随着科技的发展、社会的进步，许多高级建筑物内包含的楼宇自控设备和不同功能的子系统越来越多，越来越复杂。同时，建筑物业主也希望整个系统具有更高的性能、更高的效率和相对低的维护扩展费用。但由于不同厂商提供了不同功能的产品和子系统，采用了不同的通信协议，因此将造成各子系统有不同的通信速率、不同的编码格式和不同的通信规则，致使各子系统间实现互操作和系统互连将很困难，实现智能建筑的系统一体化集成就更加无从谈起。如果子系统各自独立运行，不仅不能对整个系统进行统一的协调和管理，而且会有较高的运行和维护费用，将来扩展起来也不方便。所以，建筑物业主和管理者迫切需要一种开放的、可互操作的控制技术。通过这种技术，建筑物内的各种自控设备都可方便地集成在一起，实现各个子系统和各个设备间的自由通信，以取得最佳的经济利益。

　一、ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络技术——一种开放的控制技术

　　由于上述的原因，目前使用的传统楼宇自控系统已不能满足市场和用户的需求，归纳起来体现在以下几个方面：

（１）传统的楼宇自控系统就其本身而言是一种封闭的系统，主要表现在其通信协议上，不同厂商的产品采用不同的通信协议，互不兼容。如要实现这些封闭系统的一体化集成，就要在不同通信协议的系统间用网关（Ｇａｔｅｗａｙ）把它们连接起来，这将会产生大量的软件编制工作。这样实现的系统不仅性能差，而且费用很高，不是理想的解决方案；

（２）由于系统封闭，不同子系统间无法共享信息，不同功能的子系统可能要配置相同的器件，造成极大的资源浪费；

　　（３）由于系统的封闭性，所以从业主选择了产品后，系统的设计、供货、调试到以后的维护、扩展、升级都只能由厂商来完成，业主毫无自由度可言，只能被动接受，最初的投资不能得到有效的保护；

　　（４）随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，封闭的系统限制了建筑物智能化产品的更新换代，只有开放的系统才能为用户提供真正的低成本产品。

　　今天，建筑物业主和管理者正在寻找一种建筑物控制系统。这种控制系统是一个开放的、可互操作的控制系统，它可以把来自多家厂商的暖通空调、照明、消防、安保、门禁、给排水和电梯等设备一体化地集成在这个控制系统中。就像在计算机市场上ＰＣ机带来的浪潮一样，开放的、可互操作的控制系统的使用可以为用户在系统的整个生命周期内降低系统安装费用、提高系统性能、节约运行费用。另外，在一个控制系统中多厂商产品的一体化集成需要采用一个统一的通信协议，通过使用相同的通信协议，就可以取消昂贵的用户硬件、软件和网关等设备。

　　目前，美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术使上述目标成为现实。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是开放系统的一种完整的解决方案。

　　神经元芯片和Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的核心，下面分别进行分析。

　二、神经元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）

　　使用ＣＭＯＳ ＣＬＳＩ技术的神经元芯片使实现低成本的控制网络成为可能。神经元芯片是高度集成的，内部包含三个８位的ＣＰＵ。第一个ＣＰＵ为介质访问处理器，处理Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议的第１～第２层；第二个ＣＰＵ为网络处理器，处理Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议的第３层～第６层，进行网络变量的处理、寻址、事务处理、证实、背景诊断、软件定时器、网络管理和函数路径选择等；第三个ＣＰＵ为应用处理器，它执行由用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。Ｎｅｕｒｏｎ芯片的编程语言为Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ，它是从ＡＮＳＩ Ｃ中派生出来的，并对ＡＮＳＩ Ｃ进行了删减和增补。

　　Ｎｅｕｒｏｎ芯片可以通过５个通信管脚与网络上的其它节点交换信息，也可以通过１１个应用管脚与现场的传感器和执行器交换信息。１１个应用管脚具有３４种应用操作模式，可以在不同的配置下为外部提供灵活的接口和芯片内部的计时器应用。

　　三、 Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议

　　Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议遵循ＩＳＯ定义的开放系统互连（ＯＳＩ）模型，并提供了ＯＳＩ参考模型所定义的全部７层服务。它具有以下的特点：

　　（１）Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质

　　（２）Ｌｏｎ Ｔａｌｋ应用可以运行在任何主处理器（Ｈｏｓｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）上。主处理器（微控制器、微处理器、计算机）管理Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议的第６层和第７层并使用ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络接口管理第１层～第５层；

