Lonworks在家庭智能控制系統的應用
摘 要：分析住宅小區智能化區別于智能大樓的特點，集中討論智能住宅的核心部分家庭控制網絡的功能及對控制系統的要求，介紹了Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場總線控制網絡的基本結構和組成，突出其開放性和易組態的優點，提出了利用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ搭建家庭智能控制網絡的整體解決方案。
關鍵詞：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 現場總線 智能住宅 家庭智能控制系統
１ 引言
自從世界上第一棟智能大樓于1984年1月在美國建成投入使用以來，智能大樓在許多國家積極興起，它的出現給我們的工作、學習、交流以及各種信息的索取和傳輸帶來很多便利，同時住宅、樓棟和小區的智能化也成為適應人們對生活水平和生活質量需要的必然趨勢。
家庭總線的家庭智能控制系統是社區管理和服務系統的用戶終端，同住戶直接相關，是實現住宅智能化的核心。本文通過分析家庭智能控制系統的功能要求，結合Ｌｏｎｗｏｒｋｓ自身的特點，提出利用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ搭建家庭智能控制網絡的整體解決方案。
2 智能化住宅及家庭控制網絡
智能化住宅與智能大樓有區別，要求的目標也不一致。不同于智能大樓所要求的3A、5A，住宅自動化和家庭自動化（HA）強調人們生活居住空間的協調，環境與人們生活需求的適應和便利，主要功能集中在家庭安全報警、電話遠程控制、紅外集中遙控、自動抄表控制及小區物業管理等方面。
智能化住宅的重要組成是家庭控制網絡，它采用家庭總線系統（HBS）來進行各種信息的傳送，將家庭內的各種信息通信等設備（包括安保、電話、電腦、家電、視聽等）接在總線式的共同傳輸線上，加強各設備之間相互有機聯系的同時并不限于家庭內部，可同社會的種種功能融合起來，成為社會網絡的一部分，做到任何地方或任何時候都可以隨意地查詢或索取家庭內外的各種信息。
家庭控制網絡的核心部分是HBC（家庭控制器）和IFU（接口模塊），HBC用來管理與監控接在IFU終端下各種設備的信息傳送，同時實現與外部信息網絡的連接，而IFU則是用來實現家庭總線與終端之間的配接（物理電氣上的匹配和邏輯上的匹配），各種設備通過IFU與家庭總線連接，并在HBC的管理下構成家庭總線系統，實現了家庭內、外的信息傳送及管理。
3 Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制網絡的組成及網絡結構
ＬＯＮ總線是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的一種現場總線，采用OSI全部七層協議，是開放式的、直接面向對象的網絡協議（ＬｏｎＴａｌｋ協議）。核心采用神經元芯片，內含3個8位處理器，分別負責介質訪問控制、網絡處理和應用處理。采用專門的網絡收發器使物理層可以使用多種介質，如雙絞線、無線及低壓電源線載波等等。LON總線在網絡開放性和網絡互操作性等網絡處理能力方面具有很大的優勢。可以說，Ｌｏｎｗｏｒｋｓ開放、分布式、互操作控制網絡技術是目前應用效果最佳，前景最為看好的分布式控制網絡技術。
基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技術的現場控制系統由Ｌｏｎｗｏｒｋｓ節點和路由器、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ協議、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ收發器和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡管理這幾個部分構成。圖1為ＬＯＮ總線構成的一個現場網絡。
