現代智能建筑自動化系統是計算機、通信和自動控制技術有機結合的整體。一個智能建筑自動化系統往往包含成千上萬個現場傳感器、執(zhí)行器，這些傳感器、執(zhí)行器通過智能控制節(jié)點實施現場監(jiān)控。
智能控制節(jié)點的組網方式一般有兩種：一種是分層結構方式(兩級或三級網絡)，即智能控制節(jié)點經由網絡控制單元，或區(qū)域控制計算機組成控制網絡，然后與PC局域網(信息管理網或企業(yè)網絡)相連。另一種是單層結構方式(一級網)，即智能控制節(jié)點直接組成對等層點到點(peer－to－peer)通信的分布式控制網絡。網絡中的所有節(jié)點(包括實施監(jiān)控的PC)在網絡中都處于同等的地位。LonWorks是這種單層結構控制網絡的典型代表。分層結構方式源于計算機技術發(fā)展的歷史：傳統的主機—小型機—微機三級網絡結構在企業(yè)網絡中幾乎到處可見。如今客戶機/服務器的局域網以及加上路由器/網橋組成的局域或廣域網正在取代傳統的分層結構網絡。
通信和計算機網絡技術的發(fā)展使控制網絡顯得相對落后，但采用一級網絡結構的分布式控制系統在樓宇自動化和工業(yè)自動化領域已經使用，并正在成為控制網絡發(fā)展的潮流。
1.樓宇自動化對控制系統的要求
樓宇自動化對控制系統的要求包括從系統規(guī)模、系統可靠性、靈活性、系統性能、系統集成、安裝維護、診斷等各個方面對系統提出的要求。
1.1 系統規(guī)模及子系統
連接樓宇自動化系統一般包括：暖通、空調、照明、給排水、供配電、電梯，以及保安門禁、火災報警等監(jiān)測控制。系統規(guī)模因大廈規(guī)模及其功能要求而異?？赡軓膸装俚綆浊€監(jiān)測控制點(傳感器、執(zhí)行器)。使用的控制節(jié)點可能從幾十個到幾百個(甚至上千個)。系統規(guī)模反映到對控制網絡的要求是網絡編址空間，即每一個節(jié)點在控制網絡中都分別可尋址，各個子系統反映到網絡上是采用子網的編址方式。單層結構(一級網絡)支持整個系統的編址要求，通過網絡級路由器，可在邏輯上分段。路由器對于節(jié)點應用是透明的，而且不妨礙網絡安裝調試診斷程序對整個系統范圍的直接訪問。分層結構(二級或三級網絡)提供的地址空間較小，當接線改變時，其應用級路由器或網關需要對應用程序作相應的修改，而且這些路由器或網關需要有自己的網絡管理工作，因而不同廠商的產品之間不能互操作。
1.2 系統可靠性
系統可靠性要求包括可靠傳送信息，控制回路的可靠連接，容錯能力及故障隔離和恢復。為了能可靠地傳輸信息，系統結構和網絡協議需能提供多種服務，包括無確認信息服務，確認服務和發(fā)送授權。無確認服務在某些情況下，例如需要將更新信息同時送到大量的節(jié)點，或者對于無法返回確認信息的設備是必須的。因為等待確認會造成網絡不可容忍的延遲或發(fā)送——等待循環(huán)。對于單個節(jié)點或一組節(jié)點發(fā)送信息時，單個節(jié)點或成組節(jié)點的確認可增加系統的可靠性，發(fā)送授權對于要求安全保密的應用場合無疑是很有價值的。容錯可以通過冗余收發(fā)器、連線甚至冗余網絡來實現。將控制網絡連成環(huán)路，可在電纜因故障斷開時網絡仍然正常工作，當然這樣會在收發(fā)器設計和系統結構設計時增加復雜性。一級網絡結構，節(jié)點獨立可編程及網絡管理維護工具，為系統故障的隔離和恢復提供了非常方便的手段。
1.3 系統的靈活性
系統的靈活性主要是指系統擴充和修改是否方便，對系統結構和網絡的要求是：要有足夠的可擴展的編址空間，連接線纜的距離容易延伸，節(jié)點連線容易，網絡拓撲結構靈活，可支持多種通信媒體(甚至可采用無線連接)，容易增減設備。樓宇自動化控制系統在整個大樓的生命周期可能要多次擴充和修改，如大樓內部布局和功能的改變，控制設備的增加或減少，陳舊設備的更新換代等都要求對控制系統進行擴充或修改。
