电子信息类论文：楼宇自控开放性协议的研究

摘要：楼宇自控系统的不断发展不仅表现在硬件上的不断升级，在通讯协议上也在发生着日新月异的变化，从最早的集中式到后来的集散式，在到今天的开放式，这些技术都在不停推动着楼宇自控这个行业。其中当今最流行开放协议为LonWorks和BACnet技术，本人详细分析了这两种协议的结构和特点。
　　关键词：控制系统开放协议LonWorksBACnet
　　一．前言
　　楼宇自动控制技术是工业控制技术在民用领域的延伸。楼宇自控系统自问世以来经历几次产业革命。主要原因是楼宇自动控制是计算机控制系统的一部分，所以随着计算机技术的不断发展，给楼宇自动控制也带来不断发展。下面我们看看楼宇自动化控制都经历了那些变化。
　　第一代：CCMS中央监控系统（70年代）
　　从20世纪50年代末期开始，计算机技术引入控制领域，他出现了第一代计算机过程控制系统，既是集中式控制系统，主要特点是：由一台计算机完成整个被控对象的全部控制系统的所有监控与控制任务开始主要应用于工业控制。在70年代，集中式控制系统应用于楼宇自动控制系统但这种控制系统存在着大量的问题，需要敷设大量的管线到控制中心，同时所有的控制计算都集中在一台计算机上，可靠性非常差，一旦计算机出现问题会造成整个系统的瘫痪。90年代基本上被第二代控制系统取代。
　　第二代：DCS集散控制系统（80年代）
　　随着微处理器技术的发展和成本降低，楼宇自动控制系统与绝大多数工业控制系统一样，开始由原来的中央监控系统向着集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）发展。集散控制系统的主要特征是集中管理和分散控制。它有利于计算机技术对整个系统进行集中监视，操作，管理和分散控制。但是集散式控制系统也存在着不足，各设备厂家协议不同不开放，使得各家现场控制器不能互通。
　　第三代：开放式集散系统（90年代产品）
　　90年随着现成总线技术的发展，把接传感器、执行器、控制器都应用在同一网络上，让传感器和执行器更智能化，系统的配置更加灵活，同时具有开放的协议标准成为用户的迫切需求。这个网络的特点是二层网络结构：管理层（中央站）、现场网络层（现场控制器）国际标准化的开放的通讯协议有LonWorks，这些网络架构将是的综合自动化发展方向。
　　二.楼宇自控系统的现状
　　楼宇自控系统发展到21世界，其非常受工程商和实际应用关注的将不但是控制器的品质，而是更在意楼宇自控系统能够有一套开放的标准，供客户更好的了解系统和根据产品厂商的服务和产品品质随心所欲的更换合适的产品，不再是以往的霸权主义。所以，用户现在要求建筑自动化控制网络必须是一个开放系统。在目前智能建筑领域，应用较多的开放系统技术有BACnet标准和LonWorks技术等。在建筑自动化开放系统中，它们各自发挥着各自的长处，既为竞争对手，又是合作伙伴；它们各自扬长避短，共同促进着建筑自动化开放系统的集成技术的发展。下面我们主要来研究下这两种开放协议的特点和在实际中的应用。
　　在说这两种协议前，我们首先要弄清楚一个概念，那就是什么是开放的现场总线。开放技术是指那种能为任何制造商使用的设备开发、制造技术，设备可以是个别的开放技术产品，如一台控制器，也可以是作为开放系统解决方案的一部分，如一种通信接口软件。可互操作性在一个单独系统内(如：暖通空调系统)或者跨越多个系统(如：暖通空调系统和安全防范系统之问)，虽然不使用任何网关或翻译软件，但是所有设备只依靠点对点通信，就能实现信息共享。
　　三．LonWorks现场总线
　　LonWorks技术开始于1988年，美国Echelon公司提出的，开发此协议的目标是实现低成本，高效率的自控网络，并使基于该技术的不同厂家自控设备实现互操作功能。同时LON的网络是一个对等的网络结构，可以有效的降低网络结构风险。其整个的网络的组成主要有：
　　Lontalk通信协议-------ANSI/EIA709.1ControlNetworkingStandard(控制r,网络标准)；