３．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ節點及路由器Ｌｏｎｗｏｒｋｓ節點可以采用以神經元芯片為核心的方式，即神經元芯片加上收發器構成一個現場控制節點。由于神經元芯片功能有限，也可以采用神經元芯片加主處理器的方式，把神經元芯片作為通信協議處理器，用高性能的主處理器完成復雜的測控功能。
路由器是LON總線中一個重要的組成部分，也是其他總線所不具備的。它使現場總線不再受通信介質、通信距離和通信速率的限制。
３．２ ＬｏｎＴａｌｋ協議
ＬｏｎＴａｌｋ是ISO組織制定的OSI開放系統互連參考模型的七層協議的一個子集。
ＬｏｎＴａｌｋ協議的網絡地址結構有域（Domain）、子網（Subnet）、節點（Node）這3層結構。域的結構保證了同一通信介質中不同域的節點之間通信彼此獨立，子網是一個或多個通道的邏輯分組。
每一個神經元芯片有一個唯一的48位Neuron ID地址，用于網絡安裝和配置。
LonTalk協議MAC子層采用帶預測的P堅持CSMA協議實現沖突檢測和優先級，帶預測的P－堅持CSMA協議。對所有節點都根據網絡積壓參數等待隨機時間片來訪問介質，有效地避免了網絡頻繁碰撞。MAC層中提供一個可選擇的優先級機制。該機制允許提供不同等級的服務。
LonTalk協議提供4種報文服務：確認服務、請求／應答方式、非確認重發方式和非確認方式，4種方式各有優劣，適用于不同的場合。
網絡變量是LonTalk協議中的數據項，用關鍵字Network定義，LonTalk協議定義標準網絡變量類型（SNVT）來實現應用之間的兼容。
3.3 LonWorks收發器
LON總線的一個重要特點就是它對多通信介質的支持。可以根據不同的現場環境選擇不同收發器和介質。主要包括雙絞線收發器、電源線收發器、電力線收發器、無線收發器、光纖收發器。目前雙絞線是使用最廣泛的一種介質。
3.4 LonWorks網絡管理
LON總線網絡管理的功能主要是網絡安裝、網絡維護、網絡監控及網絡診斷。
網絡管理和診斷的主要報文有24種，如報文"讀存儲器"，其方向是網絡管理器節點，目的是讀節點的存貯單元。
LNS提供給用戶強大的客戶／服務器構架，是LON總線的可互操作性基礎。
網絡服務器提供一個網絡數據庫，可以通過它對網絡上的節點和路由器進行網絡管理。
4 用LonWorks搭建家庭控制網絡
LonWorks技術在家庭控制網絡中的應用給小區住宅智能化帶來了全新的解決方案。采用LonWorks網絡使得從封閉的依賴于單個廠商的控制系統到完全可以互操作的家庭智能控制系統的轉變成為現實，可以以LonWorks技術為依托，開發LonWorks兼容的能用智能控制節點，各種專用節點，以及各種智能傳感器、執行器，搭建新一代的家庭控制網絡。
4.1 家庭控制網絡拓撲結構
家庭總線的家庭智能控制系統是社區管理和服務系統的用戶終端，其間通過用戶接口單元（CIU）連接。家庭智能控制系統集宅內安防、遠程抄表和家電控制于一體，有關設備都掛接在LonWorks網組成的家庭總線上（HBS），所有報警信號經過智能節點的轉換和標準化，通過LonWorks網絡送到社區。其拓撲結構如圖2所示
（1）系統構成
安全防衛系統：包括紅外防盜探測、煤氣泄漏及自動關閥控制、火警探測、緊急求助按鈕、門磁、劫持求助、報警信號等，所有報警信息經過智能節點的轉換和標準化，通過LonWorks網絡送到社區中心監控計算機，進行多媒體聲光報警信息提示，并實現報警歷史記錄、警情處理記錄的統計查詢，為住戶提供一個安全的居住環境。
遠程抄表系統：通過智能節點實現水電氣暖4表遠程電子抄表計費，杜絕入戶抄表的不安全因素和人工抄表的弊端，為住戶提供安全便捷準確的服務。
家電控制系統：業主可通過電話和智能節點或遙控器控制家電設備，也可實現家電的智能自動控制，如用照度探測、紅外感應或時間表實現門燈、照明、空調等設備的自動控制；自動控制調節室內溫度、濕度、通風等，為住戶提供舒適便利的家居環境。
