摘 要:介绍了LonWorks现场总线控制网络的基本结构,讨论了LonWorks技术在家庭智能化应用的优势,提出了LonWorks技术应用于智能家庭控制系统" title="控制系统">控制系统的一种解决方案,阐述了系统的软硬件设计。

关键词:智能家庭 LonWorks技术 控制系统

　　家庭智能控制系统是智能家庭的一个重要内容,它的发展依赖于网络技术与监控技术在家庭内部的推广。系统的设计首先要在家庭内部以家庭总线的方式构建一个控制网络,各种功能模块根据住户需要直接接入家庭网络,完成信息采集、传输、控制等相关功能;其次要实现家庭网络与外部互联网或者小区局域网的连接,达到远程监控的目的。本文通过分析智能家庭控制网络的功能及对控制系统的要求,结合LonWorks技术自身的特点,提出了LonWorks技术在智能家庭控制系统的一种应用方案。

1 LonWorks技术简介

　　LonWorks技术是美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的一种现场总线技术,目前已经被广泛地应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域,是当前最为流行的现场总线之一。LonWorks技术采用神经元芯片" title="神经元芯片">神经元芯片作为LON总线的通信处理器以及采集和控制的通用处理器,同时使用开放式的通信协议LonTalk。LonTalk协议的最大特点是对OSI七层协议的支持,是直接面向对象的网络协议(这是以往的现场总线所不支持的)。这为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准,使以往那些孤立的系统和产品融为一体,解决了不同厂家产品之间的互操作性问题,从而可以在家庭内部构成一个统一的网络控制系统。基于LonWorks技术的现场总线控制系统主要包括以下几个方面^[1]。

1.1 LonWorks节点

　　LonWorks网络系统主要由智能节点" title="智能节点">智能节点组成,每个智能节点可具有多种形式的I/O功能,节点之间可通过不同的传输媒介进行通信。一个典型的现场控制节点" title="控制节点">控制节点主要包含以下几部分功能块:应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器" title="收发器">收发器和电源。神经元芯片是智能节点的核心器件,片内集成媒体访问控制(MAC)处理器、网络处理器和应用程序处理器三个CPU,同时具有11位可编程I/O口、5位可编程通信口、2个可编程16位定时器/计数器,存储器容量可扩展至64K。芯片中固化了七层通信协议中的六层内容,是集通信、控制、调度和I/O支持为一体的处理器。收发器对发送和接收的信息进行编码和解码,不同的通信介质采用不同型号的收发器,主要包括双绞线收发器、电源线收发器、电力收发器、无线收发器、红外收发器等。

　　由于一个神经元芯片包含了一个现场节点的大部分功能块,因此一个神经元芯片加上收发器便可构成一个典型的现场控制节点。然而神经元芯片毕竟是8位总线,目前支持的最高主频是10MHz,因此它所能完成的功能也十分有限。对于一些复杂的控制系统,可以将神经元芯片作为通信协处理器,用高级主机的资源来完成复杂的测控功能。

1.2 路由器

　　路由器在LonWorks技术中是一个主要的部分。它是不同信道之间连接的桥梁,不同信道之间使用不同型号的路由器,这是其它现场总线所不具备的。正是由于路由器的使用,使LON总线突破了传统的现场总线的限制——不受通信介质、通信距离、通信速率的限制。LonWorks路由器能支持从简单到复杂的网络连接,所以这些网络可以小到几个节点,大到上万个节点。

1.3 LonTalk协议

　　LonTalk协议是LonWorks技术的通信协议,支持ISO/OSI七层协议,并固化在神经元芯片内。LonTalk支持多种传输介质,如双绞线、电力线、光纤、无线射频、红外线等。每一种介质称为一种信道,各种传输介质具有不同的传输速率,最高为1.25Mbps。LonTalk协议支持分散的Peer to Peer的通信,节点可以组成总线型、环型、树型等多种拓扑网络结构,甚至还可以组成自由拓扑结构。此外,LonTalk协议支持用Neuron C语言进行编程,并通过网络变量进行节点之间的逻辑安装,这是一种面向对象的开发和设计方法。

1.4 LonWorks网络管理

　　在LON总线中,需要一个网络管理工具来实现网络安装、网络维护以及网络监控三项功能。网络安装主要用于实现各个智能节点的连接,为网络上的节点分配逻辑地址,同时将每个节点的网络变量和显示报文连接起来,包括物理连接和逻辑安装。网络安装只是在系统开始时进行;而在系统的运行过程中则需要进行网络的维护和监控,以便随时了解网络上节点的网络变量和显示报文的变化情况。

2 系统组成及硬件设计

　　本系统所提出的控制网络是将PC机作为家庭服务器,应用LonWorks技术在家庭内部建立两种介质的控制子网。家庭内部各种设备直接挂接在相应的子网上,各个子网通过路由器相连,不同子网的设备可以和其它子网的设备交互通信,实现家庭的网络化智能控制^[3]。

　　系统拓扑结构如图1所示,分为家庭服务器、路由器和底层智能节点三个层次。

2.1 基于PC机的家庭服务器

　　上位机采用客户/服务器(Client/Server)的信息处理模式。PC机作为家庭服务器,通过插于机内ISA总线上的PCLTA适配卡接入家庭内的LonWorks网络,与网络上的其它节点进行通信,从而可以在PC机节点上监视和控制网络中的各种参数以及相应的家庭内部的各种状态。同时,PC机可以通过ADSL技术、HFC技术或者以太网技术接入到小区局域网或互联网,实现家庭网络的Internet接入。PC机服务器配备了网络环境下能提供家庭信息服务的程序系统,可以接收网络上多台客户机的请求,启动相关处理进程,以实现家庭的远程监测与控制。

