年成立了 l o n w o r k s 互操作協(xié)會。協(xié)會的主要任務(wù)是制定和推廣l o n w o r k s 技術(shù)的設(shè)計指 導標準，并幫助生產(chǎn)廠商和最終用戶制造和使用可互操作的l o n w o r k s 產(chǎn)品。 l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已成為諸多組織、行業(yè)的標準。消費電子制造商蜘會 ( c e m a ) 將l o n w o r k s 協(xié)議作為家庭網(wǎng)絡(luò)自動化的標準( e i a 7 0 9 ) 。1 9 9 9 年 1 0 月，a n s i 接納l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)協(xié)議作為一個開放工業(yè)標準，包含在 a n s i e i a 7 0 9 1 中。國際半導體原料協(xié)會( s e m i ) 明確采納l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 作為其行業(yè)標準，還有許多國際行業(yè)協(xié)會采納l o n w o r k s 協(xié)議標準，這將鞏固 l o n w o r k s 產(chǎn)品在諸多行業(yè)領(lǐng)域應用的地位，推動l o n w o r k s 技術(shù)的發(fā)展。 2 2l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 構(gòu)成l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)主要單元是智能節(jié)點，它的核心是n e u r o n 芯片，此外 還包括l o n t a l k 收發(fā)器、存儲器、電源和外圍電路。智能節(jié)點是物理設(shè)備的抽象， 應用設(shè)備、路由器、網(wǎng)絡(luò)接口卡都可以稱為智能節(jié)點。 2 2 1l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) l o n w o r k s 技術(shù)可以通過多種收發(fā)器，提供多種典型的拓撲結(jié)構(gòu)，如總線型、 星型、環(huán)型、混合型等，這給網(wǎng)絡(luò)安裝提供了極大方便。圖2 - 1 所示為一個混合 型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 圖2 - 1 混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2 2 2l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 智能節(jié)點是構(gòu)成l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)的主要單元?；趌 o n t a l k 通信阱議，智能 節(jié)點之問通過各種通信介質(zhì)進行相互通信。當控制網(wǎng)絡(luò)中存在幾種不同的通信 介質(zhì)時，可以通過路由器互連。l o n w o r k s 控制網(wǎng)絡(luò)也可以通過網(wǎng)關(guān)連接其它的 武漢理工大學碩士學位論文 控制網(wǎng)絡(luò)。圖2 - 2 所示為l o n w o r k s 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。 圖2 - 2l o n w o r k s 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2 3l o n t a l k 通信協(xié)議 摶盤 托割 終 l o n w o r k s 通信協(xié)議稱為l o n t a l k 協(xié)議和a n s i e i a 7 0 9 1 控制網(wǎng)絡(luò)標準，是 l o n w o r k s 系統(tǒng)的核心【4 1 。該協(xié)議提供一系列通信服務(wù)使得一個設(shè)備的應用程序 可以在不了解網(wǎng)絡(luò)拓撲、名稱、地址或其它設(shè)備功能的情況下發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò) 上其他設(shè)備的消息。l o n t a l k 協(xié)議能提供端到消息確認、消息認證、打包業(yè)務(wù)和 優(yōu)先傳送服務(wù)，提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的支持，并允許遠程網(wǎng)絡(luò)管理工具與網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備進行交互。 