（通信与信息系统专业论文）基于lonworks技术的智能小区信息管理系统的应用研究.pdf

摘要 过去十年里，互联网世界中爆发了一场悄无声息的革命。l o n w o r k s 技术作 为新一代网络控制技术，以优良的开放性、互操作性、网络适应性、灵活的网 络拓扑以及面向对象的网络通信设计等特点处于这场技术革命的前沿，并在智 能建筑和智能小区等领域得到了广泛的应用。 本文首先提出了智能小区的概念和功能目标。在分析了智能小区建设中选用 l o n w o r k s 技术的优势后，对l o n w o r k s 现场总线技术的组成进行了详尽的介绍， 包括l o n w o r k s 网络结构、l o n t a l k 通信协议、l o n w o r k s 网络硬件实现和 l o n w o r k s 开发工具。随后，本文从应用的视角出发，构建了一个完整的智能小 区信息管理系统。本文的第三章主要给出底层智能小区监控网络的设计，包括 智能小区住户节点的功能规划、硬件设计及软件开发，实现了对小区住户水、 电、气三表数据的采集、安防报警和家电控制等功能；在此基础上，构建了一 个智能小区监控网络系统，并采用l o n m a k e r 网络开发工具进行组网。这部分重 点研究了n e u r o n 芯片技术、n e u r o nc 编程以及l o n m a k e r 组网。第四章主要解 决底层l o n w o r k s 网络与上层应用软件间的通信问题。利用d d e 技术，本文实 现了v i s u a lc + + 应用程序与l n sd d e 服务器的实时通信，从而获取了底层 l o n w o r k s 控制网络中各网络设备信息。本章详细分析了利用c + + 类如何实现 d d e 通信的过程，并给出了相应的程序代码。第五章主要对智能小区信息管理 系统的软件平台进行了功能规划，将其划分为三部分：智能小区网络监控予系 统、智能小区物业管理子系统和智能小区用户信息查询子系统，实现了对底层 l o n w o r k s 网络中设备的监控和管理、物业管理中的用户权限、用户信息、报警、 缴费和报表打印等功能以及面对用户服务的用户查询功能。针对智能小区信息 管理系统软件功能的规划，本文给出了相应的关系型数据库设计。 随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，对智能小区信息管理系统的开放和信息共享 已经成为一种日益增长的需求。智能小区控制网络连入i n t e m e t 之后，可以使之 增加许多新的、有价值的、超越局域网的服务功能。在文章的最后，对基于w e b 的智能小区信息系统的应用进行了展望。 关键词：智能小区，l o n w o r k s ，n e u r o n 芯片，n e u r o nc ，d d e a b s t r a c t o v e rt h ep a s td e c a d e ，as i l e n tr e v o l u t i o nh a st a k e n p l a c ei nt h en e t w o r k i n g w o r l d l o n w o r k st e c h n o l o g ya san e wc o n t r o lt e c h n o l o g yo fn e t w o r ki sa tt h ef o r e f r o n to f t h i s t e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o nb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ff i n eo p e ns y s t e m ， i n t e r a c t i o n o p e r a t i o n ，n e t w o r ka d a p t a b i l i t y , f l e x i b l e n e t w o r k t o p o l o g y a n d o b j e c t o r i e n t e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nd e s i g n ，a n dw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so ft h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g a n d i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y e t c t h ep a p e rh a sp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to ft h ei n t e l l i g e n tc o m m u n i t ya n di t s f u n c t i o ng o a l a tf i r s t a f t e ra n a l y z i n gt h ea d v a n t a g eo fl o n w o r k st e c h n o l o g yw h i c h u s e di nt h ec o n s