核心提示：介紹LonWorks技術的產生與發(fā)展歷程，描述Lonworks的核心技術及節(jié)點設計方法及行業(yè)應用。
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一、Lonworks技術的產生與發(fā)展脈絡
美國Echelon公司于1992年推出Lonworks技術，它開創(chuàng)了控制系統(tǒng)網絡化的新紀元。它是把系統(tǒng)中的一次元件，如傳感器、執(zhí)行元件、斷路器等，通過基于LonTalk協(xié)議采用自由拓撲結構方式把控制單元連接成開放的測控網絡。LonWorks網絡符合國際標準化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模式。
LonWork是點對點雙向通信的單層、分布式控制網絡。它追求網絡的全面控制，包含了傳感器總線、設備總線和現(xiàn)場總線三層意義，實用性很強，是理想的現(xiàn)場實時控制網絡。LonWork技術最這主要的優(yōu)點是可以實現(xiàn)互操作。全球數(shù)百家重要廠商組成了LonMark 互操作協(xié)會，通過全面定義LonWork實施辦法，使每個技術細節(jié)都有標準化文件的嚴密規(guī)定。按照這樣標準生產的產品，可以實現(xiàn)互操作。
LonWorks技術開始從工業(yè)自動化發(fā)展，逐步應用于智能建筑、交通運輸、電力、煤礦、智能家居等，它的開放性、互操作性、高可靠性、無中心檢測等突出優(yōu)點，已被世人公認是當今智能建筑控制系統(tǒng)的主流技術。
LonWorks技術具有一個完整的開發(fā)系統(tǒng)平臺，包含著所有設計、配置和支持控制的元素，LonWorks技術組成包括硬件部分和神經元（NEURON）芯片和LonTalk通信協(xié)議。LonWorks網絡的基本單元是節(jié)點，網絡節(jié)點也是監(jiān)控模塊，利用一根總線可將系統(tǒng)所有的監(jiān)控模塊連接起來，每個監(jiān)控模塊是由神經元心片、電源、一個通過媒介通信收發(fā)器和被監(jiān)控設備接口的I/O電路組成，監(jiān)控模塊能夠處理大量信息，對被控設備實時監(jiān)控和調節(jié)，由于監(jiān)控模塊設置在被控設備附近，線路結構變得簡化，布線數(shù)量減少，實現(xiàn)真正的分布系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的可靠性大為提高。由于LonWorks系統(tǒng)擴展能力強，如增加控制設備，只需在總線上增加節(jié)點，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展，由于系統(tǒng)的開放性，可實現(xiàn)不同廠商器件的互操作、互相替換，為系統(tǒng)的技術升級提供了多種手段。
二、Lonworks技術的特點
Lonworks技術通過基于LonTalk協(xié)議采用自由拓撲結構方式把控制單元連接成 開放的測控網絡，這個網絡符合國際標準化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模式。其具有開放性、互操作性、控制節(jié)點間可采用多種媒體連接進行通信、可靠性高、應用編程采用高級語言，并且符合國際標準等特點。
開放系統(tǒng)概念就是使用開放系統(tǒng)相互連接（OSI）基準模型（塊）以發(fā)展計算機通信標準。OSI模型是建立在七層協(xié)議基礎上，作為一個起始點以發(fā)展計算機通信標準。每層都有一定等級功能，具有規(guī)定的高層或低層的接口；為提供一定功能通信標準，并不一定所有的層都需要。當與很好定義的程序模塊連接時，該模塊定義了數(shù)據(jù)意義及格式，OSI模塊將提供一個多賣主相互操作的高水平工具。一個典型的開放系統(tǒng)結構可以應用在工業(yè)和商業(yè)的控制系統(tǒng)上，按照布置，所有的開放系統(tǒng)元件，使用標準協(xié)議作為本系統(tǒng)語言，無需翻譯，可以相互通信。
國際標準化組織（ISO）的ISO7498所定義的開放系統(tǒng)互連模型OSI作為通信網絡國際標準化的參考模型，它詳細描述了軟件功能的七個層次。
1、物理層
