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基于Lonworks的智能楼宇安防系统

　　摘 要 对智能楼宇安防系统进行了研究，提出了一种基于LonWorks总线的分布式控制系统，论述了Lonworks总线技术，系统的硬件设计和程序设计。 关键词 LonWorks总线；智能建筑；安防系统；智能节点 智能建筑及楼宇自动化是近几年兴起的新领域，特别是近年来现代高科技和信息技术的发展，实现了“将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐”的目标。 智能建筑应当是：“通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑物能够帮助大厦的主人，财产的管理者和拥有者等意识到，他们在诸如费用开支、生活舒适、商务活动和人身安全等方面得到最大利益的回报。” 智能建筑的智能化其组成按其基本功能可分为三大块：楼宇自动化系统 BAS(Building Automation System)、办公自动化系统OAS(Office Automation System)和通信自动化系统 CAS(Communication Automation System)，即“3A”系统。 目前，国内的楼宇自动化系统大都采用以单片机为核心，通过串行通讯总线进行系统连接并通信，这种系统在本质上因采用了封闭式通信协议。现场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System)因通信协议的开放性而能很好地解决这些长期困扰我们的问题，它的应运而生在控制领域产生了一场新的革命。 现场总线是一种串行化、数字化数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系。在当前多种流行的现场总线中，LonWorks 现场总线技术异军突起，以其优良的性能与特点而迅速在楼宇自动化系统中得到越来越多的应用。
1 LonWorks主要技术 LonWorks 总线主要是以美国 Echelon 公司等发起并于 1990 年正式公布推出的局部操作网络，已成为在 BAS 应用中最有影响的现场总线。LonWorks 以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒介适应能力以及多网络拓扑结构等特点,适应了未来发展对测控网络的要求。LonWorks 技术是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，它包含所有设计、配置和维护网络所需要的技术：3120/3150 Neuron 芯片；NeuronC 编程语言；LonTalk 协议；LonWorks 收发器；LonBuilder 和 NodeBuilder 开发工具等。LonWorks 网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种形式的 I/O 功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守 ISO/OSI 的七层模型协议。 智能节点 构成 LonWorks 控制网络的 Neuron 智能节点由神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等组成。Neuron 智能节点分为两类，第一类是名为基于 Neuron芯片的节点，节点中不再出现其它处理器，它利用 Neuron 芯片完成包括通信以及用户应用程序在内的所有工作，此类节点结构简单、成本低，适用于控制功能较为简单的网络系统；另一类是称作基于主机的节点，节点中除了 Neuron 芯片以外，还有其它的处理器，诸如单片机等，前者主要完成通信工作，后者则完成用户的应用程序，此类节点结构复杂、成本高，但可实现复杂的控制功能。图1为基于Neuron 芯片的节点结构。 Neuron 神经元芯片 Neuron 芯片是 LonWorks 技术的核心，每一个神经芯片在制造期间被赋予一个唯一的 48位码的标识，称为标识码。它既进行通信的管理，也同时具有输入、输出和控制的能力。3120 与 3150 两大系列芯片主要由 Motorola、Toshiba、Cypress三个公司生产，芯片内有 3个8 位流水线作业的 CPU。介质访问控制 CPU 处理LonTalk 7 层协议的第 1 到第 2 层，包括驱动通信子系统硬件和执行 MAC 算法。网络 CPU 处理 LonTalk 协议的第 3 到第 6 层，包括处理网络变量寻址事务，权限证实，背景诊断，软件计时器，网络管理和路由等，同时还控制网络通信端口，物理的发送和接收数据包。应用 CPU 执行用户用 Neuron C 语言编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。3 个 CPU 分别通过片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信。新出现的低能耗芯片 MCl43120LE2FB 采用 3V工作电压，减小了电力消耗。广泛适用于传感器、执行器、安全检测器和自动调温器，尤其适用于建筑物内嵌的分散控制网络。
图1基于 Neuron 芯片的节点结构图