t r u c t i o no f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , t h el o n w o r k s f i e l db u st e c h n o l o g y h a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gl o n w o r k sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，l o n t a l k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，l o n w o r k sn e t w o r kh a r d w a r er e a l i z a t i o na n dl o n w o r k s d e v e l o p i n gt o o l s t h e n ，a ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fi n t e l l i g e n t c o m m u n i t y h a sb e e ns t r u c t u r e db a s e do nv i s u a la n g l eo f a p p l i c a t i o n c h a p t e r 3o ft h i s p a p e rp r o v i d e sg r o u n df l o o rn e t w o r kd e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc o m m u n i t ym a i n l y , i n c l u d i n gf u n c t i o n a lp l a n n i n g ，h a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h e h o u s e h o l d sn o d ei na l l i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , t or e a l i z ed a t ac o l l e c t i o no fw a t e r m e t e r ，a m m e t e ra n dg a sm e t e ro ft h eh o m e ，s a f e t ya l a r ma n de l e c t r i cd e v i c ec o n t r o l ； b a s e do ni t ，ac o n t r o ln e t w o r ko fi n t e h i g e n tc o m m u n i t yh a sb e e ns t r u c t u r e d ，a n d d e v e l o p e db yl o n m a k e ri n t e g r a t i o nt 0 0 1 t h i sp a r th a sm a i n l yr e s e a r c h e dn e u r o n c h i pt e c h n o l o g y , n e u r o ncp r o g r a m m i n ga n di n s t a l l i n g al o n w o r k sn e t w o r kb y l o n m a k e r c h a p t e r4s o l v e 毒t h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e nt h eg r o u n df l o o r l o n w o r k sn e t w o r ka n du p p e r a p p l i c a t i o n s o f t w a r e p r i m a r i l y b a s e d o nd d e t e c h n o l o g y , t h i sc h a p t e r r e a l i z e st h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv i s u a lc + + a p p l i c a t i o np r o g r a m a n dl n sd d e s e r v e r , a n de a s i l yo b t a i n i n gt h ei n f o r m a t i o n f r o m d e v i c e si n ag r o u n df l o o rl o n w o r k sn e t w o r k t h e c h a p t e r i n t r o d u c c sh o wt o i m p l e m e n t d d eu s i n gc + + c l a s s e si n d e t m la n d p r o v i d e s t h e c o r r e s p o n d i n g p r o c e d u r ec o d e c h a p t e r 5c