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、系统可靠性、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。许多厂商为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。

MC143120和MC143150两个芯片都实现了与OSI参考模型兼容的LonTalk通信协议。它们之间的不同之处在于它们的存储器配置的类型及容量，前者主要用于造价较低、范围较小的应用场合。而后者可应用于较复杂的应用环境和具有较高要求的系统中。两个芯片内部都包括三个处理器，两个用于通信，一个用于执行应用程序。Neuron芯片所提供的各种I/O接口，都可以很简单地用高级语言来调用，以实现各种传感器、执行器、定时及计数等设备的连接。

LonTalk协议分为七层。每一层都是面向控制网络的，并和OSI参考模型一致。LonTalk协议是嵌入Neuron芯片内部固件中的，它是使用LonWorks技术组网的基础。Echelon公司提供的开发系统可以帮助我们利用各种基于Neuron芯片的智能节点很容易地使用LonTalk协议组成一个智能分布式控制网络。 LonTalk协议提供各种服务以加强可靠性。如16位CRC，对接收方端到端的应答，Watchdog定时器，片内E2PROM内容的校验和保护、失败报文的通告以及每个节点分组错误的记录等。另外协议还提供鉴别服务以满足发送者的有效识别。在鉴别服务中，通过由收发方使用的传输关键字来实现数据的保护。由于LonTalk协议是在芯片内部的，所以用户不必担心它的一致性。这样用户可以不必花费大量的时间，来建立其内部的标准。正是由于它的这一特性，使得它可以以很小的代价，适应于各种不同的应用场合。

在LonTalk协议中网络流量的预测和避免拥塞的方法，使得在最坏情况下的响应时间得到了控制。为报文提供优先级的方式，可以大大提高高优先级报文的响应时间，其支持高达1.25Mbps的传输速率，并可支持各种实时的应用。应用程序装载很简单，可以节约大量调试时间，容易实现各种新产品的开发与应用。 LonTalk协议的高层——应用层协议的数据称为网络变量。它可以是任何单个的数据项，也可以是结构数据。应用程序的设计者只需使用关键字“NETWORK”来定义这些变量，那么在网络中的任何节点都可与之相联系。例如，一个网络变量定义为“OUTPUT”，一旦此变量在节点中被赋于一个新值，在Neuron芯片内的固件就会自动地将其发送出去。这意味着应用程序设计者不必关心缓冲管理、报文初始化、报文分析和错误处理等。

3 LonWorks智能楼宇自动化系统的设计和实施

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。

3.1 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。

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。

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，主要是要解决外部高电压、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。

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，如电压信号可以是0～5V、0～10V、－5～＋5V、－10V～＋10V，电流信号可以是0～10mA，4～20mA等，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、而在使用并行A/D时要实现光电隔离，由于速度和使用数量等方面的原因比较困难。在进行模拟输入节点的设计时，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。

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，比如步进马达的控制、一些调节阀的控制等。和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。节点设计中的抗干扰措施过程通道是前向接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。 

3.2 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；选择控制节点和其他设备；网络结构设计；布线；安装调试。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，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。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。选择节点主要考虑采用何种节点以适合应用要求。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)，如电梯楼层显示节点、呼梯节点及轿箱节点、电动门锁控制节点、能量计费节点等。

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、无线)，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；无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。网络结构设计：即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。

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。调试过程是反复多次进行的过程，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。