（2）用戶接口單元
用戶接口單元是HFC采用光纖和有線電視網絡傳輸數據的寬帶接入技術網連接用戶終端設備的接口。它從HFC接收視頻、數據、話音的混合信號，經它分成兩份，一路由同軸電纜輸出有線電視信號和視頻信號至用戶的STB和TV；另一路射頻話音、數據信號解調后，送電話等其它家電設備，同時接收IHC所采集的四表數據和各類報警信號。
（3）智能家庭控制器
智能家庭控制器（IHC）基于LonWorks技術構成的，它既可完成電表、煤氣表、冷熱水表等數據的采集、傳輸，又可通過紅外、氣漏等傳感器等進行安全報警。通過LonWorks節點的DO口，還可以實現對家電、照明等設備的控制，對室內的溫、濕度進行檢測。例如：
——溫度檢測 測當前室內溫度值，該值被送給空調機組，該值與設定值的差值送給空調末端設備控制器。
——濕度檢測 測當前室內溫度值，并在液晶顯示器上顯示。
——家電控制 控制家電開合。
——燈光控制 控制室內燈具的開關及照明度。
——集中空調末端控制
這里每戶一個Lonworks節點，通信和控制功能均由該節點實現，即使某一節點被切斷，整個網絡照常工作。
4.2 Lonworks家庭控制網絡的主要優點
（1）實現真正的多網合一
基于LonWorks的控制網絡做到多網合一，物理上只有一條通道，大大簡化系統走線。
（2）分布式無中心控制。
LonWorks網絡控制系統中，每個節點都能完成控制和通訊功能，部分節點不會影響系統穩定。
（3）易擴充、易組態
LonWorks在網絡結構上的自由拓撲特性及軟件設計上的完全面向對象使其易擴充、易組態。
（4）產品開發方便、有效
5 結束語
基于LonWorks平臺開發的家庭智能控制系統是實現小區住宅智能化的潮流選擇，是家庭控制網絡發展的方向。文中提到的基于HFC的家庭控制網絡更是一種真正一體化的控制網絡，組網、布線、安裝和維護等都有優勢。
參考文獻：
［１］ＬＯＮ網絡控制技術及應用·西安電子科技大學出版社，1999
［２］王錦標·現場總線控制系統·微計算機信息，1996，12（6），8～16
［３］王希之·關于現場總線·工業儀表與自動化裝置，1997（1），49～５１
關鍵詞：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 現場總線 智能住宅 家庭智能控制系統
１ 引言
自從世界上第一棟智能大樓于1984年1月在美國建成投入使用以來，智能大樓在許多國家積極興起，它的出現給我們的工作、學習、交流以及各種信息的索取和傳輸帶來很多便利，同時住宅、樓棟和小區的智能化也成為適應人們對生活水平和生活質量需要的必然趨勢。
家庭總線的家庭智能控制系統是社區管理和服務系統的用戶終端，同住戶直接相關，是實現住宅智能化的核心。本文通過分析家庭智能控制系統的功能要求，結合Ｌｏｎｗｏｒｋｓ自身的特點，提出利用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ搭建家庭智能控制網絡的整體解決方案。
2 智能化住宅及家庭控制網絡
智能化住宅與智能大樓有區別，要求的目標也不一致。不同于智能大樓所要求的3A、5A，住宅自動化和家庭自動化（HA）強調人們生活居住空間的協調，環境與人們生活需求的適應和便利，主要功能集中在家庭安全報警、電話遠程控制、紅外集中遙控、自動抄表控制及小區物業管理等方面。
智能化住宅的重要組成是家庭控制網絡，它采用家庭總線系統（HBS）來進行各種信息的傳送，將家庭內的各種信息通信等設備（包括安保、電話、電腦、家電、視聽等）接在總線式的共同傳輸線上，加強各設備之間相互有機聯系的同時并不限于家庭內部，可同社會的種種功能融合起來，成為社會網絡的一部分，做到任何地方或任何時候都可以隨意地查詢或索取家庭內外的各種信息。