物理層的下面是物理媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纜等，物理層為用戶提供建立保持和斷開的物理連接功能，如：RS232C、RS422/RS485。物理層用以實現(xiàn)兩實體間的物理連接，傳送二進制碼bit碼,本層處理與電、機械、功和過程有關的各種特性，以使建立、維持和折除物理連接。
2、數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的bit碼服務基礎上，用以建立相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)以幀為單位傳送，每一幀包含一定數(shù)量的數(shù)據(jù)和必要的控制信息，如：同步信息、地址信息、差錯控制和流量控制信息。數(shù)據(jù)鏈路層負責在兩個相鄰節(jié)點間的鏈路上，實現(xiàn)差錯控制，數(shù)據(jù)成幀同步控制。
3、網絡層
網絡層用在通信子網中傳輸信息，包括報文分組（具有地址標識和網絡層協(xié)議信息格式化信息組）報文包組塞的處理和通信子網內路選擇和擁擠控制。
4、傳輸層
傳輸層的信息傳送單位是報文Message（一個報文可分成若干個報文分組），它的主要功能是差錯控制、順序控制、流量控制、管理多路復用和連接支持，在網內兩實體間提供一個可靠的端對端（end—to—end）數(shù)據(jù)傳送服務。
5、會話層
會話層用在兩實體之間建立通信聯(lián)系，管理和折除會話連接方法，其功能是支持通信管理和實現(xiàn)最終用戶"應用" 應用進程之間的同步，按正確的順序收發(fā)數(shù)據(jù)、進行各種對話。
6、表示層
表示層用于應用層信息內容的形式交換，如：數(shù)據(jù)加密/解密、信息壓縮/解壓和數(shù)據(jù)兼容，把應用層提供的信息轉換成能夠相互理解的方式，本層執(zhí)行通用數(shù)據(jù)交換功能，提供標準應用接口、公共通信服務。
7、應用層
應用層作為OSI的最高層，為用戶的應用服務提供信息交換，為應用接口提供操作標準，并負責應用管理執(zhí)行應用程序，本層為用戶提供開放系統(tǒng)互連環(huán)境的各種服務，管理和分配網絡資源建立應用程序。
三、LonWorks的核心構成
Lonworks網絡是采用神經元芯片技術，在OSI七層協(xié)議上實現(xiàn)的控制網絡。其神經元芯片和LonTalk 網絡協(xié)議是Lonworks技術的核心。
1、神經元芯片
神經元芯片（NeuronChip ）使用CMOCLSI 技術，神經元芯片高度集成，使用它需要的外部器件最少！其芯片內有3 個8位CPU 。
Neuron芯片MC143120和MC143150，主要應用于使用LonWorks技術的自動檢測與控制系統(tǒng)中。Echelon公司已經為使用LonWorks技術和上述兩種芯片設計出了一套完整的開發(fā)工具和軟件。許多OEM公司，為LonWorks技術的具體應用、方便用戶更快地將此技術應用于樓宇自動化和工業(yè)控制工程項目中，設計了多種通用或專用的基于Neuron芯片的智能檢測和控制節(jié)點。這些都為LonWorks技術的普及和應用提供了極為方便的條件。
MC143120和MC143150兩個芯片都實現(xiàn)了與OSI參考模型兼容的LonTalk通信協(xié)議。它們之間的不同之處在于它們的存儲器配置的類型及容量，前者主要用于造價較低、范圍較小的應用場合。而后者可應用于較復雜的應用環(huán)境和具有較高要求的系統(tǒng)中。兩個芯片內部都包括三個處理器，兩個用于通信，一個用于執(zhí)行應用程序。Neuron芯片所提供的各種I/O接口，都可以很簡單地用高級語言來調用，以實現(xiàn)各種傳感器、執(zhí)行器、定時及計數(shù)等設備的連接。
2、LonTalk協(xié)議
LonTalk協(xié)議遵循由國際標準化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互連OSI 模型，協(xié)議提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務。LonTalk 協(xié)議支持多種傳輸介質，它包括一個可選的網絡接口協(xié)議，該協(xié)議支持在任何主處理器上運行LanTalk 。主處理器可以是任何微控制器，計算機或微處理器。