a l i e so nt h ef u n c t i o n a lp l a n n i n gt ot h es o f t w a r ep l a t f o r m o ft h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t ym a i n l y , a n dd i v i d e s i ti n t ot h r e e p a n s ：n e t w o r km o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s u b s y s t e m a n du s e ri n f o r m a t i o n i n q u i r ys u b s y s t e m ，t o r e a l i z et h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n to ft h e d e v i c e si nt h eg r o u n df l o o rl o n w o r k sn e t w o r k ，i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n to fu s e ra u t h o r i t y , u s e ri n f o r m a t i o n ，a l a r m ，p a yt h ef e e sa n dt h ef u n c t i o n o f i n q u i r i n gi n f o r m a t i o nb yu s e r s t ot h es o f t w a r ef u n c t i o n a lp l a n n i n go fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t o f i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , t h ec h a p t e rp r o v i d e st h er e l e v a n td e s i g no ft h e r e l a t i o nd a t a b a s e w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , o p e na n di n f o r m a t i o n s h a r i n g i na ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t b e c o m eo n ed e m a n dt h a ti n c r e a s e s p r o g r e s s i v e l y a f t e r c o n n e c t e dt o i n t e r n e t ，t h e c o n t r o ln e t w o r k so f i n t e l l i g e n t c o m m u n i t yc a nm a k en e w , v a l u a b l es e r v i c e sf u n c t i o na n de v e nb eb e t t e rt h a nl a n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , i th a sal o o kf o r w a r dt ot h ew e b a p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t y k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , l o n w o r k s ，n e u r o nc h i p ，n e u r o nc ，d d e 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 智能小区的概念 第1 章引言 2 0 世纪中叶以来，科学技术飞速发展，特别是电子技术、计算机技术、通 信技术和控制技术的迅猛发展，对有数千年历史的建筑行业产生了重大的影响。 建筑不仅仅只是一个挡风遮雨、防寒保暖的庇护所，进而成为一个能感觉、能 反应、能传递信息、能判断决策，特别是能适应各种变化的安全、高效、舒适 的生活、工作环境。智能建筑是人们在信息时代对办公条件和居住环境提出更 高要求的呼声下应运而生的，是信息时代的必然产物。 智能小区是结合智能大厦、智能住宅和国内住宅小区的特点而衍生出来的。 建设部关于住宅产业化办公室提出的住宅小区的基本概念如下：智能小区是以 科学技术为基础，依赖先进的设备和科学的管理，利用计算机及其相关最新技 术，将自然生态环境和建筑技术与计算机技术、自动控制技术、通信与信息处 理技术等相结合的高度综合复杂系统；它为小区住户提供更加安全、方便、快 捷、舒适开放的家居环境，实现小区基础物业管理，安防管理以及信息管理方 面的高度综合自动化，以实现降低成本、节约能源、保护环境和提高服务等目 标。 