2.2 路由器

　　路由器的设计主要是基于RTR-10核心模块和两个收发器模块(分别连接到两个通道上)。由于系统涉及双绞线和电力线两种通信介质,因此相应地就有两种路由器:双绞线到电力线路由器和双绞线到双绞线路由器。

2.3 智能节点

　　整个网络包含七种智能节点,分别是:

　　(1)灯光控制节点:该节点控制室内灯具的开关及照明度,通过使用照度探测、红外感应等手段实现门灯、照明设备的自动控制。

　　(2)家电控制节点:该节点控制传统家用电器的开关,通过使用红外线传感器和红外线发生器,实现室内部分电器的红外遥控。

　　(3)温度及湿度控制节点:该节点测量当前室内温度、湿度值,并在液晶显示器上显示。同时该值与设定值进行比较,将差值送至空调末端设备控制器,实现室内环境的自动控制。

　　(4)自动抄表节点:该节点实现家庭能耗表(水表、电表和煤气表)的自动抄送,解决入户抄表扰民和人为读数误差等问题。其工作原理是利用电子技术和传感技术,将住宅耗能计量表的数据转换为电脉冲信号,由节点进行采集、计数和存储,然后将三表数据传送到上位机进行进一步处理。

　　(5)安防报警节点:该节点实现家庭的安全防范,包括红外防盗探测、煤气泄漏、火警探测、紧急求助按钮等。其工作原理是发生抢劫盗窃、火灾、煤气泄漏等警情时,首先触发感应探测器或紧急按钮部分,然后节点将报警信号传送到上位机进行报警处理。

　　(6)键盘及显示控制节点:该节点实现室内的键盘及显示控制,设有16只按键和一块液晶显示器,用于状态的设置和查询,如设防/撤防、数据查询、电器控制等。

　　(7)电话及语音控制节点:该节点实现电话及语音控制。电话接口电路包括振铃测试、模拟摘机、信号音测试、双音频接收、双音频发送等电路,用于实现电话的指令控制,如电话留言、电话报警、远程控制家电等。

　　七种智能节点的硬件设计根据节点功能的难易程度分为两类:单处理器的智能节点和双处理器的智能节点。单处理器的智能节点是以神经元芯片为核心,如图2所示。神经元芯片不仅要实现节点与网络的通信,而且通过将其I/O口直接连接到传感器/执行器上,实现端口数据的实时采集、监视和控制,主要应用于功能较为简单的节点,如自动抄表节点、安防报警节点等。双处理器的智能节点是将神经元芯片作为通信协处理器,而复杂的测控功能则用高级处理器(如80C196KC)的资源来完成,如图3所示,主要应用于功能较为复杂的节点,如键盘及显示控制节点、电话及语音控制节点等。

3 系统的软件

　　整个控制系统的软件由两部分组成:一是各个智能节点的软件,二是上位机的监控软件。

3.1 智能节点的软件

　　各个智能节点上,神经元芯片的应用程序采用NodeBuilder开发环境下的Neuron C语言进行开发,主要完成信号采集、状态监控、定义网络变量以及节点通信等任务。Neuron C是以ANSI C为基础,专门为神经元芯片而设计的编程语言,同时加入通信、事件调度、分布数据对象和I/O功能。而基于双处理器的智能节点,其主处理器的应用程序由汇编语言或C语言编写,主要完成液晶显示、红外遥控、语音控制等复杂的测控任务。在节点开发和组态成功后,各个节点在现场完成数据的采集和处理,并将各类信号以网络变量的形式实时送入LonWorks网络中,相应节点自由交互通信,实现网络化的智能控制。

节点程序的开发流程如图4所示。

3.2 上位机的监控软件

　　上位机的监控软件以Windows 98作为软件平台,利用Echelon公司的LonManager系列中的DDE Server软件与插于PC机内ISA总线上的PCLTA接口卡进行通信。采用Visual Basic 6.0完成监控软件的开发。软件的开发是以消息的响应为核心,DDE服务器定时从LonWorks网络上获取最新网络变量信息,触发监控软件中定义的消息,然后由监控软件完成相应的功能。监控软件的核心是处理各个消息之间的关系并在此基础上完成监视和控制的功能,主要是监测需要实时显示的重要系统参数以及相应的控制,主要由初始化模块、网络参数设置及监视模块、历史数据记录模块以及各个具体任务模块组成。

　　现阶段国内的家庭智能化建设主要集中于开发远程抄表系统、安防报警系统和家电控制系统,与国外相比,智能化程度不高。然而随着信息技术的发展,智能家庭是未来家庭发展的必然趋势,家庭智能化的程度也将越来越高,因此现有系统的设计应该能够适合未来家庭智能化的发展。本系统正是基于此而提出的,该方案通过LON总线来构建家庭控制网络,采用LonWorks技术实现底层的控制和通信功能。系统具有以下特点:

　　(1)控制系统做到了多网合一,大大简化系统布线;

　　(2)网络中每个节点都能完成控制和通信功能,部分节点不会影响系统稳定;

　　(3)LonWorks在网络结构上的自由拓扑特性和软件设计上的完全面向对象,使其易扩充、易组态。

参考文献

1 杨育红. LON网络控制技术及应用. 西安:西安电子科技大学出版社,1999.4

2 曹玖新,张德运,普杰信. 家庭网络技术与发展. 微型机与应用,2000;19(9)

3 王俊杰,谢春燕. 基于LonWorks技术的监控网络实验模型的研究与实现.自动化仪表,2000(7)