控制网络LONWORKS技术规范
2006年,LONWORKS被中国国家标准化管理委员会批准为我国国家标准化指导性技术文件,共四个部分,名为:
GB/Z 20177.1-2006 控制网络LONWORKS技术规范第1部分:协议规范
GB/Z 20177.2-2006 控制网络LONWORKS技术规范第2部分:电力线信道规范
GB/Z 20177.3-2006 控制网络LONWORKS技术规范第3部分:自由拓扑双绞线信道规范
GB/Z 20177.4-2006 控制网络LONWORKS技术规范第4部分:基于隧道技术在IP信道上传输控制网络协议的规范
LONWORKS技术介绍
    90年代初期,美国埃施朗(Echelon)公司推出LON(Local Operating Network局部操作网)技术,并确信它将成为控制网络的通用标准。LON某些方面类似于微机局域网(LAN)。LAN是一种数据网,由计算机结合各种通信媒体通过路由器连接组成,它们使用公用协议相互通信。控制网包含类似的部件,并根据控制的性能、系统规模、响应特征和成本的要求进行优化。LON是实现理想的控制功能的专用网络。LON的特征使网络系统能扩展到数据组网技术无能为力的控制应用中。
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    控制网络让各智能设备直接相互通信,不需要由专门的监控设备轮询转发。这就意味着每个节点能根据自己的需要发布信息。为在网上长距离传送信号,需要通过收发器对微处理器层的微弱开关信号进行调控。连接设备的信道,即传输媒体,具有各种物理特征。收发器则是一个电子模块,在微处理器通信端口和物理媒体间提供物理接口。信道类型和收发器类型的选择影响传输速度、距离和网络拓扑。所有连接到某一特定信道的设备必须有同一速率运行的兼容收发器。收发器可用于各种媒体信道,包括双绞线、电力线、无线、红外、光纤和同轴电缆等。网络设备间数据的传输要求编排一套规则和过程,这些规则和过程就称为通信协议。协议规定设备间传输的报文格式和一个设备向另一个设备发送报文时的行为。协议通常以嵌入软件或固件代码形式存在于每个网络设备中。包含这个协议代码和某种类型智能的设备称为节点。
    国际标准化组织(ISO)致力于通信标准化时制定了一个叫做开放系统互联(OSI)的参考模型,用于通用网络协议堆栈。OSI模型帮助开发人员和用户把协议分成若干标准特征功能层。这些功能层涵盖从使用的配线类型到程序中的用户界面的各个方面。一个真正全面和完整的协议应提供该模型中描述的所有服务。
    LONWORKS控制网络通信协议称为LonTalk协议,分为七层,和OSI参考模型一致。每一层都是面向控制网络的。LonTalk协议嵌入Neuron芯片内部固件中的,它是使用LONWORKS技术组网的基础。LonTalk通信协议是LONWORKS技术的核心。该协议提供一套通信服务,使设备中的应用程序能在网上对其他设备发送和接收报文而无需知道网络拓扑、其他设备的名称、地址和这些设备的功能。LonTalk协议能有选择地提供端到端的报文确认、报文鉴别和优先权发送,设定事务处理时间限制。对网络管理服务的支持使远程网络管理工具能通过网络和其他设备交互作用,包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程序、报告网络问题,以及节点应用程序的启动/终止/复位。
    LonTalk协议是一个分层的基于数据包的对等的通信协议。像以太网和因特网协议一样,它是一个公布的标准,并遵守国际标准化组织(ISO)的分层体系结构要求。
    LonTalk协议设计用于控制系统的特定要求。为了处理网络上报文冲突,LonTalk使用类似以太网所用的“载波监听多路访问”(CSMA)算法。LonTalk协议建立在CSMA基础上,提供媒体访问协议,可以根据预测网络通信量发送优先报文和动态调整时间段的数目,动态调整网络带宽,称为预测性CSMA算法,使网络能在通信量很大时继续运行,而在信息量较小时不降低网络速度。