1 2 智能小区信息系统的功能目标 全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) 按照 不同星级，从安全防范子系统、信息管理子系统、信息网络子系统三个方面提 出对住宅小区智能化系统示范工程的功能要求。 ( 1 ) 安全防范子系统 安全防范子系统由出入口管理及周界防越报警系统、闭路电视监控系统、 对讲防盗门系统、住户报警系统和保安巡更管理系统五部分构成。各部分功能 目标如下： 出入口管理及周界防越报警系统 出入口管理及周界防越报警系统主要的功能目标是建立封闭式小区，加强 出入口管理，防范区外闲杂人员进入，同时防范非法翻越围墙或栅栏。 闭路电视监控系统 闭路电视监控系统是在小区主要通道、重要公建及周界设置前端摄像机， 将图像传到管理中心。中心对整个小区进行实时监控和记录，使中心管理人员 武汉理工大学硕士学位论文 充分了解小区动态。 对讲防盗门系统 对讲防盗门在各个单元路口安装防盗门和对讲装置，以实现访客与住户对 讲可视对讲。住户可遥控开启防盗门，有效地防止非法人员进入住宅楼内。 住户报警系统 住户报警系统是为了保证住户在住宅内的人身财产安全。通过在住宅内门 窗及室内其它部位安装各种探测器进行昼夜监控。当监测到警情时通过住宅内 的报警主机传输至智能化管理中心的报警接收计算机。接收机将准确显示警情 发生的住户名称、地址和所遭受的入侵方式等，提示保安人员迅速确认警情， 及时赶赴现场，以确保住户人身和财产安全。同时住户也可通过固定式紧急呼 救报警系统或便携式报警装置，在住宅内发生抢劫案件和病人突发疾病时，向 智能化管理中心呼救报警，中心可根据情况迅速出警。 保安巡更管理系统 保安巡更管理系统是在小区各区域内及重要部位制定保安人员巡更路线， 并安装巡更站点。保安巡更人员携带巡更记录机需按指定的路线和时间到达巡 更点并进行记录，将记录信息传送到智能化管理中心。管理人员可调阅打印各 保安巡更人员的工作情况，加强保安人员的管理，从而实现人防和技防的结合。 ( 2 ) 信息管理子系统 信息管理子系统也由五部分构成，各部分功能目标如下： 水、电、气、热等表具远程抄收 计量水、电、气、热等表远程抄收系统是通过采集抄收各表数据传送到智 能化物业管理中心，实现各户各表数据的录入、费用计算并打印收费帐单，将 相关数据传送到相应的职能部门，避免入户抄表扰民和人为读数误差。 供电设备、公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理 对小区内给排水、变配电系统以及电梯等进行工作状态的实时监测和控制， 从而实现公共设备的最优化管理并降低故障率。同时，利用传感器技术和网络 通讯控制技术，根据自然光亮度和使用要求，采用智能开关方式和定时自动控 制方式实现公共照明及环境灯光的自动控制。从而达到优化整个小区灯光照明， 延长灯具寿命和节约能源的目的。 车辆出入，停车管理 车辆出入停车管理系统通过对小区停车场出入口的控制，完成对车辆进出 及收费的有效管理。 紧急广播与背景音乐 在小区广场、中心绿地、组团绿地、道路交汇等处设置音箱，音柱等放音 2 武汉理工大学硕士学位论文 设备，由管理中心集中控制，可在节假日、每日早晚及特定时间播放音乐，也 可通过遍布于小区内的音箱播放一些公共通知、科普知识、娱乐节目等。同时， 在发生紧急事件时可作为紧急广播强制切入使用。 物业计算机管理 硬件部分采用计算机或计算机局域网组成。软件部分以高效、便捷的软件 体系来协调小区居民、物业管理人员、物业服务人员三者之间的关系。对物业 管理中的房产、住户、服务、公共设旋、工程档案、各项费用及维修信息资料 进行数据采集、传递、加工、存储、计算等操作，反映物业管理的各种运行状 况。软件结构应以网络为基础，实现信息共享，方便物业公司和住户信息沟通。 ( 3 ) 信息网络子系统 针对小区星级的不同，对信息网络子系统有不同的具体要求。信息网络予 系统主要提供小区的信息传输通道，是目前发展迅速的高科技领域之一。 1 。3 智能小区建设中应用l o n w o r k s 技术的特点 l o n w o r k s 技术是目前国际上控制领域中最热门的通用控制总线技术之一， 它得到世界各大著名工控产品生产厂家的支持，应用范围极为广泛。在智能小 区建设中选用l o n w o r k s 技术有以下特点： ( 1 ) 网络拓扑结构灵活多变。可根据建筑物的结构特点采用不同的连接方 式，可以最大限度地降低布线的复杂性和工作量，提高系统的可靠性和维护性。 ( 2 ) l o n w o r k s 网络是对等网络。其任一节点的故障不会造成系统瘫痪。一 个住户节点的损坏和关闭不影响其他住户节点的运行。 ( 3 ) n e u r o n 芯片内置现成的i 0 对象、l o n t a l k 协议，并使用高级语言编 程，大大缩短开发周期。 ( 4 ) l o n w o r k s 节点之闻使用逻辑连接，很容易添加和修改节点，便于系统 调整和扩充升级。 1 4 本课题的研究意义及创新 随着网络互联技术的发展和i n t e m e t 在全球范围的盛行，开放、互连和信息 共享已成为r r 时代的潮流，构造不同厂家的产品能够互联、互换和互操作并可 以与i n t e r n e t 无缝连接的新一代楼宇自动控制系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ， b a s ) ，已成为业主、系统集成商和用户的迫切需要和现实追求。 