Lonworks在家庭智能控制系统的应用
摘 要：分析住宅小区智能化区别于智能大楼的特点，集中讨论智能住宅的核心部分家庭控制网络的功能及对控制系统的要求，介绍了Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线控制网络的基本结构和组成，突出其开放性和易组态的优点，提出了利用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ搭建家庭智能控制网络的整体解决方案。
关键词：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 现场总线 智能住宅 家庭智能控制系统
１ 引言
自从世界上第一栋智能大楼于1984年1月在美国建成投入使用以来，智能大楼在许多国家积极兴起，它的出现给我们的工作、学习、交流以及各种信息的索取和传输带来很多便利，同时住宅、楼栋和小区的智能化也成为适应人们对生活水平和生活质量需要的必然趋势。
家庭总线的家庭智能控制系统是社区管理和服务系统的用户终端，同住户直接相关，是实现住宅智能化的核心。本文通过分析家庭智能控制系统的功能要求，结合Ｌｏｎｗｏｒｋｓ自身的特点，提出利用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ搭建家庭智能控制网络的整体解决方案。
2 智能化住宅及家庭控制网络
智能化住宅与智能大楼有区别，要求的目标也不一致。不同于智能大楼所要求的3A、5A，住宅自动化和家庭自动化（HA）强调人们生活居住空间的协调，环境与人们生活需求的适应和便利，主要功能集中在家庭安全报警、电话远程控制、红外集中遥控、自动抄表控制及小区物业管理等方面。
智能化住宅的重要组成是家庭控制网络，它采用家庭总线系统（HBS）来进行各种信息的传送，将家庭内的各种信息通信等设备（包括安保、电话、电脑、家电、视听等）接在总线式的共同传输线上，加强各设备之间相互有机联系的同时并不限于家庭内部，可同社会的种种功能融合起来，成为社会网络的一部分，做到任何地方或任何时候都可以随意地查询或索取家庭内外的各种信息。
家庭控制网络的核心部分是HBC（家庭控制器）和IFU（接口模块），HBC用来管理与监控接在IFU终端下各种设备的信息传送，同时实现与外部信息网络的连接，而IFU则是用来实现家庭总线与终端之间的配接（物理电气上的匹配和逻辑上的匹配），各种设备通过IFU与家庭总线连接，并在HBC的管理下构成家庭总线系统，实现了家庭内、外的信息传送及管理。
3 Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制网络的组成及网络结构
ＬＯＮ总线是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的一种现场总线，采用OSI全部七层协议，是开放式的、直接面向对象的网络协议（ＬｏｎＴａｌｋ协议）。核心采用神经元芯片，内含3个8位处理器，分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理。采用专门的网络收发器使物理层可以使用多种介质，如双绞线、无线及低压电源线载波等等。LON总线在网络开放性和网络互操作性等网络处理能力方面具有很大的优势。可以说，Ｌｏｎｗｏｒｋｓ开放、分布式、互操作控制网络技术是目前应用效果最佳，前景最为看好的分布式控制网络技术。
基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技术的现场控制系统由Ｌｏｎｗｏｒｋｓ节点和路由器、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ协议、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ收发器和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络管理这几个部分构成。图1为ＬＯＮ总线构成的一个现场网络。
３．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ节点及路由器Ｌｏｎｗｏｒｋｓ节点可以采用以神经元芯片为核心的方式，即神经元芯片加上收发器构成一个现场控制节点。由于神经元芯片功能有限，也可以采用神经元芯片加主处理器的方式，把神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成复杂的测控功能。
路由器是LON总线中一个重要的组成部分，也是其他总线所不具备的。它使现场总线不再受通信介质、通信距离和通信速率的限制。
３．２ ＬｏｎＴａｌｋ协议
ＬｏｎＴａｌｋ是ISO组织制定的OSI开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集。
ＬｏｎＴａｌｋ协议的网络地址结构有域（Domain）、子网（Subnet）、节点（Node）这3层结构。域的结构保证了同一通信介质中不同域的节点之间通信彼此独立，子网是一个或多个通道的逻辑分组。