　　专用硬件-------NeuronChip,Transceiver,i.Lon以及网络接口和路由器等；
　　专业软件工具------NeuronC,NodeBuilder,LonBuilder和LNS系统集成工具等；
　　LonMark互操作规范------LonMarkInteroperabilityGuidelines（LonMark互操作指南）
　　其中Lontalk通讯协议属于技术本身内容，是LonWorks技术的核心和基础，专用硬件和专用软件工具属于技术开发与应用的内容，LonMark互操作规范属于技术应用行业的规范和产品认证的内容。
　　Lontalk通信协议是LonWorks技术的核心，原为封闭专用标准，1996年以前是通过NeuronChip专利硬件芯片向外销售该协议的固件实现版本。现在该协议已开放在全球工程文档中心可以购买，但是要将该协议应用于商业活动还必须与Echelon公司签订“协议专利许可授权书”。以避免他人对协议的修改，从而保持公司对该协议的专利技术的绝对控制。Lontalk通信协议是对等自控网络协议。其组成内容分为文字说明和基于MotoralaMC68360处理器的C程序参考实现代码两部分。前者是协议的解释性说明，是非形式化的描述，后者为一种形式化的描述，是协议精确描述的参考。Lontalk通信协议是遵守ISO/OSI—RM模型的自控通信网络。具体对应为：
　　第一层物理层，物理层主要现实的是网络节点间的电器信号互联，以保证节点间位信息的正确传输。在LONWORKS网络中可以支持多种类型的通信介质，并可以将不同通讯介质按其传输性能划分为不同的信道类型，然后通过路由器把不同的网络连接起来。
　　第二层数据链路层主要是实现通信介质的访问控制（MAC）、帧结构处理以及帧错误检测等，其**质访问控制功能由数据链路层的MAC子层协议实现，其作用是充分利用通信介质的性能以提高信息传输速率。
　　第三层网络层是通过一些网络设备把不同通信介质组成的LONWORKS网络正常的连接起来，网络的系统中包括：域、子网、节点等。网络层最基本的功能是路由的选择。网络层分为三层基本的寻址方式,(Domain,Subnet,Node);(Domain,Subnet,Unique-Node-ID);(Domain,Group,Member)其中需要注意的是Unique-Node-ID地址在形式与ISO以太网中的MAC地址相同，但不同的是，以太网中MAC地址在第二层数据链路层，但在LONWORKS网络中Unique-Node-ID不在数据链路层，而在网络层，所以LONWORKS网络的物理层和数据链路层没有地址识别功能可以直接接收信道上所有的帧数据。网络层除了具有地址识别功能，还有一个主要的功能就是路由功能，路由器根据其路由表将报文从一个子网发到与之连接的另一个子网，当进行全局范围的广播时，路由器将报文转发给所有的目标子网。
　　第四层传输层在LONWORKS网络中可分为三个子层，事务控制层的功能主要是控制报文的传输顺序和重复报文的检测，认证子层是提供请求和相应的认证功能；传输层是为应用层提供可靠的报文传输。
　　第五层会话层在LONWORKS网络中只是利用传输层的事务控制子层以控制传输顺序和报文重复检测。
　　第六层表示层在LONWORKS网络中，主要提出的是“网络变量”的概念，简化了底层的工作，使设计和应用更容易。
　　第七层应用层中则可以进行网络变量报文传输服务，网络变量别名，通用应用报文传输服务允许应用层构造任意类型的报文。网络管理和诊断报文服务。
　　以上是LONWORKS网络对应ISO\OSI标准七层结构所要执行的功能。而LONWORKS网络本身还有自己非常特别的特点是就NeuronChip芯片，他不仅是LON总线的通信处理器还是采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过NeuronChip芯片来完成的，