l o n w o r k s 技术作为新一代网络控制技术，以优良的开放性、互操作性、网 络适应性、灵活的网络拓扑以及面向对象的网络通信设计等特点，成为现场总 武汉理工大学硕士学位论文 线技术和控制领域的一个最佳选择，并成为小区智能化建设的最佳方案之一。 智能小区系统可以通过l o n w o r k s 技术互联成一个整体，使智能小区管理中一i i , 能 集中管理，分散控制。运用l o n w o r k s 技术可以很容易地实现智能化住宅的所有 功能，网络结构可以采用自由拓扑结构，布线容易。对不同系统的功能要求， 对网络结构无需作任何修改，只需对l o n w o r k s 节点编写相应的程序，将其直接 连接到控制网络上，使得整个智能小区具有很强的可扩展性。旱期可以使用 些基本的功能，以后根据需要不断地增强系统的功能。对于最终用户来说，项 目的初期投资大为减少，系统管理简单，增加新功能又十分简便。 本课题在参考了全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则 ( 试行稿) 的基础上，提出了智能小区信息管理系统的功能规划，并针对小区 住户三表数据抄表、安防报警和家电控制等功能需求设计了小区住户智能节点， 同时构建了一个智能小区监控网络。在底层网络与上位监控机之间通信方面， 采用v i s u a lc + + 进行l n sd d e 编程，利用c + + 类实现了客户应用程序与l n s d d e s e r v e r 之间的d d e 通信，最终实现了上位机对底层控制网络的信息采集、 监控和数据库管理，这是本文的主要创新之处。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，广泛应 用于各类自动化控制系统中。本章首先介绍了现场总线的概念和特点，随后， 着重讨论了本课题涉及的l o n w o r k s 现场总线，包括其网络构成、l o n t a l k 通信 协议、l o n w o r k s 网络的硬件实现以及开发工具，为后文中的应用开发提供了理 论支持。 2 1 现场总线技术概述 现代工业过程控制领域对测控系统的速度、精度、成本等方面提出了更高 的要求，全数字、双向、多节点的现场总线应运而生【l 】。现场总线是一种串行的 数字通信链路，它沟通了生产领域中现场设备之间以及更高层次控制过程设备 之间的联系。现场总线的出现带来了自动控制领域的革命性变革，为实施大范 围智能控制提供了强大的技术支持。 2 1 1 现场总线系统的特点 现场总线是应用在生产现场和在微机化测量控制设备之间实现双向串行数 字通信的系统。它在制造业、工业过程、交通和楼字等自动化系统中具有广泛 的应用前景。与传统控制技术相比，现场总线技术具有队下鲜明的特点： ( 1 ) 开放式控制网络 开放式控制网络允许许多智能设备之间相互通信，而不需加入监控设备并 能负责整个系统级的控制算法。网络上的设备构成对等( p e e r t op e e r ) 结构，即 每个设备负责直接将信息发布到网络上的其他设备，信息由设备的发送器以数 据包形式发出，一个或多个接收器接收这些数据包。 ( 2 ) 分布式智能 网络己出现许多年了，除了大型计算机系统外，通常还没有应用到网络控 制设备，绝大多数通信协议仍被用来进行计算机或个人之间的数据通信。随着 微处理器价格的不断下降，可以将微处理器嵌入到价格低廉的控制器和控制设 备。在这个意义上说，控制设备具有通信和信息处理的能力( n x 担传感测量、 补偿计算、数据处理和控制任务) ，该设备亦称为“智能设备”。 ( 3 ) 强大的网络功能 在传统网络中，采用的通信协议通常服务于网络性能的优化。然而在控制 网络中，通信协议主要提供智能设备间频繁、可靠、安全的通信，设备间对等 武汉理工大学硕士学位论文 的信息传输。现场总线技术采用自由拓扑结构，现场设备自治，以点对点通信 方式实现分散基础上的信息融合。通过各种智能网关、桥接器和路由器不仅实 现现场设备的分段成组，还可以实现现场控制系统向信息系统的集成。 2 1 2 现场总线技术的发展 现场总线自2 0 世纪8 0 年代中期问世，传统的自动化仪表、集散控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 、可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，p l c ) 的产品功能结构受到了挑战。自动化设备的制造厂家被迫进行 产品更新换代，出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器，具 有通信功能的智能化数字仪表，以及带有控制模块和故障信息的执行器，大大 改变了现有设备的维护管理方式。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的 底层控制网络，它可与i n t e r n e t 的企业内部网相连，沟通生产过程现场级设备与 更高控制管理层之间的联系，以分布式的智能和强大的网络能力增强了系统的 可靠性和品质，代表了工业自动化的发展方向。由于现场总线担负测量控制的 特殊任务，具有信息传输的实时性、高可靠性和短帧传送，其传输速率一般在 几k b s 至1 0 m b s 之间。 目前国际上有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特定的应用领 域显示了自己的优势。