2 系统硬件设计 楼宇自动化安防系统选用两级计算机监控系统，即由上位管理机、LonTalk适配器以及多个智能节点组成，节点数量可根据监控的需要增减，使用LonWorks 现场总线作为控制和通信网络把各节点连接成一个分布式智能控制系统，其网络结构如图2所示。 家庭智能节点的硬件电路主要由神经元芯片、单片机、键盘、LED显示、蜂鸣器、A/D 转换等部分组成。其中信号采集部分可由门磁开关、微波侦测、红外侦测、火灾检测、烟感探测等诸多类型传感器组成。采集到的信号送到单片机，经分析处理产生现场声光报警的同时，并判断报警类型，如果是火警类型则显示“F×××”，其中F表示火警，“×××”表示报警的房间号；若为盗警则显示“D×××”；若为紧急呼叫则显示“B×××”；若采集信号出现故障则显示“E×××”。若遇到需要显示二种及以上信号时，按F×××、B×××、D×××、E×××的优先级循环显示报警信号。亦可依据主人设定的状态将报警信号通过公众电话网以数据或语音两种方式进行报警。 数据报警是在自动拨打设定的电话后，再将报警的地址及报告码以数据形式送出。上位机设在住户所属区域的报警中心，可直接将该系统通过LonWorks总线与之相连，构成城区报警防护网络中的一部分。一旦出现紧急状况而产生报警，按照先报警中心后户主的优先级报告家中警情。根据所传送的数据，报警中心的计算机可立刻显示出报警住户的地址、警情并连同报警时间一并送至打印机打印输出，同时将报警状况存于计算机的硬盘中，以便日后查证。此时值班中心的值班人员可立即通知有关人员前往处理。语音报警则是在自动拨打完主人设定的电话号码后，待对方摘机，立刻播放存于语音芯片中的语音提示音，如 “家中有情况，速回”。
　　该安防节点可对多个防区进行设防，系统共有居家、外出、入户、测试、关闭五种模式，分别表示五种不同的工作模式。系统还具有进门/出门延迟和进出延迟区的延迟时间设定功能。该安防模块一次最多设置四组报警电话号码，拨不通可自动重拨。此外，该模块具有很强的扩展能力，具有多个模拟量、开关量输入/输出接口，用户可根据需要增添不同采样传感器来扩展系统的功能。
图3 安防节点结构框图
安防节点结构框图如图 3所示，神经元芯片 MC3150 是家庭安防节点的通信控制部分，通过它可以与住宅其它节点进行通信联络，物业管理中心也是通过其向各家庭安防节点传达各种控制命令。图中单片机 8031 是安防节点的中心控制部分，整个单片机及其它与其相连的设备一起作为神经元芯片的输入输出设备，其实这一部分也具有相对立的功能：如果神经元芯片与 LonWorks 总线断开时，那么整个安防节点仍具有防盗报警等功能，这时的控制完全由 8031来完成。所以该系统的可扩展升级性很强，能满足不同用户的需求。图中的开关量输入/输出及模拟量输入/输出用来采集各种报警信号和完成 8031 下达的控制命令。
3 系统程序设计 随着现场总线智能设备通用性的提高和成本的降低，简单的控制任务转移到现场智能节点中，成为现场控制。在基于LonWorks的楼宇自动化安防系统中，系统的控制功能已分散到各个控制节点，控制节点在监控计算机、通信链路和其它节点出现故障的情况下均能安全地工作，提高系统的可靠性。安防系统的智能节点主要完成两个任务：一是检测信号的测量；二是监控计算机和智能节点的信息交换，包括安防系统的智能节点检测到的信号、自身的运行状态和监控计算机发出的控制命令。各控制节点的应用程序采用Neuron C语言编写，并使用NodeBuilder节点开发工具进行调试。 Neuron C任务调度是事件驱动：当一个给定事件发生的条件为真时，与该事件关联的一段代码(称为任务)被执行。事件是通过When语句来定义的，一个When语句包含一个表达式，当表达式为真时，则表达式后面的任务被执行。智能节点的主程序流程图如图4。 LonWorks网络中的每个节点间可以实现点到点的信息传输，具有极其良好的互操作性，使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制系统，与传统的集散控制系统相比较，大大提高了系统的安全性和可靠性;减少了与一次元件相连的模件的型号品种的数量和大量的连接电缆，降低了系统材料、安装、维护等费用。 在实时控制方面，实现了可相互操作的现场总线LonWorks的网络技术的通信协议LonTalk，为楼宇自动化安防系统中的传感器、执行器和控制器之间网络化操作奠定了基础。 采用分布式模块化结构，组成局域通信网络，系统适应性强，组态灵活，扩充容易，网络规模可以根据需要进行调整。 系统采用大量灵敏度高、响应速度快的传感器和先进的检测手段，可有效地防止漏报，实现准确报警，确保建筑物的安全和对建筑物的科学管理。
4 结束语　LonWorks网络非常容易与其他网络实现互连，可以实现远程操作和控制。Lonworks开放式、可互操作性、成熟和低成本的特点， LonWorks国际标准的制定，更加推动了它的发展与应用。在智能楼宇安防系统中使用LonWorks总线技术使控制器对控制点实现了分楼层检测、控制和报警，提高了系统内部的通信速率、实时性；降低了误码传送率，更好地保证智能建筑的安全性和智能化。
参考文献[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999凌志浩.楼宇自动化系统与LonWorks 网络[J].自动化仪表，1999，20夏德海.现场总线的现状及应用[J].中国仪器仪表，1998， 张振昭,许锦标,万 频.楼宇自动化技术[M].北京机械工业出版社,1999谢凌广. LonWorks 技术在楼宇自动化领域的应用[J].微计算机信息，2001