建筑設備自動化管理系統(tǒng)之關鍵技術(shù)

先柯樺

建筑設備自動化管理系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線技術(shù)具有一般總線不同的特點，它不僅是一個基層網(wǎng)絡，而且還是一種開放式、新型全分布的控制系統(tǒng)。這項以計算機、數(shù)字通訊、智能傳感、控制等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將致使自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設備的深刻變革。這是因為現(xiàn)場總線體系簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使控制系統(tǒng)從設計、安裝、維護、檢修等各個方面更加優(yōu)越，主要體現(xiàn)在節(jié)省投資、減少安裝費用，節(jié)省維護開銷，提高了系統(tǒng)可靠性，易于集成等。

目前現(xiàn)場總線技術(shù)有許多不同的選擇，例如LonWork、CAN、Profibus、BACnet等。LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)在智能建筑方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，它支持在同一網(wǎng)絡上使用混合媒體，可使用多種拓撲結(jié)構(gòu)，支持模塊即插即用，有開放性和互操作性，適合在樓宇控制領域?qū)⒏鲝S商提供設備和子系統(tǒng)連接起來組成相互聯(lián)系、協(xié)同工作、統(tǒng)一監(jiān)控與管理的自動化控制系統(tǒng)，實際上起著通用網(wǎng)絡總線的作用。

LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)是美國Echelon公司推出的一種綜合的測控網(wǎng)絡。它可以解決在控制網(wǎng)絡的設計、構(gòu)成、安裝和維護中出現(xiàn)的大量問題。LonWorks總線的互操作性是指開放網(wǎng)絡中的許多智能設備之間可以相互自由通信，而不需加入監(jiān)控設備負責整個系統(tǒng)的控制流程。LonWorks系統(tǒng)的互操作標準由LonWorks互操作協(xié)會負責制定，包含了以下幾個方面。

1 Neuron芯片

神經(jīng)元芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它包含了所有獲取和處理信息、傳播控制信息和標準協(xié)議以及對不同通信介質(zhì)的訪問控制所需要的功能。

神經(jīng)元芯片主要包含兩大系列：MCI43120和MC143150。兩種的區(qū)別是：MCI43120不支持外部存儲器，它本身帶有ROM；而MC143150系列則支持，適合較為復雜的應用。兩種的共同點是：內(nèi)部都有三個8位CPU（MAC CPU、網(wǎng)絡CPU、應用CPU）。

2 LonTalk通信協(xié)議

LonWorks技術(shù)的核心是LonTalk通信協(xié)議。LonTalk通信協(xié)議提供一套通信服務， 使裝置中的應用程序在無需知道名稱、地址、網(wǎng)絡拓撲或其他裝置功能的情況下，能在網(wǎng)上對其他裝置收發(fā)報文。LonTalk通信協(xié)議能有選擇地提供報文證實、端到端的報文確認、優(yōu)先級發(fā)送以便設定有界事務處理時間。對網(wǎng)絡管理業(yè)務的支持， 包括參數(shù)的重新配置和網(wǎng)絡地址、報告網(wǎng)絡問題、節(jié)點應用程序的起始、終止、復位和下載應用程序，可以通過網(wǎng)絡使遠程網(wǎng)絡管理工具和其他裝置相互作用。

LonWorks協(xié)議是一個分層的以數(shù)據(jù)包為基礎的對等的通信協(xié)議。和有關的因特網(wǎng)和以太網(wǎng)協(xié)議一樣， 它是一個遵守國際標準化組織（ISO）分層體系結(jié)構(gòu)要求的標準?？墒?， LonTalk協(xié)議設計用于控制系統(tǒng)而不是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特定的要求。每個包由長度不定、可變數(shù)目的字節(jié)構(gòu)成，并且包含尋址以及應用層的信息和其他信息。信道上的每個裝置通過監(jiān)視在信道上傳輸?shù)拿總€包，以此來確定自己是否是收信人。假如是收信人， 它處理該包以判明它是否是個網(wǎng)絡管理包或者它是包含節(jié)點應用程序所需的信息。在應用包中的數(shù)據(jù)如果是提供給應用程序的， 并且合適的話， 會向發(fā)送裝置發(fā)送一個確認報文。