它们分别为基金会现场总线( f o u n d a t i o n f i e l db u s ，f f ) 、 l o n w o r k s 现场总线、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) 总线和h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 总线等。其中l o n w o r k s 总线以其支持o s i o s i 七层模型、支持多种通信媒介及易于实现等诸多特征，受到了广泛的关注。 现场总线技术产品具有很强的开放性、兼容性、可靠性和互操作性，广泛用 于工业过程、楼宇、家庭、能源等自动化领域。现场总线技术促使控制网络与 信息网络的集成，极大地改变人们的生产方式和生活方式，扩大了传统控制领 域的范畴。 2 1 3l o n w o r k s 总线技术优势 l o n w o r k s 总线技术是美国e c h e l o n 公司1 9 9 2 年推出的构建控制网络系统的 完整平刽2 】。包括：为控制网络提供智能、具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片； 符合i s o o s i 七层通信协议的l o n t a l k 协议；支持多种传输介质的收发器；用于 节点研制、调试和组网的n o d e b u i l d e r 工具；能方便高效地管理网络安装、维护 和监测，以保证整个网络具有互操作性的l o n w o r k s 网络服务体系架构l n s ；用 于应用层软件开发的n e u r o nc 等。 高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得l o n w o r k s 产品应用非常广 武汉理工大学硕士学位论文 泛。它广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理、火 灾报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等【3 】o 为了便于各个 厂商不同设备的互操作，e c h e l o n 公司和一些l o n w o r k s 用户在1 9 9 4 年成立了 l o n w o r k s 互操作协会。协会的主要任务是制定和推广l o n w o r k s 技术的设计指 导标准，并帮助生产厂商和最终用户制造和使用可互操作的l o n w o r k s 产品。 l o n w o r k s 网络协议已成为诸多组织、行业的标准。消费电子制造商蜘会 ( c e m a ) 将l o n w o r k s 协议作为家庭网络自动化的标准( e i a 7 0 9 ) 。1 9 9 9 年 1 0 月，a n s i 接纳l o n w o r k s 网络的基础协议作为一个开放工业标准，包含在 a n s i e i a 7 0 9 1 中。国际半导体原料协会( s e m i ) 明确采纳l o n w o r k s 网络技术 作为其行业标准，还有许多国际行业协会采纳l o n w o r k s 协议标准，这将巩固 l o n w o r k s 产品在诸多行业领域应用的地位，推动l o n w o r k s 技术的发展。 2 2l o n w o r k s 网络的构成 构成l o n w o r k s 网络主要单元是智能节点，它的核心是n e u r o n 芯片，此外 还包括l o n t a l k 收发器、存储器、电源和外围电路。智能节点是物理设备的抽象， 应用设备、路由器、网络接口卡都可以称为智能节点。 2 2 1l o n w o r k s 网络拓扑结构 l o n w o r k s 技术可以通过多种收发器，提供多种典型的拓扑结构，如总线型、 星型、环型、混合型等，这给网络安装提供了极大方便。图2 - 1 所示为一个混合 型的网络结构。 图2 - 1 混合型网络结构 2 2 2l o n w o r k s 网络结构 智能节点是构成l o n w o r k s 网络的主要单元。基于l o n t a l k 通信阱议，智能 节点之问通过各种通信介质进行相互通信。当控制网络中存在几种不同的通信 介质时，可以通过路由器互连。l o n w o r k s 控制网络也可以通过网关连接其它的 武汉理工大学硕士学位论文 控制网络。图2 - 2 所示为l o n w o r k s 控制网络结构图。 图2 - 2l o n w o r k s 控制网络结构 2 3l o n t a l k 通信协议 抟盘 托割 终 l o n w o r k s 通信协议称为l o n t a l k 协议和a n s i e i a 7 0 9 1 控制网络标准，是 l o n w o r k s 系统的核心【4 1 。该协议提供一系列通信服务使得一个设备的应用程序 可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络 上其他设备的消息。l o n t a l k 协议能提供端到消息确认、消息认证、打包业务和 优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设 备进行交互。 