LonWorks技术在网络化楼宇控制系统中的应用

【摘 要】本文讨论了基于LON总线和以太网的网络控制系统的设计原则和实现方法。文章以实现LON总线接入因特网为目标，在对LonTalk协议进行深入研究的基础上，设计开发了实现两网互联的网关设备——互联适配器，介绍了LonWorks 的Neuron 芯片通信模块的硬件电路设计、LonWorks通信模块与以太网通信模块中51单片机的接口硬件电路设计部分和以太网接口通信模块的硬件电路设计，从而实现以太网与LON总线的互联，为实现企业信息网络与控制网络集成提供了一种可行的方法。

【关键词】LonWorks 楼宇自动化 智能楼宇控制系统 网络 工业以太网

【中图分类号】TU855 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）02-0179-02

一 引言

随着互联网的发展，在使用计算机进行互连的同时，各种智能家电、工业控制、智能仪器仪表、数据采集系统都在逐步趋向网络化。在工业控制网络中一般采用现场总线技术。现场总线实时性好，数据通信可靠性高，但通信数据量小。与此同时，以太网以其廉价和开放的特点成为最普及的局域网技术，也是构筑互联网的基础。以太网通信数据量大、速度快，但在实时性和可靠性方面先天不足。为实现二者的优势互补，必须将现场总线与以太网互连。通过遍布各地的因特网将地域分布的控制网络连接在一起，实现不同类型网络之间的互连，以组成一个真正全分散、全开放的控制网络结构，不仅解决了控制网络与上层信息管理网络之间的互通，而且也解决了不同标准的现场总线技术之间的互连问题，这也是现代工业控制网络的发展趋势。

二 楼宇自动化系统的基本构成

楼宇自动化系统是智能建筑的必备要素和关键所在，主要对智能建筑中所有机电设施和能源设备实现高度自动化和智能化的集中管理。它以中央计算机和中央监控系统为核心，对建筑物内设置的供水、电力、照明、空调、冷热源、防火、防盗、监控、门禁、电梯和停车场等各种设备的运行情况进行集中监测控制和科学管理，从而创造出一个适宜的温度、湿度、亮度和空气清新的工作和生活环境，达到了节能、高效、舒适、安全、便利和实用的要求。楼宇自动化系统的基本组成，见图1。

三 LonWorks控制网络的构成

LonWorks现场总线技术构成控制网络时支持多种传输媒介，通过收发器提供多种典型的拓扑结构，支持诸如总线型、星型、环型、混合型，故而给网络安装提供了极大的方便。混合型的网络结构图，见图2。

LonWorks控制网络主要由智能节点构成，智能节点与各自的外设相互联系，并通过各种通信介质以一个公共的、基于消息的控制规程和其他的智能节点通信，通信方式可以是点对点的形式。当控制网络中存在几种不同的通信介质时，可以通过路由器互连。

LonWorks控制网络还可以通过网桥、网关与其他网络相连构成现场总线控制网络。在LonWorks控制网络中也期望通过Internet对控制网络进行异地和远程控制，LonWorks技术的互联网链接设备适时地为此需求提供了可能，如i.lon-1000等。LonWorks智能节点直接通过i.lon-1000接入了Internet。

四 LonTalk协议

LonTalk协议是LonWorks技术的网络通信协议。LonTalk是支持节点间可靠通信和有效使用通信介质的各种服务的集合，它包容了LonWorks总线的所有网络通信功能。LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、抗干扰性强、基于数据包的对等通信机制。下表出示了其分层结构。