LonWorks的自由拓撲結構、電源線和無線通信媒體使網絡擴展和修改非常方便，采用路由器、重發(fā)器，可以非常容易地延伸網絡連接線纜(或無線連接)的距離。此外，網絡安裝維護工具在系統范圍內可對節(jié)點數據庫進行更新，并對每個節(jié)點內部非易失性存儲器中保存的節(jié)點信息、節(jié)點互連關系信息等進行更新，保證其一致性。
1.4 系統性能
系統性能與許多因素有關，包括：最大數據速度：根據收發(fā)器、通信媒體和藕合電路的性能價格比，數據速率能在一定范圍內進行選擇(從幾Kbps到超過1Mbps)對于大多數應用場合是需要的。
媒體訪問模式：對于全部節(jié)點采用平等訪問，但可對少數關鍵節(jié)點賦予優(yōu)先權的媒體訪問模式，較之只根據優(yōu)先權順序的模式對于系統整體性能而言是較優(yōu)的，后者可能造成低優(yōu)先權節(jié)點無法訪問網絡，從而使整體性能降到不能接受的程度。
最大分組(包)尺寸：決定了分組的數目，因而決定了完成一次事務處理所需的時間。對于各種不同類型的系統、不同類型的傳感器、執(zhí)行器和支持設備，數據域的大小有很大區(qū)別。隨著傳感器、執(zhí)行器智能化程度提高，分組數據的尺寸會隨之增加。因此，最好是系統分組尺寸的最大值高一些，且能在0～最大值之間根據需要進行剪裁。
點到點通信：點到點通信結構使通信直接經由控制網絡進行，不需要中央控制器，去掉了通信的瓶頸。點到點通信要求傳感器和執(zhí)行器節(jié)點有足夠的智能，可以根據傳感器輸入執(zhí)行控制算法，采取必要動作，而非從中央控制器接受命令。路由選擇：網絡級的路由選擇由網絡協議執(zhí)行，路由器對于應用節(jié)點透明，這對系統性能提高是很重要的，如果連接子網之間的路由選擇由應用層實現，會造成路由器延遲。
1.5 系統集成
系統集成需要了解系統結構、協議、開發(fā)工具及現場安裝維護工具。系統集成的難易程度對系統成本有直接影響 。從系統集成的角度要求首先是協議的一致性，即不同廠商的設備要能夠在同一系統中協調運作(互操作)。還有就是應用層接口的一致性，即應用對象和配置參數均采用標準的應用層界面。此外要采用一體化的開發(fā)和安裝調試工具，即節(jié)點設計、節(jié)點互連、網絡分析均采用系統級的安裝調試工具來解決。從開發(fā)的系統(實驗室系統)到現場系統的移植都保持系統結構一致性。
1.6 系統安裝調試和診斷系統
安裝調試和診斷對于系統結構的要求包括：能支持各種通信媒體；實驗室安裝調試和現場安裝任務可以很靈活地分開；能方便靈活選擇安裝參數；系統配置參數有標準的格式；很容易增加和減少設備；能進行遠程訪問等。由于系統安裝成本往往占總成本中相當大的比例，因此系統是否易于安裝對降低系統成本有很大的影響。
在樓宇自動化系統中，往往需要根據應用系統的要求選用不同類型的通信媒體。在采用結構化綜合布線的設計中，主干電纜通?？煽紤]使用光纜。保安和火災報警系統需用電池供電或使用備用電源，信道電源線就比較適合。在其他子系統中，為降低成本，可采用雙絞線自由拓撲結構、無極性的通信媒體。而電源線和無線媒體則在重新裝修或改造的系統中使用，以減少工程施工造成的麻煩。在考慮選用通信媒體時，最重要的因素是成本，但其他因素，如防止電磁干擾、直流、高壓信號的隔離等也必須考慮。
1.7 生命周期成本
從生命周期成本考慮，對系統的要求包括：必須考慮到主要控制設備部件甚至維修的元器件有多個貨源，單一貨源的產品容易受制于人，且由于產品的不斷更新造成維修和擴充的困難。要有系統開發(fā)工具，很容易進行開發(fā)調試；要采用開放性系統結構，具有互操作性；很容易集成系統；很容易與現有系統連接。
2 LonWorks技術的核心－Neuron芯片和LonTalk協議