    为了简化网络配置和管理,可以给节点分配逻辑地址。逻辑地址把一个名字和物理设备或节点联系起来。节点逻辑地址在网络配置时定义。逻辑地址有二部分。第一部分是指定域的域ID。域是节点的集合,常常是整个系统。在一个域内的节点可以直接通信。逻辑地址的第二部分以唯一的节点地址规定域中的一个节点,或者以唯一的组地址规定一个预先定义的节点组。每个在网上传输的数据包,包含发送节点(源)和接收节点(目的地)地址,它们可能是神经元芯片的物理地址、节点逻辑地址、组地址或广播地址。组是域中节点的集合,组与节点物理信道位置无关。
    使用LonTalk协议的系统中,每个域最多可有32,385个节点。一个域可有255个组,每个组可包含任意数目的节点,但是在需要端到端的确认时,组被限制在63个节点。每个节点可从属于15个以下的组。系统中节点的最大数目可达32Kx248个。每个域可有255个子网,每个子网可有127个节点。
    网络变量(NV)是LonTalk协议的一个重大创新。网络变量大大简化了使多厂商产品可互操作的LONWORKS应用程序的设计工作,方便了以信息为基础而不是以指令为基础的控制系统的设计。所谓网络变量是任何数据项(温度、开关值、或执行器设定位置),它们是一个特定设备应用程序期望从网上其他设备得到的(输入NV)或提供给网上其他设备的(输出NV)数据的载体。设备中的应用程序根本不需要知道输入NV来自何处或输出NV去往何处。当应用程序的输出NV的值变化时,它就把这个新值写入一个特定的存储单元。
    在网络设计和安装期间进行网络变量的“绑定”,通过这个过程配置LonTalk固件,以确定网上要求NV的设备组或其他设备的逻辑地址,汇集和发送适当的数据包到这些设备。类似地,当LonTalk固件收到它的应用程序所需的输入NV的更新值时,就把它放在一个特定的存储单元。应用程序知道在这个单元总是能找到最新数据。这样,绑定过程就在一个设备中的输出NV和另一设备或设备组的输入NV之间建立了逻辑连接。连接可想象为“虚拟线路”。
    LonTalk协议提供三种基本报文服务并且支持报文鉴别,最优化的网络通常会使用这些服务。第一类报文服务提供端到端的确认,称为确认的报文发送。在使用确认报文发送时,发送者将一个报文发送给一个节点或节点组,并期望从每个接收者分别得到确认。假如未收到确认,发送者作超时和重试处理。超时和重试次数都是可选择的。第二类报文是无确认的重复报文。使用这类报文可将一个报文重复多次发送到节点或节点组。这个业务通常在向一个大组广播信息时使用,因为确认报文会造成所有接收节点同时试图发回一个响应,造成网络数据流的大量增加。第三类报文是无确认报文,只发送一次,并且不期望响应。报文鉴别服务使报文接收者能确定发送者是否有权发送这个报文,这样就能防止对节点的未经授权的访问。
LonTalk协议在设计上是独立于通信媒体的,这使LONWORKS系统可以在任何物理传输媒体上通信,使网络设计者能充分利用提供给控制网络的各种信道。
    信道是特定的物理通信媒体(诸如双绞线或电力线)。LONWORKS设备通过信道专用的收发器与其连接。每类信道可连接的节点数、通信速率和物理距离都不相同。特别重要的是自由拓扑双绞线信道,它使设备可用双绞线按任何配置连接,没有对分支线长度、设备间距或支线数目的限制。
LonTalk协议可提供多种服务,提高了可靠性、安全性和网络资源的优化。这些服务的特征和优点包括:支持多种通信媒体,包括双绞线、电力线和无线等。可靠通信,包括防范未经授权使用系统。对不同规模的网络,提供可预测的响应时间。支持由多种媒体和不同通信速率的信道混合构成的网络。提供对节点透明的接口。允许节点间的任意连接。实现对等层点到点通信,这样就使它可用于分布式控制系统中。为产品的可互操作提供有效机制,使多个制造商的产品能方便组成系统。
    1999年10月,美国国家标准学会ANSI将LonTalk协议采纳为EIA/CEA709.1控制网络的一个公开标准。EIA/CEA标准允许在其它选定的微处理器中执行其协议。
    Echelon公司从1988年开始LONWORKS技术平台的开发。LONWORKS技术的目标是方便经济地建立开放控制系统。有三个基本问题必须解决。首先,必须开发一个协议,它针对控制网络优化,同时具有一定程度的通用性能来和各种类型的控制设备一起工作。其次,把协议结合在设备中的成本必须有竞争力。第三,协议的实施应不会因制造商而异,否则可互操作性会受到破坏。
为了有效解决所有这些问题,Echelon公司开始建立一个完整的平台来设计、建造和安装智能控制设备。第一步通过建立LonTalk协议而完成。第二步,Echelon设计了神经元芯片。