家庭控制網絡的核心部分是HBC（家庭控制器）和IFU（接口模塊），HBC用來管理與監控接在IFU終端下各種設備的信息傳送，同時實現與外部信息網絡的連接，而IFU則是用來實現家庭總線與終端之間的配接（物理電氣上的匹配和邏輯上的匹配），各種設備通過IFU與家庭總線連接，并在HBC的管理下構成家庭總線系統，實現了家庭內、外的信息傳送及管理。
3 Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制網絡的組成及網絡結構
ＬＯＮ總線是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的一種現場總線，采用OSI全部七層協議，是開放式的、直接面向對象的網絡協議（ＬｏｎＴａｌｋ協議）。核心采用神經元芯片，內含3個8位處理器，分別負責介質訪問控制、網絡處理和應用處理。采用專門的網絡收發器使物理層可以使用多種介質，如雙絞線、無線及低壓電源線載波等等。LON總線在網絡開放性和網絡互操作性等網絡處理能力方面具有很大的優勢。可以說，Ｌｏｎｗｏｒｋｓ開放、分布式、互操作控制網絡技術是目前應用效果最佳，前景最為看好的分布式控制網絡技術。
基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技術的現場控制系統由Ｌｏｎｗｏｒｋｓ節點和路由器、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ協議、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ收發器和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡管理這幾個部分構成。圖1為ＬＯＮ總線構成的一個現場網絡。
３．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ節點及路由器Ｌｏｎｗｏｒｋｓ節點可以采用以神經元芯片為核心的方式，即神經元芯片加上收發器構成一個現場控制節點。由于神經元芯片功能有限，也可以采用神經元芯片加主處理器的方式，把神經元芯片作為通信協議處理器，用高性能的主處理器完成復雜的測控功能。
路由器是LON總線中一個重要的組成部分，也是其他總線所不具備的。它使現場總線不再受通信介質、通信距離和通信速率的限制。
３．２ ＬｏｎＴａｌｋ協議
ＬｏｎＴａｌｋ是ISO組織制定的OSI開放系統互連參考模型的七層協議的一個子集。
ＬｏｎＴａｌｋ協議的網絡地址結構有域（Domain）、子網（Subnet）、節點（Node）這3層結構。域的結構保證了同一通信介質中不同域的節點之間通信彼此獨立，子網是一個或多個通道的邏輯分組。
每一個神經元芯片有一個唯一的48位Neuron ID地址，用于網絡安裝和配置。
LonTalk協議MAC子層采用帶預測的P堅持CSMA協議實現沖突檢測和優先級，帶預測的P－堅持CSMA協議。對所有節點都根據網絡積壓參數等待隨機時間片來訪問介質，有效地避免了網絡頻繁碰撞。MAC層中提供一個可選擇的優先級機制。該機制允許提供不同等級的服務。
LonTalk協議提供4種報文服務：確認服務、請求／應答方式、非確認重發方式和非確認方式，4種方式各有優劣，適用于不同的場合。
網絡變量是LonTalk協議中的數據項，用關鍵字Network定義，LonTalk協議定義標準網絡變量類型（SNVT）來實現應用之間的兼容。
3.3 LonWorks收發器
LON總線的一個重要特點就是它對多通信介質的支持。可以根據不同的現場環境選擇不同收發器和介質。主要包括雙絞線收發器、電源線收發器、電力線收發器、無線收發器、光纖收發器。目前雙絞線是使用最廣泛的一種介質。
3.4 LonWorks網絡管理
LON總線網絡管理的功能主要是網絡安裝、網絡維護、網絡監控及網絡診斷。
網絡管理和診斷的主要報文有24種，如報文"讀存儲器"，其方向是網絡管理器節點，目的是讀節點的存貯單元。
LNS提供給用戶強大的客戶／服務器構架，是LON總線的可互操作性基礎。