長期以來，控制系統的開發(fā)和集成商尋求一種一體化的解決辦法，即將所有的監(jiān)測控制功能：如環(huán)境監(jiān)測、保安、安全、供配電、給排水等等集成于一個控制系統中，換句話說，就是將控制系統通過一條通用的控制總線連成一個控制網絡。但是由于各公司、團體各自獨立去解決各自的需要，因出現了各種彼此不兼容的控制總線：如現場總線、設備總線、傳感器總線和各種控制系統，形成各種控制網絡“孤島”。隨著計算機和控制系統連網的要求以及微處理器技術的發(fā)展，在各種不同的控制系統或網絡之間采用網關或網橋連接起來，組成一個網絡，已經成為現實可能。
LonWorks技術提供了“一個網絡”的解決辦法，同時也提供了與現存各種控制網絡連接的解決辦法。 LonWorks技術滿足各種現場總線、設備總線、傳感器總線和其他網絡的要求，適用于控制領域的各方面應用，如樓宇自動化、工廠自動化、工業(yè)過程自動化、家庭自動化和設備自動化等。
LonWorks技術的核心是Neuron芯片MC143120和MC143150。它主要應用于使用LonWorks技術的自動檢測與控制系統中。Echelon公司已經為使用LonWorks技術和上述兩種芯片設計出了一套完整的開發(fā)工具和軟件。許多廠商為LonWorks技術的具體應用、方便用戶更快地將此技術應用于樓宇自動化和工業(yè)控制工程項目中，設計了多種通用或專用的基于Neuron芯片的智能檢測和控制節(jié)點。這些都為LonWorks技術的普及和應用提供了極為方便的條件。
MC143120和MC143150兩個芯片都實現了與OSI參考模型兼容的LonTalk通信協議。它們之間的不同之處在于它們的存儲器配置的類型及容量，前者主要用于造價較低、范圍較小的應用場合。而后者可應用于較復雜的應用環(huán)境和具有較高要求的系統中。兩個芯片內部都包括三個處理器，兩個用于通信，一個用于執(zhí)行應用程序。Neuron芯片所提供的各種I/O接口，都可以很簡單地用高級語言來調用，以實現各種傳感器、執(zhí)行器、定時及計數等設備的連接。
LonTalk協議分為七層。每一層都是面向控制網絡的，并和OSI參考模型一致。LonTalk協議是嵌入Neuron芯片內部固件中的，它是使用LonWorks技術組網的基礎。Echelon公司提供的開發(fā)系統可以幫助我們利用各種基于Neuron芯片的智能節(jié)點很容易地使用LonTalk協議組成一個智能分布式控制網絡。 LonTalk協議提供各種服務以加強可靠性。如16位CRC，對接收方端到端的應答，Watchdog定時器，片內E2PROM內容的校驗和保護、失敗報文的通告以及每個節(jié)點分組錯誤的記錄等。另外協議還提供鑒別服務以滿足發(fā)送者的有效識別。在鑒別服務中，通過由收發(fā)方使用的傳輸關鍵字來實現數據的保護。由于LonTalk協議是在芯片內部的，所以用戶不必擔心它的一致性。這樣用戶可以不必花費大量的時間，來建立其內部的標準。正是由于它的這一特性，使得它可以以很小的代價，適應于各種不同的應用場合。
在LonTalk協議中網絡流量的預測和避免擁塞的方法，使得在最壞情況下的響應時間得到了控制。為報文提供優(yōu)先級的方式，可以大大提高高優(yōu)先級報文的響應時間，其支持高達1.25Mbps的傳輸速率，并可支持各種實時的應用。應用程序裝載很簡單，可以節(jié)約大量調試時間，容易實現各種新產品的開發(fā)與應用。 LonTalk協議的高層——應用層協議的數據稱為網絡變量。它可以是任何單個的數據項，也可以是結構數據。應用程序的設計者只需使用關鍵字“NETWORK”來定義這些變量，那么在網絡中的任何節(jié)點都可與之相聯系。例如，一個網絡變量定義為“OUTPUT”，一旦此變量在節(jié)點中被賦于一個新值，在Neuron芯片內的固件就會自動地將其發(fā)送出去。這意味著應用程序設計者不必關心緩沖管理、報文初始化、報文分析和錯誤處理等。