    神经元芯片之优越在于它的完整性。内装协议和处理器免除了在这些方面的任何开发和编程。对照ISO/OSI模型7层通信协议,神经元芯片提供了下面的6层。开发者只需要提供应用层编程和配置。这就使协议的实施标准化,并使开发和配置较为容易。
    大部分LONWORKS设备利用神经元芯片的功能,并将其用作控制处理器。神经元基本上是一个“芯片上的系统”,由多个微处理器、读写存储器和只读存储器(RAM和ROM)、通信和I/O接口组成。只读存储器包含操作系统、LonTalk通信协议和I/O驱动。芯片有用于设备数据和应用程序的非易失性RAM,两者都可通过网络下载。
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    一个全面实现LonTalk协议的固件程序包含在每个神经元芯片的ROM中。这使得神经元能保证在每个设备中公用协议以完全相同的方式实施。神经元芯片实际上是结合成一体的3个8位的微处理器。其中2个执行协议,第3个供节点应用。所以,芯片既是网络通信处理器又是应用处理器。这保证了无论控制设备/网络来自哪个制造商,使这些设备能相互通信的内在协议是相同的。
    每个神经元芯片,或任何其他实现已公布的LonTalk协议的处理器都有唯一的48位的ID。这样,每个LONWORKS设备就有唯一的可由LonTalk协议使用的物理地址。但是,ID通常只用于初始安装和诊断。为了简化正常网络运行,使用逻辑寻址方法。
    LONWORKS网络的应用程序以“Neuron C语言”代码编写。编译后存入到芯片内存储器,或外接存储器中。
    Neuron C语言使用以事件为基础的编程模式。即应用程序通常由发生在网上其他地方或某个节点上的事件触发。所以网络本身是事件驱动的,一个设备不必等待轮询即可报告状态信息。因此LONWORKS网络的通信量远低于其他网络类型。
    在某些复杂的应用中,神经元处理器速度和存储器容量不足以完成LONWORKS节点的要求功能。为了适应这些应用,某些种类的神经元芯片具有高速并行接口,使任何微处理器都能使用神经元芯片,并以一个专用接口应用微处理器(称为MIP应用)作为它的网络通信微处理器来执行应用程序。为方便现有微处理器设备采用LonTalk协议联网,Echelon推出了ShortStack开发工具,可以从网上免费下载。
    收发器在神经元芯片和LONWORKS网络之间提供物理通信接口,简化了LONWORKS节点的开发。LONWORKS支持各种通信媒体和拓扑结构。收发器类型不同的产品仍然能互操作,但要通过路由器。Echelon提供多种双绞线和电力线收发器。新一代智能收发器将神经元芯片核心与收发器集成在一个微处理器芯片中,大大提高了可靠性和抗干扰性,方便应用开发,降低成本。
    网络上的每个LONWORKS设备或节点通常含有神经元芯片和收发器。随设备的功能而异,可以是嵌入神经元芯片和收发器的智能传感器和执行器、与传统传感器和执行器输入输出接口的智能控制器、与PC主处理器接口,或与其他神经元设备或路由器接口的设备。
    对多种媒体的透明支持是LONWORKS技术的独特能力,它使开发者能选择最适合他们需要的通信媒体和通信方法。对多种媒体的支持必须通过路由器。路由器也能用于控制网络通信量,将网络分段,隔离从其他部分来的信息流,从而增加了网络总通信量和吞吐量。网络工具以网络拓扑为基础自动配置路由器,使安装者便于安装并对节点透明。
    路由器设备使单一的对等网络能跨接多种传输媒体,支持成千上万的设备。路由器对网络的逻辑操作是完全透明的,但是它们并不一定传输所有的包。智能路由器根据系统配置,将没有远地地址的包限制在本地处理。LONWORKS系统能透过IP路由器,跨接到微机局域网、广域网和因特网上。
    开发工具包括节点开发和调试应用程序的环境(如NodeBuilder),安装和配置这些节点的网络管理工具(如LonMaker),和检测网络通信量以保证合适的网络容量以及诊断错误的协议分析器(如LonScanner)。
    网络接口具有对外部主机如PC或便携式维护工具的物理接口。设备应用程序提供通信协议和API(应用编程接口),使基于主机的程序能访问LONWORKS网络。