　　（３）Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体，并都有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程，大大降低了开发人员的工作量；

　　（４）Ｌｏｎ Ｔａｌｋ协议支持总线型、星型、自由拓扑等多种拓扑结构类型，极大地方便了控制网络的构建。

　　到目前为止，全世界安装的ＬｏｎＷｏｒｋｓ节点已涉及到包括建筑、家庭、工业、通讯和交通等在内的多个行业。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是支持完全分布式的网络控制技术，是开放的、可互操作的控制系统的一个技术平台。

　　采用ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络使得从封闭的依赖于单个厂商的控制系统到完全可以互操作的智能楼宇自动化系统的转变成为现实。作为智能楼宇自动化产品的开发者或系统集成者，可以以ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术为依托，开发ＬｏｎＷｏｒｋｓ兼容的通用智能控制节点、各种专用节点，以及各种智能传感器、执行器；也可以从ＬｏｎＷｏｒｋｓ兼容的不同ＯＥＭ厂商的硬件和软件中按照应用的要求配置灵活选用，完全没有必要依赖于单一的货源。ＬｏｎＷｏｒｋｓ的开放性和互操作性使得不同厂商的产品很容易集成于一个功能齐全，结构灵活，容易安装、维护和扩充的一体化的智能建筑管理控制系统。

　　下面对ＬｏｎＷｏｒｋｓ智能楼宇自动化系统的设计和实施分别进行讨论。

　四、　智能节点设计

　　一般说来，使用ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术组成的自动控制网络中，检测、控制点可分为四类，即数字量（开关量）输入／输出，模拟量输入／输出。在节点设计时，可以根据应用要求和器件能力，选择各种输入输出的优化组合，形成系列产品。

　　４．１ 数字量（开关量）输入节点

　　数字量（开关量）输入节点主要用于检测外部数字信号和具有开关状态的信号，比如检测继电器的闭合状态，某些开关的状态，电平信号的输入等，这类节点在设计过程中主要考虑的问题是如何将各种各样的数字量和开关量转换成Ｎｅｕｒｏｎ芯片能够接收的信号，并且这类信号在输入通道上要加光电隔离器，以提高节点运行的安全性和可靠性。

　　４．２ 数字量输出节点

　　在ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络中，很多的控制机制都是通过数字量输出节点来完成的，比如继电器的驱动，各种显示器的驱动等。在设计这类节点时，主要解决外部高电压、大电流的提供问题。在电路中，同样也需要进行光电隔离，来提高节点的可靠性和安全性。

　　４．３ 模拟量输入节点

　　模拟量输入节点主要用于采集网络中的模拟信号。由于模拟信号种类繁多，如电压信号、电流信号等，而这类信号根据应用的场合和使用的传感器不同，其范围也不尽相同，所以模拟量输入节点的前端应增加信号整理电路，以使这些信号处于一个合理的范围内，便于采集。由于Ｎｅｕｒｏｎ芯片所提供的Ｉ／Ｏ接口只有１１个引脚，所以在节点的设计中，大多都采用串行接口的Ａ／Ｄ转换器，而Ｎｅｕｒｏｎ芯片中的ＩＯ８～ＩＯ１０提供了标准的ＳＰＩ总线，为串行Ａ／Ｄ到Ｎｅｕｒｏｎ芯片的连接提供了方便条件。当然，为了在节点中进一步提高数据采集速度，也可以使用并行接口的Ａ／Ｄ器件，只是这种器件连接到Ｎｅｕｒｏｎ芯片时，要使用较多的Ｉ／Ｏ口；另外在节点中使用串行Ａ／Ｄ器件可以比较容易地实现光电隔离，而使用并行Ａ／Ｄ时要实现光电隔离在速度和使用数量等方面比较困难。在进行模拟量输入节点的设计时，还可以使用其他类型的Ａ／Ｄ变换形式，比方说在Ａ／Ｄ速度要求不高，精度要求较高的场合可以使用Ｖ／Ｆ变换来实现模拟量到数字量的转换。

　　４．４ 模拟量输出节点

　　模拟量输出节点对于驱动某些控制设备是必需的，比如步进电机的控制、一些调节阀的控制等。与模拟量输入节点一样，在这类节点中使用最多的还是串行的Ｄ／Ａ变换器件。根据所控制对象的不同，可能要求模拟量输出节点提供不同的信号，如电压信号、电流信号等，所以在实际的设计中，要增加输出信号整理电路。