LonTalk協(xié)議分為七層。每一層都是面向控制網絡的，并和OSI參考模型一致。LonTalk協(xié)議是嵌入Neuron芯片內部固件中的，它是使用LonWorks技術組網的基礎。Echelon公司提供的開發(fā)系統(tǒng)可以幫助我們利用各種基于Neuron芯片的智能節(jié)點很容易地使用LonTalk協(xié)議組成一個智能分布式控制網絡。
LonTalk協(xié)議提供各種服務以加強可靠性。如16位CRC，對接收方端到端的應答，Watchdog定時器，片內E2PROM內容的校驗和保護、失敗報文的通告以及每個節(jié)點分組錯誤的記錄等。另外協(xié)議還提供鑒別服務以滿足發(fā)送者的有效識別。在鑒別服務中，通過由收發(fā)方使用的傳輸關鍵字來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保護。
由于LonTalk協(xié)議是在芯片內部的，所以用戶不必擔心它的一致性。這樣用戶可以不必花費大量的時間，來建立其內部的標準。正是由于它的這一特性，使得它可以以很小的代價，適應于各種不同的應用場合。
在LonTalk協(xié)議中網絡流量的預測和避免擁塞的方法，使得在最壞情況下的響應時間得到了控制。為報文提供優(yōu)先級的方式，可以大大提高高優(yōu)先級報文的響應時間，其支持高達1.25Mbps的傳輸速率，并可支持各種實時的應用。
LonTalk協(xié)議的高層——應用層協(xié)議的數(shù)據(jù)稱為網絡變量。它可以是任何單個的數(shù)據(jù)項，也可以是結構數(shù)據(jù)。應用程序的設計者只需使用關鍵字“NETWORK”來定義這些變量，那么在網絡中的任何節(jié)點都可與之相聯(lián)系。例如，一個網絡變量定義為“OUTPUT”，一旦此變量在節(jié)點中被賦于一個新值，在Neuron芯片內的固件就會自動地將其發(fā)送出去。這意味著應用程序設計者不必關心緩沖管理、報文初始化、報文分析和錯誤處理等。
四、LonWorks系統(tǒng)的設計
采用LonWorks網絡使得從封閉的依賴于單個廠商的控制系統(tǒng)到完全可以互操作的智能樓宇自動化系統(tǒng)的轉變成為現(xiàn)實。作為智能樓宇自動化產品的開發(fā)者，或系統(tǒng)集成者，可以以LonWorks技術為依托，開發(fā)LonWorks兼容的通用智能控制節(jié)點，各種專用節(jié)點，以及各種智能傳感器、執(zhí)行器；也可以從LonWorks兼容的不同OEM廠商的硬件和軟件中按照應用的要求配置，靈活選用，完全沒有必要依賴于單一的貨源。
1、智能節(jié)點設計
使用LonWorks技術組成的自動控制網絡中，檢測、控制點可分為四類，即數(shù)字量(開關量)輸入/輸出，模擬量輸入/輸出。在節(jié)點設計時，可以根據(jù)應用要求和器件能力，選擇各種輸入輸出的優(yōu)化組合，形成系列產品。
（1）數(shù)字量(開關量)輸入節(jié)點
數(shù)字量(開關量)輸入節(jié)點主要用于檢測外部數(shù)字信號和具有開關狀態(tài)的信號，比如檢測繼電器的閉合狀態(tài)，某些開關的狀態(tài)，電平信號的輸入等，這類節(jié)點在設計過程中主要考慮的問題是如何將各種各樣的數(shù)字量和開關量轉換成Neuron芯片能夠接收的信號，并且這類信號在輸入通道上要加光電隔離器，以提高節(jié)點運行的安全性和可靠性。
（2）數(shù)字量輸出節(jié)點
在LonWorks網絡中，很多的控制機制都是通過數(shù)字量輸出節(jié)點來完成的，比如繼電器的驅動，各種顯示器的驅動等。在設計這類節(jié)點時，主要是要解決外部高電壓、大電流的提供問題。在電路中，同樣也需要進行光電隔離，來提高節(jié)點的可靠性和安全性。
（3）模擬量輸入節(jié)點
模擬量輸入節(jié)點主要用于采集網絡中的模擬信號。由于模擬信號種類繁多，如電壓信號、電流信號等，而這類信號根據(jù)應用的場合和使用的傳感器不同，其范圍也不盡相同，如電壓信號可以是0～5V、0～10V、－5～＋5V、－10V～＋10V，電流信號可以是0～10mA，4～20mA等，所以模擬量輸入節(jié)點的前端應增加信號整理電路，以使這些信號處于一個合理的范圍內，便于采集。