網絡服務器提供一個網絡數據庫，可以通過它對網絡上的節點和路由器進行網絡管理。
4 用LonWorks搭建家庭控制網絡
LonWorks技術在家庭控制網絡中的應用給小區住宅智能化帶來了全新的解決方案。采用LonWorks網絡使得從封閉的依賴于單個廠商的控制系統到完全可以互操作的家庭智能控制系統的轉變成為現實，可以以LonWorks技術為依托，開發LonWorks兼容的能用智能控制節點，各種專用節點，以及各種智能傳感器、執行器，搭建新一代的家庭控制網絡。
4.1 家庭控制網絡拓撲結構
家庭總線的家庭智能控制系統是社區管理和服務系統的用戶終端，其間通過用戶接口單元（CIU）連接。家庭智能控制系統集宅內安防、遠程抄表和家電控制于一體，有關設備都掛接在LonWorks網組成的家庭總線上（HBS），所有報警信號經過智能節點的轉換和標準化，通過LonWorks網絡送到社區。其拓撲結構如圖2所示
（1）系統構成
安全防衛系統：包括紅外防盜探測、煤氣泄漏及自動關閥控制、火警探測、緊急求助按鈕、門磁、劫持求助、報警信號等，所有報警信息經過智能節點的轉換和標準化，通過LonWorks網絡送到社區中心監控計算機，進行多媒體聲光報警信息提示，并實現報警歷史記錄、警情處理記錄的統計查詢，為住戶提供一個安全的居住環境。
遠程抄表系統：通過智能節點實現水電氣暖4表遠程電子抄表計費，杜絕入戶抄表的不安全因素和人工抄表的弊端，為住戶提供安全便捷準確的服務。
家電控制系統：業主可通過電話和智能節點或遙控器控制家電設備，也可實現家電的智能自動控制，如用照度探測、紅外感應或時間表實現門燈、照明、空調等設備的自動控制；自動控制調節室內溫度、濕度、通風等，為住戶提供舒適便利的家居環境。
（2）用戶接口單元
用戶接口單元是HFC采用光纖和有線電視網絡傳輸數據的寬帶接入技術網連接用戶終端設備的接口。它從HFC接收視頻、數據、話音的混合信號，經它分成兩份，一路由同軸電纜輸出有線電視信號和視頻信號至用戶的STB和TV；另一路射頻話音、數據信號解調后，送電話等其它家電設備，同時接收IHC所采集的四表數據和各類報警信號。
（3）智能家庭控制器
智能家庭控制器（IHC）基于LonWorks技術構成的，它既可完成電表、煤氣表、冷熱水表等數據的采集、傳輸，又可通過紅外、氣漏等傳感器等進行安全報警。通過LonWorks節點的DO口，還可以實現對家電、照明等設備的控制，對室內的溫、濕度進行檢測。例如：
——溫度檢測 測當前室內溫度值，該值被送給空調機組，該值與設定值的差值送給空調末端設備控制器。
——濕度檢測 測當前室內溫度值，并在液晶顯示器上顯示。
——家電控制 控制家電開合。
——燈光控制 控制室內燈具的開關及照明度。
——集中空調末端控制
這里每戶一個Lonworks節點，通信和控制功能均由該節點實現，即使某一節點被切斷，整個網絡照常工作。
4.2 Lonworks家庭控制網絡的主要優點
（1）實現真正的多網合一
基于LonWorks的控制網絡做到多網合一，物理上只有一條通道，大大簡化系統走線。
（2）分布式無中心控制。
LonWorks網絡控制系統中，每個節點都能完成控制和通訊功能，部分節點不會影響系統穩定。
（3）易擴充、易組態
LonWorks在網絡結構上的自由拓撲特性及軟件設計上的完全面向對象使其易擴充、易組態。
（4）產品開發方便、有效
5 結束語
基于LonWorks平臺開發的家庭智能控制系統是實現小區住宅智能化的潮流選擇，是家庭控制網絡發展的方向。文中提到的基于HFC的家庭控制網絡更是一種真正一體化的控制網絡，組網、布線、安裝和維護等都有優勢。
參考文獻：
［１］ＬＯＮ網絡控制技術及應用·西安電子科技大學出版社，1999
［２］王錦標·現場總線控制系統·微計算機信息，1996，12（6），8～16
［３］王希之·關于現場總線·工業儀表與自動化裝置，1997（1），49～５１
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