2 3 1l o n t a l k 协议的特点 ( 1 ) l o n t a l k 协议采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。 ( 2 ) l o n t a l k 协议支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、同轴电缆、 无线电和红外线、光纤传输介质等。 ( 3 ) 互操作性强，网络上任一节点可对其它节点进行操作，传输控制信息。 ( 4 ) 响应时间快，通信安全可靠。 2 - 3 2l o n t a l k 协议的七层模型 l o n t a l k 协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议。l o n t a l k 协议提 供了o s i 参考模型的所有七层服务。表2 - 1 给出了o s i 七层协议模型以及对应 的l o n t a l k 协议服务。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1l o n t a l k 协议的各层功能 层次o s i 层次服务l o n t a l k 提供的服务处理器 7应用层 网络应用标准网络类型应用处理器 6表示层 数据表示网络变量，外部帧传输网络处理器 5会话层远程遥控 请求响应，认证，网网络处理器 络管理 4传输层端对端可靠传输应答，非应答，点对点网络处理器 及双重检查 3网络层传输分组地址，路由网络处理器 链链路层帧结构帧结构，数据解码， 2路 c r c 错误检查m a c 处理器 层m a c介质访问可预测c s m a ，冲突避 子层免，优先级 1物理层电路连接 介质，电气接口m a c 处理器 ( 1 ) 物理层：物理层定义了在通信信道上位流的传输。物理层确保一个源 设备发送的位流准确地被目的设备所接收。l o n t a l k 协议是基于传输介质的，多 个物理层协议支持不同的通信介质。 ( 2 ) 数据链路层：数据链路层定义介质访问方法和确保有效利用单一信道 的数据编码。物理层的位流被分割成数据帧，数据链路层定义源设备发送数据 帧的时刻，目的设备如何接收数据帧以及检测传输错误，同时还定义了优先级 机制以确保重要信息的传送。 ( 3 ) 网络层：网络层定义了来自源设备的消息是如何选择路由到达一个或 多个目的设备的。网络定义设备名称和地址，还定义了当源设备和目的设备不 在同一个信道上时，如何确定消息路由。 ( 4 ) 传输层：传输层确保可靠的消息传输。消息可以用一种确认服务方式 来进行数据交换，即源设备等待来自接收设备的确认信号并且当未收到确认信 息时重发消息。同时，传输层还定义了由于丢失了确认消息重发时，如何排除 重发消息。 ( 5 ) 会话层：会话层对较低层数据交换加以控制。它支持远程操作，使得 客户可以对远程服务提出请求，并接收对请求的响应；它还定义了一个认证协 议，使得消息接收者确认发送者是否有权发送该消息。 ( 6 ) 表示层：表示层定义消息数据的编码。消息被编码为网络变量、应用 消息或外部帧。用标准化网络变量类型s n v t s 支持网络变量的互操作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 应用层：应用层定义为一种低层交换数据的公共语义解释，使不同的 应用程序中网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传( 发送) 或上 传( 接收) 。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序问的传输流。 2 3 3l o n t a l k 协议的编址方式 l o n t a l k 协议定义了一种分层编址方式，这种方式使用了域( d o m a i n ) 地址、 子剜( s u b n e t ) 地址和节点( n o d e ) 地址。为了进一步简化多个分教 ，点的编址， l o n t a l k 协议还定义了另一级地址：组( g r o u p ) 地址。下面分别介绍。 ( 1 ) 域地址：l o n t a l k 编址的最顶层是域，是一个或多个通道上的节点的 一个逻辑集合( 一个通道是指在物理上能独立发送消息而不需要转发的一段介 质) 。它只有在一个域中的节点才能互相通信。换句话说，在同一通道上的节点 完全可以通过赋予不同的域名而执行不同的网络应用，并绝对做到不同的网络 应用之间完全独立、互不干扰地运行。所以，域又称为虚拟网络。域标识使用 域标识符，域标识符对应的字数可在0 、1 、3 、6 个字节的4 个值中选择。 ( 2 ) 子网地址：编址的第二层是子网，子网是域中节点的一个逻辑集合。 每个子网的节点数最多为1 2 7 个，而每个域最多有2 5 5 个子网。子网中的所有 节点必须是在同一区段上，子网不能跨越智能路由器。 ( 3 ) 节点地址：编址的第三层是节点。子网中的每个节点都被赋予一个唯 一的数值，该数值是7 位二进制值，这样每个子网最多可配置的节点数为1 2 7 个。 ( 4 ) 组地址：一个组是一个域中的节点的逻辑集合。与子网不同，作为一 个组的节点无需考虑它在域中所处的物理位置。一个域中最多可指定2 5 6 个组， 而且对采用应答服务或请求响应服务的节点数最多为6 4 个；对采用非应答服务 的组节点数不限制。单独的一个节点可同属于多个组( 最多1 5 个组) 。