每一个神经元芯片有一个唯一的48位Neuron ID地址，用于网络安装和配置。
LonTalk协议MAC子层采用带预测的P坚持CSMA协议实现冲突检测和优先级，带预测的P－坚持CSMA协议。对所有节点都根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效地避免了网络频繁碰撞。MAC层中提供一个可选择的优先级机制。该机制允许提供不同等级的服务。
LonTalk协议提供4种报文服务：确认服务、请求／应答方式、非确认重发方式和非确认方式，4种方式各有优劣，适用于不同的场合。
网络变量是LonTalk协议中的数据项，用关键字Network定义，LonTalk协议定义标准网络变量类型（SNVT）来实现应用之间的兼容。
3.3 LonWorks收发器
LON总线的一个重要特点就是它对多通信介质的支持。可以根据不同的现场环境选择不同收发器和介质。主要包括双绞线收发器、电源线收发器、电力线收发器、无线收发器、光纤收发器。目前双绞线是使用最广泛的一种介质。
3.4 LonWorks网络管理
LON总线网络管理的功能主要是网络安装、网络维护、网络监控及网络诊断。
网络管理和诊断的主要报文有24种，如报文"读存储器"，其方向是网络管理器节点，目的是读节点的存贮单元。
LNS提供给用户强大的客户／服务器构架，是LON总线的可互操作性基础。
网络服务器提供一个网络数据库，可以通过它对网络上的节点和路由器进行网络管理。
4 用LonWorks搭建家庭控制网络
LonWorks技术在家庭控制网络中的应用给小区住宅智能化带来了全新的解决方案。采用LonWorks网络使得从封闭的依赖于单个厂商的控制系统到完全可以互操作的家庭智能控制系统的转变成为现实，可以以LonWorks技术为依托，开发LonWorks兼容的能用智能控制节点，各种专用节点，以及各种智能传感器、执行器，搭建新一代的家庭控制网络。
4.1 家庭控制网络拓扑结构
家庭总线的家庭智能控制系统是社区管理和服务系统的用户终端，其间通过用户接口单元（CIU）连接。家庭智能控制系统集宅内安防、远程抄表和家电控制于一体，有关设备都挂接在LonWorks网组成的家庭总线上（HBS），所有报警信号经过智能节点的转换和标准化，通过LonWorks网络送到社区。其拓扑结构如图2所示
（1）系统构成
安全防卫系统：包括红外防盗探测、煤气泄漏及自动关阀控制、火警探测、紧急求助按钮、门磁、劫持求助、报警信号等，所有报警信息经过智能节点的转换和标准化，通过LonWorks网络送到社区中心监控计算机，进行多媒体声光报警信息提示，并实现报警历史记录、警情处理记录的统计查询，为住户提供一个安全的居住环境。
远程抄表系统：通过智能节点实现水电气暖4表远程电子抄表计费，杜绝入户抄表的不安全因素和人工抄表的弊端，为住户提供安全便捷准确的服务。
家电控制系统：业主可通过电话和智能节点或遥控器控制家电设备，也可实现家电的智能自动控制，如用照度探测、红外感应或时间表实现门灯、照明、空调等设备的自动控制；自动控制调节室内温度、湿度、通风等，为住户提供舒适便利的家居环境。
（2）用户接口单元
用户接口单元是HFC采用光纤和有线电视网络传输数据的宽带接入技术网连接用户终端设备的接口。它从HFC接收视频、数据、话音的混合信号，经它分成两份，一路由同轴电缆输出有线电视信号和视频信号至用户的STB和TV；另一路射频话音、数据信号解调后，送电话等其它家电设备，同时接收IHC所采集的四表数据和各类报警信号。
（3）智能家庭控制器
智能家庭控制器（IHC）基于LonWorks技术构成的，它既可完成电表、煤气表、冷热水表等数据的采集、传输，又可通过红外、气漏等传感器等进行安全报警。通过LonWorks节点的DO口，还可以实现对家电、照明等设备的控制，对室内的温、湿度进行检测。例如：
——温度检测 测当前室内温度值，该值被送给空调机组，该值与设定值的差值送给空调末端设备控制器。
——湿度检测 测当前室内温度值，并在液晶显示器上显示。
——家电控制 控制家电开合。
——灯光控制 控制室内灯具的开关及照明度。
——集中空调末端控制
这里每户一个Lonworks节点，通信和控制功能均由该节点实现，即使某一节点被切断，整个网络照常工作。
4.2 Lonworks家庭控制网络的主要优点
（1）实现真正的多网合一
基于LonWorks的控制网络做到多网合一，物理上只有一条通道，大大简化系统走线。
（2）分布式无中心控制。
LonWorks网络控制系统中，每个节点都能完成控制和通讯功能，部分节点不会影响系统稳定。
（3）易扩充、易组态
LonWorks在网络结构上的自由拓扑特性及软件设计上的完全面向对象使其易扩充、易组态。
（4）产品开发方便、有效
5 结束语
基于LonWorks平台开发的家庭智能控制系统是实现小区住宅智能化的潮流选择，是家庭控制网络发展的方向。文中提到的基于HFC的家庭控制网络更是一种真正一体化的控制网络，组网、布线、安装和维护等都有优势。
参考文献：
［１］ＬＯＮ网络控制技术及应用·西安电子科技大学出版社，1999