2 3 1l o n t a l k 協(xié)議的特點 ( 1 ) l o n t a l k 協(xié)議采用分級編址方式，即域、子網(wǎng)和節(jié)點地址。 ( 2 ) l o n t a l k 協(xié)議支持多種通信介質(zhì)，包括雙絞線、電力線、同軸電纜、 無線電和紅外線、光纖傳輸介質(zhì)等。 ( 3 ) 互操作性強，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點可對其它節(jié)點進行操作，傳輸控制信息。 ( 4 ) 響應時間快，通信安全可靠。 2 - 3 2l o n t a l k 協(xié)議的七層模型 l o n t a l k 協(xié)議是一個分層的、基于數(shù)據(jù)包的對等通信協(xié)議。l o n t a l k 協(xié)議提 供了o s i 參考模型的所有七層服務(wù)。表2 - 1 給出了o s i 七層協(xié)議模型以及對應 的l o n t a l k 協(xié)議服務(wù)。 武漢理工大學碩士學位論文 表2 - 1l o n t a l k 協(xié)議的各層功能 層次o s i 層次服務(wù)l o n t a l k 提供的服務(wù)處理器 7應用層 網(wǎng)絡(luò)應用標準網(wǎng)絡(luò)類型應用處理器 6表示層 數(shù)據(jù)表示網(wǎng)絡(luò)變量，外部幀傳輸網(wǎng)絡(luò)處理器 5會話層遠程遙控 請求響應，認證，網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)處理器 絡(luò)管理 4傳輸層端對端可靠傳輸應答，非應答，點對點網(wǎng)絡(luò)處理器 及雙重檢查 3網(wǎng)絡(luò)層傳輸分組地址，路由網(wǎng)絡(luò)處理器 鏈鏈路層幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)解碼， 2路 c r c 錯誤檢查m a c 處理器 層m a c介質(zhì)訪問可預測c s m a ，沖突避 子層免，優(yōu)先級 1物理層電路連接 介質(zhì)，電氣接口m a c 處理器 ( 1 ) 物理層：物理層定義了在通信信道上位流的傳輸。物理層確保一個源 設(shè)備發(fā)送的位流準確地被目的設(shè)備所接收。l o n t a l k 協(xié)議是基于傳輸介質(zhì)的，多 個物理層協(xié)議支持不同的通信介質(zhì)。 ( 2 ) 數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層定義介質(zhì)訪問方法和確保有效利用單一信道 的數(shù)據(jù)編碼。物理層的位流被分割成數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)鏈路層定義源設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù) 幀的時刻，目的設(shè)備如何接收數(shù)據(jù)幀以及檢測傳輸錯誤，同時還定義了優(yōu)先級 機制以確保重要信息的傳送。 ( 3 ) 網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層定義了來自源設(shè)備的消息是如何選擇路由到達一個或 多個目的設(shè)備的。網(wǎng)絡(luò)定義設(shè)備名稱和地址，還定義了當源設(shè)備和目的設(shè)備不 在同一個信道上時，如何確定消息路由。 ( 4 ) 傳輸層：傳輸層確?？煽康南鬏?。消息可以用一種確認服務(wù)方式 來進行數(shù)據(jù)交換，即源設(shè)備等待來自接收設(shè)備的確認信號并且當未收到確認信 息時重發(fā)消息。同時，傳輸層還定義了由于丟失了確認消息重發(fā)時，如何排除 重發(fā)消息。 ( 5 ) 會話層：會話層對較低層數(shù)據(jù)交換加以控制。它支持遠程操作，使得 客戶可以對遠程服務(wù)提出請求，并接收對請求的響應；它還定義了一個認證協(xié) 議，使得消息接收者確認發(fā)送者是否有權(quán)發(fā)送該消息。 ( 6 ) 表示層：表示層定義消息數(shù)據(jù)的編碼。消息被編碼為網(wǎng)絡(luò)變量、應用 消息或外部幀。用標準化網(wǎng)絡(luò)變量類型s n v t s 支持網(wǎng)絡(luò)變量的互操作。 9 武漢理工大學碩士學位論文 ( 7 ) 應用層：應用層定義為一種低層交換數(shù)據(jù)的公共語義解釋，使不同的 應用程序中網(wǎng)絡(luò)變量改變時，均能自動將更新的網(wǎng)絡(luò)變量值下傳( 發(fā)送) 或上 傳( 接收) 。