由于Neuron芯片所提供的I/O接口只有11個引腳，所以在節(jié)點的設計中，大多都采用串行接口的A/D轉換器，而Neuron芯片中的IO8～IO10提供了標準的SPI總線，為串行A/D到Neuron芯片的連接提供了方便條件。當然為了在節(jié)點中進一步提高數(shù)據(jù)采集速度，也可以使用并行接口的A/D器件，只是這種器件連接到Neuron芯片時，要使用較多的I/O口。另外在節(jié)點中使用串行A/D器件可以比較容易地實現(xiàn)光電隔離、而在使用并行A/D時要實現(xiàn)光電隔離，由于速度和使用數(shù)量等方面的原因比較困難。
在進行模擬輸入節(jié)點的設計時，還可以使用其他類型的A/D變換形式，比方說在A/D速度要求不高，精度要求較高的場合可以使用V/F變換來實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉換。
（4）模擬量輸出節(jié)點
模擬量輸出節(jié)點對于驅動某些控制設備是必需的，比如步進馬達的控制、一些調節(jié)閥的控制等。和模擬量輸入節(jié)點一樣，在這類節(jié)點中使用最多的還是串行的D/A變換器件。根據(jù)所控制對象的不同，可能要求模擬量輸出節(jié)點提供不同的信號，如電壓信號、電流信號等，所以在實際的設計中，要增加輸出信號整理電路。
2、節(jié)點設計中的抗干擾措施
過程通道是前向接口（A/D等），后向接口(D/A等)與Neuron芯片或Neuron芯片之間進行信息傳輸?shù)穆窂剑谶^程通道中長線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。隨著系統(tǒng)主振頻率越來越高，系統(tǒng)過程通道的長線傳輸越來越不可避免。例如，按照經驗公式計算，當主機主振頻率為1MHz時，傳輸線大于0.5m或主振為4MHz時，傳輸線大于0.3m,即作為長線傳輸處理。
為保證長線傳輸?shù)目煽啃?，主要措施有光電耦合隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。比如在上述的節(jié)點設計中，一般都增加了光電隔離電路，一方面提高了節(jié)點的安全性，同時也增加了節(jié)點的抗干擾能力。在LonWorks網絡中傳輸媒體大多使用雙絞線，它保證了信號傳遞的質量，從而可以使信號傳送到足夠遠的地點。另外在使用雙絞線時，網絡端點的阻抗匹配也是影響信號質量及傳輸距離的重要因素，在設計網絡時要格外注意。
3、通信類型
采用何種通信媒體(雙絞線自由拓撲結構、信道電源線、供電線、無線)，要根據(jù)實際的需要和可能考慮。一般來說，雙絞線自由拓撲結構成本較低；信道電源線在需要使用電池或備用電源時比較適合；供電線在裝修改造的工程中可能比較經濟；無線在無法使用其他通信媒體時(例如無法連線時)提供解決辦法。在考慮通信類型時，還需要考慮是否需要采用路由器、網橋或重發(fā)器。
4、網絡結構設計：
確定每一個控制節(jié)點的位置，網絡中使用節(jié)點的數(shù)量，及路由器、網橋和重發(fā)器的數(shù)量，網絡的構型，即是否要有多個域(Domain)、子網(Subnet)、組(Group)，哪些節(jié)點屬于哪個域和組。還有人機界面，是否采用主監(jiān)控PC等。智能控制節(jié)點的組網方式一般有兩種：一種是分層結構方式(兩級或三級網絡)，即智能控制節(jié)點經由網絡控制單元，或區(qū)域控制計算機組成控制網絡，然后與PC局域網(信息管理網或企業(yè)網絡)相連。另一種是單層結構方式(一級網)，即智能控制節(jié)點直接組成對等層點到點(peer－to－peer)通信的分布式控制網絡。網絡中的所有節(jié)點(包括實施監(jiān)控的PC)在網絡中都處于同等的地位。LonWorks是這種單層結構控制網絡的典型代表。
分層結構方式源于計算機技術發(fā)展的歷史：傳統(tǒng)的主機—小型機—微機三級網絡結構在企業(yè)網絡中幾乎到處可見。如今客戶機/服務器的局域網以及加上路由器/網橋組成的局域或廣域網正在取代傳統(tǒng)的分層結構網絡。通信和計算機網絡技術的發(fā)展使控制網絡顯得相對落后，但采用一級網絡結構的分布式控制系統(tǒng)在樓宇自動化和工業(yè)自動化領域已經使用，并正在成為控制網絡發(fā)展的潮流。