［２］王锦标·现场总线控制系统·微计算机信息，1996，12（6），8～16
［３］王希之·关于现场总线·工业仪表与自动化装置，1997（1），49～５１
关键词：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 现场总线 智能住宅 家庭智能控制系统
１ 引言
自从世界上第一栋智能大楼于1984年1月在美国建成投入使用以来，智能大楼在许多国家积极兴起，它的出现给我们的工作、学习、交流以及各种信息的索取和传输带来很多便利，同时住宅、楼栋和小区的智能化也成为适应人们对生活水平和生活质量需要的必然趋势。
家庭总线的家庭智能控制系统是社区管理和服务系统的用户终端，同住户直接相关，是实现住宅智能化的核心。本文通过分析家庭智能控制系统的功能要求，结合Ｌｏｎｗｏｒｋｓ自身的特点，提出利用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ搭建家庭智能控制网络的整体解决方案。
2 智能化住宅及家庭控制网络
智能化住宅与智能大楼有区别，要求的目标也不一致。不同于智能大楼所要求的3A、5A，住宅自动化和家庭自动化（HA）强调人们生活居住空间的协调，环境与人们生活需求的适应和便利，主要功能集中在家庭安全报警、电话远程控制、红外集中遥控、自动抄表控制及小区物业管理等方面。
智能化住宅的重要组成是家庭控制网络，它采用家庭总线系统（HBS）来进行各种信息的传送，将家庭内的各种信息通信等设备（包括安保、电话、电脑、家电、视听等）接在总线式的共同传输线上，加强各设备之间相互有机联系的同时并不限于家庭内部，可同社会的种种功能融合起来，成为社会网络的一部分，做到任何地方或任何时候都可以随意地查询或索取家庭内外的各种信息。
家庭控制网络的核心部分是HBC（家庭控制器）和IFU（接口模块），HBC用来管理与监控接在IFU终端下各种设备的信息传送，同时实现与外部信息网络的连接，而IFU则是用来实现家庭总线与终端之间的配接（物理电气上的匹配和逻辑上的匹配），各种设备通过IFU与家庭总线连接，并在HBC的管理下构成家庭总线系统，实现了家庭内、外的信息传送及管理。
3 Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制网络的组成及网络结构
ＬＯＮ总线是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的一种现场总线，采用OSI全部七层协议，是开放式的、直接面向对象的网络协议（ＬｏｎＴａｌｋ协议）。核心采用神经元芯片，内含3个8位处理器，分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理。采用专门的网络收发器使物理层可以使用多种介质，如双绞线、无线及低压电源线载波等等。LON总线在网络开放性和网络互操作性等网络处理能力方面具有很大的优势。可以说，Ｌｏｎｗｏｒｋｓ开放、分布式、互操作控制网络技术是目前应用效果最佳，前景最为看好的分布式控制网络技术。
基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技术的现场控制系统由Ｌｏｎｗｏｒｋｓ节点和路由器、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ协议、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ收发器和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络管理这几个部分构成。图1为ＬＯＮ总线构成的一个现场网络。
３．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ节点及路由器Ｌｏｎｗｏｒｋｓ节点可以采用以神经元芯片为核心的方式，即神经元芯片加上收发器构成一个现场控制节点。由于神经元芯片功能有限，也可以采用神经元芯片加主处理器的方式，把神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成复杂的测控功能。
路由器是LON总线中一个重要的组成部分，也是其他总线所不具备的。它使现场总线不再受通信介质、通信距离和通信速率的限制。
３．２ ＬｏｎＴａｌｋ协议
ＬｏｎＴａｌｋ是ISO组织制定的OSI开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集。
ＬｏｎＴａｌｋ协议的网络地址结构有域（Domain）、子网（Subnet）、节点（Node）这3层结构。域的结构保证了同一通信介质中不同域的节点之间通信彼此独立，子网是一个或多个通道的逻辑分组。
每一个神经元芯片有一个唯一的48位Neuron ID地址，用于网络安装和配置。
