摘 要 讨论了智能建筑自动化对控制系统的要求，介绍了如何采用LonWorks网络技术设计智能控制节点和实施智能建筑自动化控制系统。

　　 现代智能建筑自动化系统是计算机、通信和自动控制技术有机结合的整体。一个智能建筑自动化系统往往包含成千上万个现场传感器、执行器，这些传感器、执行器通过智能控制节点实施现场监控。
　　智能控制节点的组网方式一般有两种：
　　一种是分层结构方式(两级或三级网络)，即智能控制节点经由网络控制单元，或区域控制计算机组成控制网络，然后与PC局域网(信息管理网或企业网络)相连。另一种是单层结构方式(一级网)，即智能控制节点直接组成对等层点到点(peer－to－peer)通信的分布式控制网络。网络中的所有节点(包括实施监控的PC)在网络中都处于同等的地位。LonWorks是这种单层结构控制网络的典型代表。
　　分层结构方式源于计算机技术发展的历史：传统的主机—小型机—微机三级网络结构在企业网络中几乎到处可见。如今客户机/服务器的局域网以及加上路由器/网桥组成的局域或广域网正在取代传统的分层结构网络。通信和计算机网络技术的发展使控制网络显得相对落后，但采用一级网络结构的分布式控制系统在楼宇自动化和工业自动化领域已经使用，并正在成为控制网络发展的潮流。
1.楼宇自动化对控制系统的要求
　　楼宇自动化对控制系统的要求包括从系统规模、系统可*性、灵活性、系统性能、系统集成、安装维护、诊断等各个方面对系统提出的要求。
　　1.1 系统规模及子系统连接
　　楼宇自动化系统一般包括：暖通、空调、照明、给排水、供配电、电梯，以及保安门禁、火灾报警等监测控制。系统规模因大厦规模及其功能要求而异。可能从几百到几千个监测控制点(传感器、执行器)。使用的控制节点可能从几十个到几百个(甚至上千个)。系统规模反映到对控制网络的要求是网络编址空间，即每一个节点在控制网络中都分别可寻址，各个子系统反映到网络上是采用子网的编址方式。
　　单层结构(一级网络)支持整个系统的编址要求，通过网络级路由器，可在逻辑上分段。路由器对于节点应用是透明的，而且不妨碍网络安装调试诊断程序对整个系统范围的直接访问。
　　分层结构(二级或三级网络)提供的地址空间较小，当接线改变时，其应用级路由器或网关需要对应用程序作相应的修改，而且这些路由器或网关需要有自己的网络管理工作，因而不同厂商的产品之间不能互操作。
1.2 系统可靠性
　　系统可靠性要求包括可靠传送信息，控制回路的可靠连接，容错能力及故障隔离和恢复。为了能可靠地传输信息，系统结构和网络协议需能提供多种服务，包括无确认信息服务，确认服务和发送授权。无确认服务在某些情况下，例如需要将更新信息同时送到大量的节点，或者对于无法返回确认信息的设备是必须的。因为等待确认会造成网络不可容忍的延迟或发送——等待循环。对于单个节点或一组节点发送信息时，单个节点或成组节点的确认可增加系统的可靠性，发送授权对于要求安全保密的应用场合无疑是很有价值的。
　　容错可以通过冗余收发器、连线甚至冗余网络来实现。将控制网络连成环路，可在电缆因故障断开时网络仍然正常工作，当然这样会在收发器设计和系统结构设计时增加复杂性。
　　一级网络结构，节点独立可编程及网络管理维护工具，为系统故障的隔离和恢复提供了非常方便的手段。
1.3 系统的灵活性
　　系统的灵活性主要是指系统扩充和修改是否方便，对系统结构和网络的要求是：要有足够的可扩展的编址空间，连接线缆的距离容易延伸，节点连线容易，网络拓扑结构灵活，可支持多种通信媒体(甚至可采用无线连接)，容易增减设备。楼宇自动化控制系统在整个大楼的生命周期可能要多次扩充和修改，如大楼内部布局和功能的改变，控制设备的增加或减少，陈旧设备的更新换代等都要求对控制系统进行扩充或修改。
　　LonWorks的自由拓扑结构、电源线和无线通信媒体使网络扩展和修改非常方便，采用路由器、重发器，可以非常容易地延伸网络连接线缆(或无线连接)的距离。此外，网络安装维护工具在系统范围内可对节点数据库进行更新，并对每个节点内部非易失性存储器中保存的节点信息、节点互连关系信息等进行更新，保证其一致性。
1.4 系统性能
　　系统性能与许多因素有关，包括：
　　最大数据速度：根据收发器、通信媒体和藕合电路的性能价格比，数据速率能在一定范围内进行选择(从几Kbps到超过1Mbps)对于大多数应用场合是需要的。
　　媒体访问模式：对于全部节点采用平等访问，但可对少数关键节点赋予优先权的媒体访问模式，较之只根据优先权顺序的模式对于系统整体性能而言是较优的，后者可能造成低优先权节点无法访问网络，从而使整体性能降到不能接受的程度。