　　４．５ 节点设计中的抗干扰措施

　　过程通道是前向接口（Ａ／Ｄ等）后向接口（Ｄ／Ａ等）与Ｎｅｕｒｏｎ芯片或Ｎｅｕｒｏｎ芯片之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素。随着系统主振频率越来越高，系统过程通道的长线传输越来越不可避免。例如，按照经验公式计算，当主机主振频率为１ＭＨｚ时，传输线大于０．５ｍ或主振为４ＭＨｚ时，传输线大于０．３ｍ，即作为长线传输处理。为保证长线传输的可靠性，主要措施有光电耦合隔离、双绞线传输、阻抗匹配等。比如在上述的节点设计中，一般都增加了光电隔离电路，一方面提高了节点的安全性，同时也增加了节点的抗干扰能力。在ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络中传输媒体大多使用双绞线，它保证了信号传递的质量，从而可以使信号传送到足够远的地点。另外在使用双绞线时，网络端点的阻抗匹配也是影响信号质量及传输距离的重要因素，在设计网络时要格外注意。

　五、　智能楼宇自动化系统实施

　　在实施楼宇自动化系统时，一般遵循下列步骤：建立控制逻辑；选择控制节点和其它设备；网络结构设计；布线、安装、调试。

　　５．１ 建立控制逻辑

　　即定义监控对象，确定监控点以及监控对象与其他设备的通信方式。楼宇自动化系统一般监控对象包括：暖通空调、照明、保安门禁、火灾报警、能源监测等系统，以及和大厦信息管理系统的接口。控制逻辑是根据应用系统的监控要求确定的，例如，公共地段的照明按时间开关，办公室照明在有人进入时打开，公共门禁和ＨＶＡＣ按时间程序开关，保安系统使用动目标传感器等。监控对象的性质和监控要求决定了监控点的数目和类型（模拟量输入ＡＩ，模拟量输出ＡＯ，数字量输入ＤＩ，数字量输出ＤＯ等），以及这些输入输出之间的关系。

　　５．２ 选择控制节点及其它设备

　　在确定好控制逻辑之后，就可以开始选择节点，选择节点时，主要考虑采用何种节点才能适合应用要求。为简单起见，我们将节点分为两大类：通用节点和专用节点。通用节点是可以通过使用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ编程监测控制多个输入／输出点；专用控制节点是已经定义为某种专用的输入／输出（如ＤＩ、ＤＯ、ＡＩ、ＡＯ）。
通信类型即采用何种通信媒体（双绞线自由拓扑结构、信道电源线、供电线、天线），要根据实际的需要和可能考虑。一般来说，双绞线自由拓扑结构成本较低；信道电源线在需要使用电池或备用电源时比较适合；供电线在装修改造的工程中可能比较经济；天线在无法使用其他通信媒体时（例如无法连线时）提供解决办法。在考虑通信类型时，还需要考虑是否需要采用路由器、网桥或重发器。

　　５．３ 网络结构设计

　　确定每一个控制节点的位置、网络中使用节点的数量及路由器、网桥和重发器的数量。网络的构型，即是否要有多个域（Ｄｏｍａｉｎ）、子网（Ｓｕｂｎｅｔ）、组（Ｇｒｏｕｐ），哪些节点属于哪个域和组，还有人机界面是否采用主监控ＰＣ等。

　　５．４ 布线、安装、调试

　　布线是一项复杂的工程，楼宇自动化系统与结构化布线技术的结合使布线更加规范化。采用双绞线自由拓扑结构收发器的ＬｏｎＷｏｒｋｓ节点很容易使用结构化布线的普通双绞线或屏蔽双绞线作为其通信媒体。除了网络布线外，电源、传感器、变送器、执行器的输入／输出连线、空调控制线、门锁、照明设备控制线等都需要加以确定。在确定设备位置和布线要求后，制定布线计划和细节，即可实施布线、安装。调试过程是反复进行的过程，包括节点程序的调试、设备功能调试及网络联调。使用开发系统及网络安装调试工具进行网络模拟调试，无疑可以减少现场安装调试的工作量，从而节省调试成本。

　　六、　结束语

　　ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术体现了控制网络技术发展的最新趋势，它对控制领域各种不同应用的适应性，它提供的一体化解决办法，它的无中心真正分布式控制模式，它的开放性、互操作性，以及它被工业界的广泛接受，成为控制网络的实际主流标准，使得基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ平台开发真正一体化的智能建筑管理控制系统，不但是现实可行的，而且具有广阔前景。

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