3 LonWorks智能樓宇自動化系統的設計和實施
采用LonWorks網絡使得從封閉的依賴于單個廠商的控制系統到完全可以互操作的智能樓宇自動化系統的轉變成為現實。作為智能樓宇自動化產品的開發(fā)者，或系統集成者，可以以LonWorks技術為依托，開發(fā)LonWorks兼容的通用智能控制節(jié)點，各種專用節(jié)點，以及各種智能傳感器、執(zhí)行器；也可以從LonWorks兼容的不同廠商的硬件和軟件中按照應用的要求配置，靈活選用，完全沒有必要依賴于單一的貨源。 LonWorks的開放性和互操作性使得不同廠商的產品很容易集成于一個功能齊全、結構靈活、容易安裝、維護和擴充的一體化的智能建筑管理控制系統。
3.1 智能節(jié)點設計
一般說來，使用LonWorks技術組成的自動控制網絡中，檢測、控制點可分為四類，即數字量(開關量)輸入/輸出，模擬量輸入/輸出。
在節(jié)點設計時，可以根據應用要求和器件能力，選擇各種輸入輸出的優(yōu)化組合，形成系列產品。
數字量(開關量)輸入節(jié)點數字量(開關量)輸入節(jié)點主要用于檢測外部數字信號和具有開關狀態(tài)的信號，比如檢測繼電器的閉合狀態(tài)，某些開關的狀態(tài)，電平信號的輸入等，這類節(jié)點在設計過程中主要考慮的問題是如何將各種各樣的數字量和開關量轉換成Neuron芯片能夠接收的信號，并且這類信號在輸入通道上要加光電隔離器，以提高節(jié)點運行的安全性和可靠性。
數字量輸出節(jié)點：在LonWorks網絡中，很多的控制機制都是通過數字量輸出節(jié)點來完成的，比如繼電器的驅動，各種顯示器的驅動等。在設計這類節(jié)點時，主要是要解決外部高電壓、大電流的提供問題。在電路中，同樣也需要進行光電隔離，來提高節(jié)點的可靠性和安全性。
模擬量輸入節(jié)點模擬量輸入節(jié)點主要用于采集網絡中的模擬信號。由于模擬信號種類繁多，如電壓信號、電流信號等，而這類信號根據應用的場合和使用的傳感器不同，其范圍也不盡相同，如電壓信號可以是0～5V、0～10V、－5～＋5V、－10V～＋10V，電流信號可以是0～10mA，4～20mA等，所以模擬量輸入節(jié)點的前端應增加信號整理電路，以使這些信號處于一個合理的范圍內，便于采集。
由于Neuron芯片所提供的I/O接口只有11個引腳，所以在節(jié)點的設計中，大多都采用串行接口的A/D轉換器，而Neuron芯片中的IO8～IO10提供了標準的SPI總線，為串行A/D到Neuron芯片的連接提供了方便條件。當然為了在節(jié)點中進一步提高數據采集速度，也可以使用并行接口的A/D器件，只是這種器件連接到Neuron芯片時，要使用較多的I/O口。另外在節(jié)點中使用串行A/D器件可以比較容易地實現光電隔離、而在使用并行A/D時要實現光電隔離，由于速度和使用數量等方面的原因比較困難。在進行模擬輸入節(jié)點的設計時，還可以使用其他類型的A/D變換形式，比方說在A/D速度要求不高，精度要求較高的場合可以使用V/F變換來實現模擬量到數字量的轉換。
模擬量輸出節(jié)點：模擬量輸出節(jié)點對于驅動某些控制設備是必需的，比如步進馬達的控制、一些調節(jié)閥的控制等。和模擬量輸入節(jié)點一樣，在這類節(jié)點中使用最多的還是串行的D/A變換器件。根據所控制對象的不同，可能要求模擬量輸出節(jié)點提供不同的信號，如電壓信號、電流信號等，所以在實際的設計中，要增加輸出信號整理電路。節(jié)點設計中的抗干擾措施過程通道是前向接A/D等)，后向接口(D/A等)與Neuron芯片或Neuron芯片之間進行信息傳輸的路徑，在過程通道中長線傳輸的干擾是主要因素。