LonTalk协议MAC子层采用带预测的P坚持CSMA协议实现冲突检测和优先级，带预测的P－坚持CSMA协议。对所有节点都根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效地避免了网络频繁碰撞。MAC层中提供一个可选择的优先级机制。该机制允许提供不同等级的服务。
LonTalk协议提供4种报文服务：确认服务、请求／应答方式、非确认重发方式和非确认方式，4种方式各有优劣，适用于不同的场合。
网络变量是LonTalk协议中的数据项，用关键字Network定义，LonTalk协议定义标准网络变量类型（SNVT）来实现应用之间的兼容。
3.3 LonWorks收发器
LON总线的一个重要特点就是它对多通信介质的支持。可以根据不同的现场环境选择不同收发器和介质。主要包括双绞线收发器、电源线收发器、电力线收发器、无线收发器、光纤收发器。目前双绞线是使用最广泛的一种介质。
3.4 LonWorks网络管理
LON总线网络管理的功能主要是网络安装、网络维护、网络监控及网络诊断。
网络管理和诊断的主要报文有24种，如报文"读存储器"，其方向是网络管理器节点，目的是读节点的存贮单元。
LNS提供给用户强大的客户／服务器构架，是LON总线的可互操作性基础。
网络服务器提供一个网络数据库，可以通过它对网络上的节点和路由器进行网络管理。
4 用LonWorks搭建家庭控制网络
LonWorks技术在家庭控制网络中的应用给小区住宅智能化带来了全新的解决方案。采用LonWorks网络使得从封闭的依赖于单个厂商的控制系统到完全可以互操作的家庭智能控制系统的转变成为现实，可以以LonWorks技术为依托，开发LonWorks兼容的能用智能控制节点，各种专用节点，以及各种智能传感器、执行器，搭建新一代的家庭控制网络。
4.1 家庭控制网络拓扑结构
家庭总线的家庭智能控制系统是社区管理和服务系统的用户终端，其间通过用户接口单元（CIU）连接。家庭智能控制系统集宅内安防、远程抄表和家电控制于一体，有关设备都挂接在LonWorks网组成的家庭总线上（HBS），所有报警信号经过智能节点的转换和标准化，通过LonWorks网络送到社区。其拓扑结构如图2所示
（1）系统构成
安全防卫系统：包括红外防盗探测、煤气泄漏及自动关阀控制、火警探测、紧急求助按钮、门磁、劫持求助、报警信号等，所有报警信息经过智能节点的转换和标准化，通过LonWorks网络送到社区中心监控计算机，进行多媒体声光报警信息提示，并实现报警历史记录、警情处理记录的统计查询，为住户提供一个安全的居住环境。
远程抄表系统：通过智能节点实现水电气暖4表远程电子抄表计费，杜绝入户抄表的不安全因素和人工抄表的弊端，为住户提供安全便捷准确的服务。
家电控制系统：业主可通过电话和智能节点或遥控器控制家电设备，也可实现家电的智能自动控制，如用照度探测、红外感应或时间表实现门灯、照明、空调等设备的自动控制；自动控制调节室内温度、湿度、通风等，为住户提供舒适便利的家居环境。
（2）用户接口单元
用户接口单元是HFC采用光纤和有线电视网络传输数据的宽带接入技术网连接用户终端设备的接口。它从HFC接收视频、数据、话音的混合信号，经它分成两份，一路由同轴电缆输出有线电视信号和视频信号至用户的STB和TV；另一路射频话音、数据信号解调后，送电话等其它家电设备，同时接收IHC所采集的四表数据和各类报警信号。
（3）智能家庭控制器
智能家庭控制器（IHC）基于LonWorks技术构成的，它既可完成电表、煤气表、冷热水表等数据的采集、传输，又可通过红外、气漏等传感器等进行安全报警。通过LonWorks节点的DO口，还可以实现对家电、照明等设备的控制，对室内的温、湿度进行检测。例如：
——温度检测 测当前室内温度值，该值被送给空调机组，该值与设定值的差值送给空调末端设备控制器。
——湿度检测 测当前室内温度值，并在液晶显示器上显示。
——家电控制 控制家电开合。
——灯光控制 控制室内灯具的开关及照明度。
——集中空调末端控制
这里每户一个Lonworks节点，通信和控制功能均由该节点实现，即使某一节点被切断，整个网络照常工作。
4.2 Lonworks家庭控制网络的主要优点
（1）实现真正的多网合一
基于LonWorks的控制网络做到多网合一，物理上只有一条通道，大大简化系统走线。
（2）分布式无中心控制。
LonWorks网络控制系统中，每个节点都能完成控制和通讯功能，部分节点不会影响系统稳定。
（3）易扩充、易组态
LonWorks在网络结构上的自由拓扑特性及软件设计上的完全面向对象使其易扩充、易组态。
（4）产品开发方便、有效
5 结束语
基于LonWorks平台开发的家庭智能控制系统是实现小区住宅智能化的潮流选择，是家庭控制网络发展的方向。文中提到的基于HFC的家庭控制网络更是一种真正一体化的控制网络，组网、布线、安装和维护等都有优势。
参考文献：
［１］ＬＯＮ网络控制技术及应用·西安电子科技大学出版社，1999
［２］王锦标·现场总线控制系统·微计算机信息，1996，12（6），8～16
［３］王希之·关于现场总线·工业仪表与自动化装置，1997（1），49～５１
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