组编址 的优点是降低随同消息发送的地址信息的字节数，同时也使同一组中的多个节 点可同时接收网上发出的单个消息。节点的组不仅可跨越同一域中的多个子网， 而且可跨越多个通道。 ( 5 ) n e u r o n 芯片标识：已知n e u r o n 芯片的标识符i d 可用作地址，并且这 个i d 值只在网络安装及配置时用作网络寻址。网络管理工具用在节点安装时， 用它给安装的节点配置属于一个域还是两个域，对应用消息不使用这种编址格 式。节点使用的编址格式有5 种，不同的编址格式决定了原地址及目标地址将 占用的字节数，编址格式如表2 2 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2l o n t a l k 协议的五种地址格式 地址格式目标地址长度( - 7 节数) 域( 子网= o )域内所有节点3 域、子网子网内所有节点 3 域、子网、节点子网内的特定节点 4 【域、组组内所有节点 3 l 域、n e u r o n i d特定节点9 2 3 4l o n t a l k 协议的通信服务 ( 1 ) 网络效率：网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。 ( 2 ) l o n t n k 消息服务：l o n t m k 协议提供以下4 种可选择的消息服务： 确认服务( a c k n o w l e d g e d ) ：以这种方式发送消息，发送方必须收到每 个接收节点的确认信号。如果事务定时器溢出还没有收到所有节点的全部确认 信号将重新发送，而重发次数和事务定时是可以任选的。确认信号由n e u r o n 芯 片的网络处理器产生，而无需应用程序干涉。事务i d 号用于跟踪消息和确认信 号，以避免应用程序不会收到重复的消息。 请求腔答服务( r e q u e s t r e s p o n s e ) ：请求应答服务与确认服务有相同的 可靠性，发送方需要接收到每个接收节点的应答信号，也包括重发次数和事项 定时。应答信号包含数据，所以该方式适用于远程过程调用或客户机服务器应 用。 非确认重发服务( u n a c k n o w l e d g e dr e p e a t e d ) ：这是一种比较可靠的方式， 消息向一个或一组节点发送多次，而不等待应答信号。这种消息方式适用于向 节点数较多的组进行广播传送，这时如果组内节点都产生应答，网络就会过载。 非确认服务( u n a c k n o w l e d g e d ) ：非确认服务是最不可靠的一种服务， 它不需要等待接收节点的应答信号。它适用于对网络效率要求很高而网络带宽 有限，且对消息的丢失不敏感的应用场合。 ( 3 ) 冲突检测：l o n t a l k 协议的冲突退避的算法是特有的，称为预测p - 坚 持c s m a ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n c ec s m a ) 。它在保留c s m a 优点的同时，克服 了其缺点，保证在过载的情况下不会因为冲突而降低吞吐量。当使用支持硬件 冲突检测的传输介质( 双绞线) 时，一旦收发器检测到冲突，l o n t a l k 协议就可 以有选择地取消消息的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发。 ( 4 ) 消息认证：l o n t a l k 协议支持消息认证服务，即允许消息的接收者确 定消息的发送方是否有权发送。它用于防止未授权节点介入应用。消息认证的 武汉理工大学硕士学位论文 实现使在节点安装时，分配到一个4 8 位的密钥，对于一个消息被接受方接收， 则发送方和接受方要有相同的密钥。 2 4l o n w o r k s 网络的硬件实现 l o n w o r k s 网络中的硬件主要以n e u r o n 芯片为核心的智能节点设备构成， 按其应用的不同可以分为l o n w o r k s 设备、l o n p o i n t 模块和l o n w o r k s 网络设备。 2 4 1l o n w o r k s 设备 l o n w o r k s 设备是l o n w o r k s 网络开发人员根据其具体应用开发的智能节点 设备，一般分为基于芯片的智能节点和基于主机的智能节点两大类，图2 2 中包 含了这两类节点的结构框图。l o n w o r k s 设备的最基本组成包括一片n e u r o n 芯 片、收发器、存储器、晶振和电源，这个最小系统也称为l o n w o r k s 功能模块。 另外，在实际应用中，可以根据需要对这个最小系统进行相应的i o 电路扩展。 2 4 1 1n e u r o n 芯片 l o n w o r k s 技术的核心是n e u r o n 芯片【4 】【5 1 。n e u r o n 芯片主要包含m c l 4 3 1 5 0 和m c l 4 3 1 2 0 两大系列，m c l 4 3 1 5 0 支持外部存储器，适合更为复杂的应用， 而m c1 4 3 1 2 0 则不支持外部存储器，它本身带有r o m 。3 1 5 0 为6 4 管脚，3 1 2 0 为3 2 管脚。 ( 1 ) 处理单元 n e u r o n 芯片内部装有三个微处理器：媒体访问控制( m a c ) 处理器、网 络( n e t w o r k ) 处理器和应用( a p p l i c