應用層還定義了一個文件傳輸協(xié)議，用來傳輸應用程序問的傳輸流。 2 3 3l o n t a l k 協(xié)議的編址方式 l o n t a l k 協(xié)議定義了一種分層編址方式，這種方式使用了域( d o m a i n ) 地址、 子剜( s u b n e t ) 地址和節(jié)點( n o d e ) 地址。為了進一步簡化多個分教 ，點的編址， l o n t a l k 協(xié)議還定義了另一級地址：組( g r o u p ) 地址。下面分別介紹。 ( 1 ) 域地址：l o n t a l k 編址的最頂層是域，是一個或多個通道上的節(jié)點的 一個邏輯集合( 一個通道是指在物理上能獨立發(fā)送消息而不需要轉(zhuǎn)發(fā)的一段介 質(zhì)) 。它只有在一個域中的節(jié)點才能互相通信。換句話說，在同一通道上的節(jié)點 完全可以通過賦予不同的域名而執(zhí)行不同的網(wǎng)絡(luò)應用，并絕對做到不同的網(wǎng)絡(luò) 應用之間完全獨立、互不干擾地運行。所以，域又稱為虛擬網(wǎng)絡(luò)。域標識使用 域標識符，域標識符對應的字數(shù)可在0 、1 、3 、6 個字節(jié)的4 個值中選擇。 ( 2 ) 子網(wǎng)地址：編址的第二層是子網(wǎng)，子網(wǎng)是域中節(jié)點的一個邏輯集合。 每個子網(wǎng)的節(jié)點數(shù)最多為1 2 7 個，而每個域最多有2 5 5 個子網(wǎng)。子網(wǎng)中的所有 節(jié)點必須是在同一區(qū)段上，子網(wǎng)不能跨越智能路由器。 ( 3 ) 節(jié)點地址：編址的第三層是節(jié)點。子網(wǎng)中的每個節(jié)點都被賦予一個唯 一的數(shù)值，該數(shù)值是7 位二進制值，這樣每個子網(wǎng)最多可配置的節(jié)點數(shù)為1 2 7 個。 ( 4 ) 組地址：一個組是一個域中的節(jié)點的邏輯集合。與子網(wǎng)不同，作為一 個組的節(jié)點無需考慮它在域中所處的物理位置。一個域中最多可指定2 5 6 個組， 而且對采用應答服務(wù)或請求響應服務(wù)的節(jié)點數(shù)最多為6 4 個；對采用非應答服務(wù) 的組節(jié)點數(shù)不限制。單獨的一個節(jié)點可同屬于多個組( 最多1 5 個組) 。組編址 的優(yōu)點是降低隨同消息發(fā)送的地址信息的字節(jié)數(shù)，同時也使同一組中的多個節(jié) 點可同時接收網(wǎng)上發(fā)出的單個消息。節(jié)點的組不僅可跨越同一域中的多個子網(wǎng)， 而且可跨越多個通道。 ( 5 ) n e u r o n 芯片標識：已知n e u r o n 芯片的標識符i d 可用作地址，并且這 個i d 值只在網(wǎng)絡(luò)安裝及配置時用作網(wǎng)絡(luò)尋址。網(wǎng)絡(luò)管理工具用在節(jié)點安裝時， 用它給安裝的節(jié)點配置屬于一個域還是兩個域，對應用消息不使用這種編址格 式。節(jié)點使用的編址格式有5 種，不同的編址格式?jīng)Q定了原地址及目標地址將 占用的字節(jié)數(shù)，編址格式如表2 2 所示。 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 表2 - 2l o n t a l k 協(xié)議的五種地址格式 地址格式目標地址長度( - 7 節(jié)數(shù)) 域( 子網(wǎng)= o )域內(nèi)所有節(jié)點3 域、子網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點 3 域、子網(wǎng)、節(jié)點子網(wǎng)內(nèi)的特定節(jié)點 4 【域、組組內(nèi)所有節(jié)點 3 l 域、n e u r o n i d特定節(jié)點9 2 3 4l o n t a l k 協(xié)議的通信服務(wù) ( 1 ) 網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)的響應時間、安全性和可靠性是相互關(guān)聯(lián)的。 ( 2 ) l o n t n k 消息服務(wù)：l o n t m k 協(xié)議提供以下4 種可選擇的消息服務(wù)： 確認服務(wù)( a c k n o w l e d g e d ) ：以這種方式發(fā)送消息，發(fā)送方必須收到每 個接收節(jié)點的確認信號。如果事務(wù)定時器溢出還沒有收到所有節(jié)點的全部確認 信號將重新發(fā)送，而重發(fā)次數(shù)和事務(wù)定時是可以任選的。