隨著系統主振頻率越來越高，系統過程通道的長線傳輸越來越不可避免。例如，按照經驗公式計算，當主機主振頻率為1MHz時，傳輸線大于0.5m或主振為4MHz時，傳輸線大于0.3m,即作為長線傳輸處理。為保證長線傳輸的可靠性，主要措施有光電耦合隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。比如在上述的節(jié)點設計中，一般都增加了光電隔離電路，一方面提高了節(jié)點的安全性，同時也增加了節(jié)點的抗干擾能力。
在LonWorks網絡中傳輸媒體大多使用雙絞線，它保證了信號傳遞的質量，從而可以使信號傳送到足夠遠的地點。另外在使用雙絞線時，網絡端點的阻抗匹配也是影響信號質量及傳輸距離的重要因素，在設計網絡時要格外注意。
3.2 智能樓宇自動化系統實施
在實施樓宇自動化系統時，一般遵循下列步驟：建立控制邏輯；選擇控制節(jié)點和其他設備；網絡結構設計；布線；安裝調試。建立控制邏輯：即定義監(jiān)控對象，確定監(jiān)控點，以及監(jiān)控對象與其他設備的通信方式。
樓宇自動化系統一般監(jiān)控對象包括：暖通空調、照明、保安門禁、火災報警、能源監(jiān)測等，以及和大廈信息管理系統的接口?？刂七壿嬍歉鶕孟到y的監(jiān)控要求確定的，例如，公共地段的照明按時間開關，辦公室照明在有人進入時打開，公共門禁和HVAC按時間程序開關，保安系統使用動目標傳感器等等。監(jiān)控對象的性質和監(jiān)控要求決定了監(jiān)控點的數目和類型(模擬量輸入AI，模擬量輸出AO，數字量輸入DI，數字量輸出DO等)，以及這些輸入輸出之間的關系。選擇控制節(jié)點及其它設備：在確定好控制邏輯之后，就可以開始選擇節(jié)點。選擇節(jié)點主要考慮采用何種節(jié)點以適合應用要求。為簡單起見，我們將節(jié)點分為兩大類：通用節(jié)點和專用節(jié)點。通用節(jié)點是可以通過使用Neuron C編程監(jiān)測控制多個輸入/輸出點。專用控制節(jié)點是已經定義為某種專用的輸入/輸出(如DI、DO、AI、AO)，如電梯樓層顯示節(jié)點、呼梯節(jié)點及轎箱節(jié)點、電動門鎖控制節(jié)點、能量計費節(jié)點等。
通信類型即采用何種通信媒體(雙絞線自由拓撲結構、信道電源線、供電線、無線)，要根據實際的需要和可能考慮。一般來說，雙絞線自由拓撲結構成本較低；信道電源線在需要使用電池或備用電源時比較適合；供電線在裝修改造的工程中可能比較經濟；無線在無法使用其他通信媒體時(例如無法連線時)提供解決辦法。
在考慮通信類型時，還需要考慮是否需要采用路由器、網橋或重發(fā)器。網絡結構設計：即確定每一個控制節(jié)點的位置，網絡中使用節(jié)點的數量，及路由器、網橋和重發(fā)器的數量，網絡的構型，即是否要有多個域(Domain)、子網(Subnet)、組(Group)，哪些節(jié)點屬于哪個域和組。還有人機界面，是否采用主監(jiān)控PC等。
布線、安裝、調試：布線是一項復雜的工程，樓宇自動化系統與結構化布線技術的結合使布線更加規(guī)范化。采用雙絞線自由拓撲結構收發(fā)器的LonWorks節(jié)點很容易使用結構化布線的普通雙絞線或屏蔽雙絞線作為其通信媒體。除了網絡布線外，電源、傳感器、變送器、執(zhí)行器的輸入/輸出連線、空調控制線、門鎖、照明設備控制線等等都需要加以確定。在確定設備位置和布線要求后，制定布線計劃和細節(jié)，即可實施布線、安裝。調試過程是反復多次進行的過程，包括節(jié)點程序的調試、設備功能調試及網絡聯調。使用開發(fā)系統及網絡安裝調試工具進行網絡模擬調試，無疑可以減少現場安裝調試的工作量，從而節(jié)省調試成本。