　　最大分组(包)尺寸：决定了分组的数目，因而决定了完成一次事务处理所需的时间。对于各种不同类型的系统、不同类型的传感器、执行器和支持设备，数据域的大小有很大区别。随着传感器、执行器智能化程度提高，分组数据的尺寸会随之增加。因此，最好是系统分组尺寸的最大值高一些，且能在0～最大值之间根据需要进行剪裁。
点到点通信：点到点通信结构使通信直接经由控制网络进行，不需要中央控制器，去掉了通信的瓶颈。点到点通信要求传感器和执行器节点有足够的智能，可以根据传感器输入执行控制算法，采取必要动作，而非从中央控制器接受命令。
　　路由选择：网络级的路由选择由网络协议执行，路由器对于应用节点透明，这对系统性能提高是很重要的，如果连接子网之间的路由选择由应用层实现，会造成路由器延迟。
1.5 系统集成
　　系统集成需要了解系统结构、协议、开发工具及现场安装维护工具。系统集成的难易程度对系统成本有直接影响 。从系统集成的角度要求首先是协议的一致性，即不同厂商的设备要能够在同一系统中协调运作(互操作)。还有就是应用层接口的一致性，即应用对象和配置参数均采用标准的应用层界面。此外要采用一体化的开发和安装调试工具，即节点设计、节点互连、网络分析均采用系统级的安装调试工具来解决。从开发的系统(实验室系统)到现场系统的移植都保持系统结构一致性。
1.6 系统安装调试和诊断
　　系统安装调试和诊断对于系统结构的要求包括：能支持各种通信媒体；实验室安装调试和现场安装任务可以很灵活地分开；能方便灵活选择安装参数；系统配置参数有标准的格式；很容易增加和减少设备；能进行远程访问等。
　　由于系统安装成本往往占总成本中相当大的比例，因此系统是否易于安装对降低系统成本有很大的影响。在楼宇自动化系统中，往往需要根据应用系统的要求选用不同类型的通信媒体。在采用结构化综合布线的设计中，主干电缆通常可考虑使用光缆。保安和火灾报警系统需用电池供电或使用备用电源，信道电源线就比较适合。在其他子系统中，为降低成本，可采用双绞线自由拓扑结构、无极性的通信媒体。而电源线和无线媒体则在重新装修或改造的系统中使用，以减少工程施工造成的麻烦。在考虑选用通信媒体时，最重要的因素是成本，但其他因素，如防止电磁干扰、直流、高压信号的隔离等也必须考虑。
1.7 生命周期成本
　　从生命周期成本考虑，对系统的要求包括：必须考虑到主要控制设备部件甚至维修的元器件有多个货源，单一货源的产品容易受制于人，且由于产品的不断更新造成维修和扩充的困难。要有系统开发工具，很容易进行开发调试；要采用开放性系统结构，具有互操作性；很容易集成系统；很容易与现有系统连接。
　　2 LonWorks技术的核心－Neuron芯片和LonTalk协议
　　长期以来，控制系统的开发和集成商寻求一种一体化的解决办法，即将所有的监测控制功能：如环境监测、保安、安全、供配电、给排水等等集成于一个控制系统中，换句话说，就是将控制系统通过一条通用的控制总线连成一个控制网络。
但是由于各公司、团体各自独立去解决各自的需要，因出现了各种彼此不兼容的控制总线：如现场总线、设备总线、传感器总线和各种控制系统，形成各种控制网络“孤岛”。随着计算机和控制系统连网的要求以及微处理器技术的发展，在各种不同的控制系统或网络之间采用网关或网桥连接起来，组成一个网络，已经成为现实可能。
　　LonWorks技术提供了“一个网络”的解决办法，同时也提供了与现存各种控制网络连接的解决办法。
　　LonWorks技术满足各种现场总线、设备总线、传感器总线和其他网络的要求，适用于控制领域的各方面应用，如楼宇自动化、工厂自动化、工业过程自动化、家庭自动化和设备自动化等。
　　LonWorks技术的核心是Neuron芯片MC143120和MC143150。它主要应用于使用LonWorks技术的自动检测与控制系统中。Echelon公司已经为使用LonWorks技术和上述两种芯片设计出了一套完整的开发工具和软件。许多OEM公司，如VACOM公司，为LonWorks技术的具体应用、方便用户更快地将此技术应用于楼宇自动化和工业控制工程项目中，设计了多种通用或专用的基于Neuron芯片的智能检测和控制节点。这些都为LonWorks技术的普及和应用提供了极为方便的条件。

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