    网关设备使传统控制系统能连接到LONWORKS网络。网关具有适合外接系统设备或通信总线的物理接口,及对外接系统的专用通信协议的转换。在某些情况下,网关能把专用的以指令为基础的外系统报文转换成以信息为基础的LONWORKS网络使用的网络变量数据。
    LONWORKS网络操作系统(LNS)提供支持监测、控制、安装和配置的一套公共的全网范围的服务,提供在LONWORKS网络上支持可互操作应用的标准平台。LNS允许多个应用和用户同时管理网络。LNS是客户/服务器体系结构,是新一代的可互操作的LONWORKS网络工具的基础。   LNS是一个为控制网服务提供标准平台的软件。它强大的客户/服务器体系结构,为LONWORKS控制网的用户设备或使用TCP/IP数据网的用户PC提供控制数据的服务。LNS的插件标准让传感器、执行器和设备的制造商通过产品的软件模块提供更多的功能。网络集成者不必在现场为每个项目开发定制程序,而是使用插件程序模块。
LONWORKS的远程网络接口使远程设备监控变得非常方便。LONWORKS网络通过隧道协议在网络层实现与IP网络的无缝连接,将IP信道扩展为LONWORKS信道,使原来的局部控制网络扩展为广域控制网。LONWORKS应用服务平台支持C/S(客户/服务器)结构、B/S(浏览器/服务器)结构,大大扩展了LONWORKS的应用领域。
由于LONWORKS的这些独特优点,使得LONWORKS在建筑及居住区智能化、工业自动化、电力和公用事业、交通、家庭智能化等领域得到广泛应用,成为国际上多个行业、多个国家的标准。例如:
●GB/Z 20177.1/2/3/4-2006 中国国家标准 (控制网络LONWORKS技术规范)
●ANSI/EIA 709.1/2/3 控制网络协议标准、电力线信道标准、自由拓扑双绞线信道标准
●ANSI/CEA/EIA-852 LON/IP 基于隧道技术在IP信道上传输控制网络协议
●CEN EN14908 欧洲建筑控制标准
●IEEE 1473L (列车网络通信协议)
●IFSF (国际加油站论坛标准)
●SEMI E54.6 (国际半导体设备与材料组织标准)
●AAR(美国铁路协会标准)
●美国军队开放系统规范13801 和 15951
特别是在建筑及居住区控制网络系统中,LONWORKS成为公认的标准。
在建筑及居住区控制网络系统中采用LONWORKS技术有下列优势:
(1)使控制网络结构简单、布线容易、更改方便,并可灵活选择双绞线、电力线或其它通信媒体,在建筑及居住区智能化的许多场合应用场合可以避免重新布线。
(2)容易实现从建筑及居住区管理中心对各子系统设备、设施运行状态进行监控,使各子系统之间按要求实现联动和信息共享。
(3)使建筑及居住区智能化系统能构建在通过微机局域或互联网架构上,实现控制网和信息网的联网和信息共享。
(4)可通过因特网实现远程管理和监控,有助于全局的集中管理,包括系统和设备的远程监控和远程诊断。
(5)LONWORKS的开放性和互操作性保证了系统的标准化、可持续发展和建设,以保证投资者的长期利益。
(6)LONWORKS功能强大的网络管理服务体系,使网络配置、管理、监控、维护非常方便,适用于各种不同类型的应用,和不同规模的控制网络。
图6是智能建筑中采用LONWORKS网络架构和多个子系统集成的例子。
    针对居住区的应用,在LONWORKS架构的基础上,ECHELON公司推出了嵌入式控制网络Pyxos 平台,将LONWORKS网络延伸到简单的传感器或设备。Pyxos内置通信协议,具有高速确定性。Pyxos是一个主从结构的网络,一个Pyxos网络中最多支持32个从设备,以时分多址(TDMA)方式寻址,网络传输速率为312.5kbps,响应时间小于等于 25ms。Pyxos继承了LONWORKS的优点,既包含了通信协议又嵌入了网络收发器,用户只需开发应用。收发器是无极性自由拓扑,并支持链路电源(即一对双绞线既作为网络信道,又用于节点供电电源线)。Pyxos芯片可直接连接简单的数字I/O,无需任何微处理器,也可通过SPI连接其他主处理器实现复杂的I/O应用,具有很高的性价比。
    Pyxos的这些优点,使它非常适合居住区和家庭内部的控制应用。图7是基于LONWORKS和Pyxos网络结构的家庭智能化配置。其中,门磁、消防探头、燃气探头、移动探头、电子门锁、燃气阀门、加热阀门等简单I/O设备控制采用Pyxos。既保持LONWORKS网络架构,又大大提高了整个系统的性价比。