五 网络适配器的硬件电路设计

1.LonWorks通信模块的硬件电路设计

LON网接口模块主要由Neuron3150神经元芯片、LonWorks网络收发器、程序存储器、数据存储器等组成。其中，3150神经元芯片采用日本TOSHIBA公司生产的TMPN3150，作为通信协处理器使用，3150片内存储器的容量是2KB；由于开发Neuron芯片时采用Neuron C语言，内存占用大，另外作为通信协处理器使用要求有大量的数据缓冲区进行数据交换，因此笔者扩展了外部存储器Flash ROM和RAM，Neuron3150芯片与LON网的网络介质的接口选用Echelon公司的自由拓扑型收发器FTT-10A，它采用曼彻斯特编译码，是一种变压器耦合收发器，可提供一个无极性接口，且支持网络的自由拓扑结构，通过它挂接入LON网与各智能测控节点进行数据通信。

LonWorks通信模块的硬件电路设计是对神经元芯片进行电路的扩展，使之成为LonWorks网络上的一个特殊的Lon节点，不仅可以与LonWorks网络上的Lon节点进行通信，还可作为适配器的协通信处理器。神经元芯片3150为16位地址总线，可寻址64kB空间，可以外接存储器。根据一般应用的性能和成本要求，适配器的外部存储器采用FLASH和RAM。Neuron芯片与Lon的网络介质的接口采用双绞线收发器。为了保证通信速率，选用的是TPT/XF1250。

2.LonWorks通信模块与以太网通信模块的接口硬件电路设计

LonWorks通信模块与以太网通信模块的接口硬件设计主要完成主CPU与从CPU的接口设计。两个CPU之间的通信遵从虚拟的写令牌传递协议得以实现。从CPU采用A模式，Neuron芯片驱动IO10产生握手应答信号，接收从主CPU控制的IO8的片选信号及IO9的读写信号。同时，主CPU可以通过RS232接口与PC机通信实现在系统编程。为了提高适配器的可靠性及稳定性，增加了一个锁存器，完成复位接口的功能。当Neuron芯片复位时，通过锁存器将复位信号传送给51单片机，51单片机接到复位信号自动复位，并立即清锁存器。在两个CPU的并口通讯中，51单片机与Neuron芯片之间的同步非常重要。要完成并口通讯，51单片机首先必须与Neuron芯片同步，而程序设计中51单片机只在初始化程序时才与Neuron芯片进行同步操作。因此一旦51单片机首次完成同步，每当Neuron芯片由于错误操作或错误运行而造成复位时，Neuron芯片与51单片机将不同步，而51单片机无法检测到Neuron已经不同步，从而造成并口通讯失败。加入了锁存器之后51单片机就能检测到Neuron芯片的复位信号并自动复位自己的程序使得51单片机与Neuron 芯片再次达到同步。

3.以太网通信模块的硬件电路设计

以太网控制模块是网关与以太网通信的控制部分。本设计采用RealTek公司的RTL8019AS（以下简称8019），它具有极高的集成度，在芯片中集成了以太网控制器、曼彻斯特编码器、收发器3部分功能；通过受控寄存器控制数据的收发。外接20MHz晶振并具有16KB数据缓冲存储区，可以完成大量数据的高速接收和发送。如上所述，该网关分别采用LonWorks总线及以太网作为现场测控网络及Internet的底层接入网，利用89C52来实现LonTalk协议与TCP/IP协议的转换，用8019作为以太网接口芯片将LON网接入以太网进而接入因特网，从而实现了LON网与以太网的互联，只需外接20MHz晶振，就可以完成大量数据的接收与发送。网卡芯片也可以采用NE2000，因为它和RTL8019AS兼容。

六 结束语

在TCP/IP协议的传输层上还需完成TCP协议以满足更加可靠的网络传输需求，利用HTTP协议还可以实现图像、声音的传输，可以使远程监控能够情景交融。同时为了防止有人恶意监视住户的家庭状况，还应考虑网络安全问题等。在工业以太网还没有普及的情况下，现场总线控制系统和以太网结合的状况必将持续一段较长的时间，因此进行控制网络接入以太网的研究具有现实的意义。

参考文献

[1]李勇周、朱建林、郭有贵.基于MIPCARD的LonWorks的以太网网关设计[J].湘潭大学自然科学学报，2005（4）：25～27

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