為了處理網(wǎng)上報文沖突， LonTalk使用類似以太網(wǎng)所用的“載波監(jiān)聽多路訪問”（CSMA） 算法。LonTalk協(xié)議建立在CSMA基礎上， 提供介質(zhì)訪問協(xié)議，可以通過預測網(wǎng)絡業(yè)務量發(fā)送優(yōu)先級報文和動態(tài)調(diào)整時間槽的數(shù)目。通過動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡帶寬，使網(wǎng)絡能在網(wǎng)絡業(yè)務量較小的情況下不降低網(wǎng)絡速度，而在極高的情況下也能繼續(xù)運行。

3 Neuron C

LonWorks網(wǎng)絡的應用程序基本以Neuron C語言編碼完成，寫成后， 神經(jīng)元碼就編譯成神經(jīng)元能理解的和的集合， 并輸入存儲器， 連接到芯片或直接輸入芯片。在ANSI C基礎上，Neuron C有較大的擴展：

（1）新的語句類型，“何時”語句以介紹“事件”和確定任務執(zhí)行次序。

（2）2個定時器對象，35個I/O對象，37個額外數(shù)據(jù)類型使裝置控制器標準化， 并可以簡化其使用。

（3）可用于隱式（網(wǎng)絡變量）和顯式（邏輯、物理、目的地名稱尋址）報文格式的集成報文傳送機制。

Neuron C使用以事件為基礎編程模型，并具有較為不同的編程聚合轉(zhuǎn)換。簡單地說， 應用程序通常由特定節(jié)點上的事件或發(fā)生在網(wǎng)上其他地方觸發(fā)。因此網(wǎng)絡本身是事件驅(qū)動的，由此表明其他網(wǎng)絡類型的業(yè)務量遠高于LonWorks網(wǎng)絡，但同時也意味著一個裝置不必等待輪詢即可報導狀況。在某些復雜的應用中， 神經(jīng)元系列的最大存儲器容量和處理器速度都不足以完成LonWorks節(jié)點的要求功能。為了適應這些復雜的應用， 某些種類的神經(jīng)元芯片擁有高速并行接口， 使任何微處理器能使用神經(jīng)元芯片， 并以一個專用接口應用微處理器（稱為MTP應用）作為它的網(wǎng)絡通信微處理器來執(zhí)行應用程序。作為替代方案， 開放的協(xié)議可移植在任何處理器上運行。在這種情況下， LonWorks裝置并不需要一個神經(jīng)元芯片， 但是所有這些裝置都要分配一個唯一的48位ID。

4路由器和收發(fā)器

路由器是Lonworks技術(shù)的一個重要部分，主要用來連接不同通信介質(zhì)的LON網(wǎng)絡。在Lonworks技術(shù)中，路由器主要包括中繼器、橋接器和路由器三種類型。路由器除連接不同媒介的LON網(wǎng)絡外，還能控制網(wǎng)絡交通，增加信息流量，提高網(wǎng)絡速度等。

LonWorks技術(shù)的獨特能力是對多種介質(zhì)的透明支持， 它使開發(fā)者能選擇最適合他們需要的通信方法和介質(zhì)。路由器可對多種介質(zhì)的支持，也能用于控制網(wǎng)絡業(yè)務量， 將網(wǎng)絡分段，抑止從其他部分來的數(shù)據(jù)流量， 從而增加了網(wǎng)絡容量和總通過量。網(wǎng)絡工具以網(wǎng)絡拓撲為基礎自動配置路由器， 使安裝者便于安裝并對節(jié)點透明。路由器裝置使單一的對等網(wǎng)絡能跨接許多類型傳輸介質(zhì)， 支持成千上萬的裝置。路由器通常有2個互聯(lián)的神經(jīng)元， 每個神經(jīng)元有一個適用于2個信道的收發(fā)器， 路由器就連接在這2個信道上。路由器對網(wǎng)絡的邏輯操作是完全透明的， 但是它們并不一定傳輸所有的包。智能路由器充分了解系統(tǒng)配置， 能將沒有遠地地址的包閉塞。使用了另一類型叫做穿越路由器的路由器， LonWorks系統(tǒng)能在象因特網(wǎng)這樣的廣域網(wǎng)上跨接巨大的距離。

展望未來的智能建筑與智能住宅，LonWorks總線將在其中得到廣泛應用。故LonWorks現(xiàn)場總線將成為建筑設備自動化系統(tǒng)中一項最為關鍵的技術(shù)。

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