建筑設備自動化管理系統之關鍵技術

先柯樺

建筑設備自動化管理系統中的現場總線技術具有一般總線不同的特點，它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布的控制系統。這項以計算機、數字通訊、智能傳感、控制等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將致使自動化系統結構與設備的深刻變革。這是因為現場總線體系簡化了系統結構，使控制系統從設計、安裝、維護、檢修等各個方面更加優越，主要體現在節省投資、減少安裝費用，節省維護開銷，提高了系統可靠性，易于集成等。

目前現場總線技術有許多不同的選擇，例如LonWork、CAN、Profibus、BACnet等。LonWorks現場總線技術在智能建筑方面具有得天獨厚的優勢，它支持在同一網絡上使用混合媒體，可使用多種拓撲結構，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將各廠商提供設備和子系統連接起來組成相互聯系、協同工作、統一監控與管理的自動化控制系統，實際上起著通用網絡總線的作用。

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

1 Neuron芯片

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

神經元芯片主要包含兩大系列：MCI43120和MC143150。兩種的區別是：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：內部都有三個8位CPU（MAC CPU、網絡CPU、應用CPU）。

2 LonTalk通信協議

LonWorks技術的核心是LonTalk通信協議。LonTalk通信協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、網絡拓撲或其他裝置功能的情況下，能在網上對其他裝置收發報文。LonTalk通信協議能有選擇地提供報文證實、端到端的報文確認、優先級發送以便設定有界事務處理時間。對網絡管理業務的支持， 包括參數的重新配置和網絡地址、報告網絡問題、節點應用程序的起始、終止、復位和下載應用程序，可以通過網絡使遠程網絡管理工具和其他裝置相互作用。

LonWorks協議是一個分層的以數據包為基礎的對等的通信協議。和有關的因特網和以太網協議一樣， 它是一個遵守國際標準化組織（ISO）分層體系結構要求的標準。可是， LonTalk協議設計用于控制系統而不是數據處理系統的特定的要求。每個包由長度不定、可變數目的字節構成，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視在信道上傳輸的每個包，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絡管理包或者它是包含節點應用程序所需的信息。在應用包中的數據如果是提供給應用程序的， 并且合適的話， 會向發送裝置發送一個確認報文。

為了處理網上報文沖突， LonTalk使用類似以太網所用的“載波監聽多路訪問”（CSMA） 算法。LonTalk協議建立在CSMA基礎上， 提供介質訪問協議，可以通過預測網絡業務量發送優先級報文和動態調整時間槽的數目。通過動態調整網絡帶寬，使網絡能在網絡業務量較小的情況下不降低網絡速度，而在極高的情況下也能繼續運行。

3 Neuron C

LonWorks網絡的應用程序基本以Neuron C語言編碼完成，寫成后， 神經元碼就編譯成神經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”和確定任務執行次序。

（2）2個定時器對象，35個I/O對象，37個額外數據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換。簡單地說， 應用程序通常由特定節點上的事件或發生在網上其他地方觸發。因此網絡本身是事件驅動的，由此表明其他網絡類型的業務量遠高于LonWorks網絡，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節點的要求功能。為了適應這些復雜的應用， 某些種類的神經元芯片擁有高速并行接口， 使任何微處理器能使用神經元芯片， 并以一個專用接口應用微處理器（稱為MTP應用）作為它的網絡通信微處理器來執行應用程序。作為替代方案， 開放的協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路由器和收發器

路由器是Lonworks技術的一個重要部分，主要用來連接不同通信介質的LON網絡。在Lonworks技術中，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網絡外，還能控制網絡交通，增加信息流量，提高網絡速度等。

LonWorks技術的獨特能力是對多種介質的透明支持， 它使開發者能選擇最適合他們需要的通信方法和介質。路由器可對多種介質的支持，也能用于控制網絡業務量， 將網絡分段，抑止從其他部分來的數據流量， 從而增加了網絡容量和總通過量。網絡工具以網絡拓撲為基礎自動配置路由器， 使安裝者便于安裝并對節點透明。路由器裝置使單一的對等網絡能跨接許多類型傳輸介質， 支持成千上萬的裝置。路由器通常有2個互聯的神經元， 每個神經元有一個適用于2個信道的收發器， 路由器就連接在這2個信道上。路由器對網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系統能在象因特網這樣的廣域網上跨接巨大的距離。

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現場總線將成為建筑設備自動化系統中一項最為關鍵的技術。

參考文獻：

[1]付保川、班建民等.智能建筑計算機網絡系統.人民郵電出版社.2004，7.

[2]馬少軍.建筑智能化系統技術[M].中國電力出版社，2006.

[3]董春橋、袁昌立、傅海軍、王江江.建筑設備自動化[M].中國建筑工業出版社，2006.

[4]凌志浩.從神經元芯片到控制網絡[M].北京航空航天大學出版社，2002.

[5]黎連業.智能大廈和智能小區安全防范系統的設計與實施[M].清華大學出版社，2005.

[6]盛嘯濤、姜延昭.樓宇自動化.西安電子科技大學出版社，2004.

[7]張九根、馬小軍.建筑設備自動化系統設計[M].人民郵電出版社，2003.

[8]孫文磊、葉瑰珺、翁武林.Lonworks在樓宇自動化中的應用與前景.福建電腦.2006，3.

[9]華東建筑設計研究院.智能建筑設計技術[M].同濟大學出版社，2002.

[10]王榮華.我國智能建筑的發展.中外建筑.2003，6