確認信號由n e u r o n 芯 片的網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)生，而無需應用程序干涉。事務(wù)i d 號用于跟蹤消息和確認信 號，以避免應用程序不會收到重復的消息。 請求腔答服務(wù)( r e q u e s t r e s p o n s e ) ：請求應答服務(wù)與確認服務(wù)有相同的 可靠性，發(fā)送方需要接收到每個接收節(jié)點的應答信號，也包括重發(fā)次數(shù)和事項 定時。應答信號包含數(shù)據(jù)，所以該方式適用于遠程過程調(diào)用或客戶機服務(wù)器應 用。 非確認重發(fā)服務(wù)( u n a c k n o w l e d g e dr e p e a t e d ) ：這是一種比較可靠的方式， 消息向一個或一組節(jié)點發(fā)送多次，而不等待應答信號。這種消息方式適用于向 節(jié)點數(shù)較多的組進行廣播傳送，這時如果組內(nèi)節(jié)點都產(chǎn)生應答，網(wǎng)絡(luò)就會過載。 非確認服務(wù)( u n a c k n o w l e d g e d ) ：非確認服務(wù)是最不可靠的一種服務(wù)， 它不需要等待接收節(jié)點的應答信號。它適用于對網(wǎng)絡(luò)效率要求很高而網(wǎng)絡(luò)帶寬 有限，且對消息的丟失不敏感的應用場合。 ( 3 ) 沖突檢測：l o n t a l k 協(xié)議的沖突退避的算法是特有的，稱為預測p - 堅 持c s m a ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n c ec s m a ) 。它在保留c s m a 優(yōu)點的同時，克服 了其缺點，保證在過載的情況下不會因為沖突而降低吞吐量。當使用支持硬件 沖突檢測的傳輸介質(zhì)( 雙絞線) 時，一旦收發(fā)器檢測到?jīng)_突，l o n t a l k 協(xié)議就可 以有選擇地取消消息的發(fā)送，這使節(jié)點可以馬上重新發(fā)送并使沖突不再重發(fā)。 ( 4 ) 消息認證：l o n t a l k 協(xié)議支持消息認證服務(wù)，即允許消息的接收者確 定消息的發(fā)送方是否有權(quán)發(fā)送。它用于防止未授權(quán)節(jié)點介入應用。消息認證的 武漢理工大學碩士學位論文 實現(xiàn)使在節(jié)點安裝時，分配到一個4 8 位的密鑰，對于一個消息被接受方接收， 則發(fā)送方和接受方要有相同的密鑰。 2 4l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn) l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)中的硬件主要以n e u r o n 芯片為核心的智能節(jié)點設(shè)備構(gòu)成， 按其應用的不同可以分為l o n w o r k s 設(shè)備、l o n p o i n t 模塊和l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 2 4 1l o n w o r k s 設(shè)備 l o n w o r k s 設(shè)備是l o n w o r k s 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員根據(jù)其具體應用開發(fā)的智能節(jié)點 設(shè)備，一般分為基于芯片的智能節(jié)點和基于主機的智能節(jié)點兩大類，圖2 2 中包 含了這兩類節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。l o n w o r k s 設(shè)備的最基本組成包括一片n e u r o n 芯 片、收發(fā)器、存儲器、晶振和電源，這個最小系統(tǒng)也稱為l o n w o r k s 功能模塊。 另外，在實際應用中，可以根據(jù)需要對這個最小系統(tǒng)進行相應的i o 電路擴展。 2 4 1 1n e u r o n 芯片 l o n w o r k s 技術(shù)的核心是n e u r o n 芯片【4 】【5 1 。n e u r o n 芯片主要包含m c l 4 3 1 5 0 和m c l 4 3 1 2 0 兩大系列，m c l 4 3 1 5 0 支持外部存儲器，適合更為復雜的應用， 而m c1 4 3 1 2 0 則不支持外部存儲器，它本身帶有r o m 。3 1 5 0 為6 4 管腳，3 1 2 0 為3 2 管腳。 ( 1 ) 處理單元 n e u r o n 芯片內(nèi)部裝有三個微處理器：媒體訪問控制( m a c ) 處理器、網(wǎng) 絡(luò)( n e t w o r k ) 處理器和應用( a p p l i c