控制網絡LONWORKS技術規範
2006年，LONWORKS被中(zhōng)國國家标準化管理委員(yuán)會批準爲我(wǒ)國國家标準化指導性技術文件，共四個部分(fēn)，名爲：
GB/Z 20177.1-2006 控制網絡LONWORKS技術規範第1部分(fēn)：協議規範
GB/Z 20177.2-2006 控制網絡LONWORKS技術規範第2部分(fēn)：電力線信道規範
GB/Z 20177.3-2006 控制網絡LONWORKS技術規範第3部分(fēn)：自由拓撲雙絞線信道規範
GB/Z 20177.4-2006 控制網絡LONWORKS技術規範第4部分(fēn)：基于隧道技術在IP信道上傳輸控制網絡協議的規範
LONWORKS技術介紹
90年代初期，美國埃施朗(Echelon)公司推出LON(Local Operating Network局部操作網)技術，并确信它将成爲控制網絡的通用标準。LON某些方面類似于微機局域網(LAN)。LAN是一(yī)種數據網，由計算機結合各種通信媒體(tǐ)通過路由器連接組成，它們使用公用協議相互通信。控制網包含類似的部件，并根據控制的性能、系統規模、響應特征和成本的要求進行優化。LON是實現理想的控制功能的專用網絡。LON的特征使網絡系統能擴展到數據組網技術無能爲力的控制應用中(zhōng)。
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控制網絡讓各智能設備直接相互通信，不需要由專門的監控設備輪詢轉發。這就意味着每個節點能根據自己的需要發布信息。爲在網上長距離(lí)傳送信号，需要通過收發器對微處理器層的微弱開(kāi)關信号進行調控。連接設備的信道，即傳輸媒體(tǐ)，具有各種物(wù)理特征。收發器則是一(yī)個電子模塊，在微處理器通信端口和物(wù)理媒體(tǐ)間提供物(wù)理接口。信道類型和收發器類型的選擇影響傳輸速度、距離(lí)和網絡拓撲。所有連接到某一(yī)特定信道的設備必須有同一(yī)速率運行的兼容收發器。收發器可用于各種媒體(tǐ)信道，包括雙絞線、電力線、無線、紅外(wài)、光纖和同軸電纜等。網絡設備間數據的傳輸要求編排一(yī)套規則和過程，這些規則和過程就稱爲通信協議。協議規定設備間傳輸的報文格式和一(yī)個設備向另一(yī)個設備發送報文時的行爲。協議通常以嵌入軟件或固件代碼形式存在于每個網絡設備中(zhōng)。包含這個協議代碼和某種類型智能的設備稱爲節點。
國際标準化組織(ISO)緻力于通信标準化時制定了一(yī)個叫做開(kāi)放(fàng)系統互聯(OSI)的參考模型，用于通用網絡協議堆棧。OSI模型幫助開(kāi)發人員(yuán)和用戶把協議分(fēn)成若幹标準特征功能層。這些功能層涵蓋從使用的配線類型到程序中(zhōng)的用戶界面的各個方面。一(yī)個真正全面和完整的協議應提供該模型中(zhōng)描述的所有服務。
LONWORKS控制網絡通信協議稱爲LonTalk協議，分(fēn)爲七層，和OSI參考模型一(yī)緻。每一(yī)層都是面向控制網絡的。LonTalk協議嵌入Neuron芯片内部固件中(zhōng)的，它是使用LONWORKS技術組網的基礎。LonTalk通信協議是LONWORKS技術的核心。該協議提供一(yī)套通信服務，使設備中(zhōng)的應用程序能在網上對其他設備發送和接收報文而無需知(zhī)道網絡拓撲、其他設備的名稱、地址和這些設備的功能。LonTalk協議能有選擇地提供端到端的報文确認、報文鑒别和優先權發送，設定事務處理時間限制。對網絡管理服務的支持使遠程網絡管理工(gōng)具能通過網絡和其他設備交互作用，包括網絡地址和參數的重新配置、下(xià)載應用程序、報告網絡問題，以及節點應用程序的啓動/終止/複位。
LonTalk協議是一(yī)個分(fēn)層的基于數據包的對等的通信協議。像以太網和因特網協議一(yī)樣，它是一(yī)個公布的标準，并遵守國際标準化組織(ISO)的分(fēn)層體(tǐ)系結構要求。
LonTalk協議設計用于控制系統的特定要求。爲了處理網絡上報文沖突，LonTalk使用類似以太網所用的“載波監聽(tīng)多路訪問”(CSMA)算法。LonTalk協議建立在CSMA基礎上，提供媒體(tǐ)訪問協議，可以根據預測網絡通信量發送優先報文和動态調整時間段的數目，動态調整網絡帶寬，稱爲預測性CSMA算法，使網絡能在通信量很大(dà)時繼續運行，而在信息量較小(xiǎo)時不降低網絡速度。
爲了簡化網絡配置和管理，可以給節點分(fēn)配邏輯地址。邏輯地址把一(yī)個名字和物(wù)理設備或節點聯系起來。節點邏輯地址在網絡配置時定義。邏輯地址有二部分(fēn)。第一(yī)部分(fēn)是指定域的域ID。域是節點的集合，常常是整個系統。在一(yī)個域内的節點可以直接通信。邏輯地址的第二部分(fēn)以唯一(yī)的節點地址規定域中(zhōng)的一(yī)個節點，或者以唯一(yī)的組地址規定一(yī)個預先定義的節點組。每個在網上傳輸的數據包，包含發送節點(源)和接收節點(目的地)地址，它們可能是神經元芯片的物(wù)理地址、節點邏輯地址、組地址或廣播地址。組是域中(zhōng)節點的集合，組與節點物(wù)理信道位置無關。
使用LonTalk協議的系統中(zhōng)，每個域最多可有32,385個節點。一(yī)個域可有255個組，每個組可包含任意數目的節點，但是在需要端到端的确認時，組被限制在63個節點。每個節點可從屬于15個以下(xià)的組。系統中(zhōng)節點的最大(dà)數目可達32Kx248個。每個域可有255個子網，每個子網可有127個節點。
網絡變量(NV)是LonTalk協議的一(yī)個重大(dà)創新。網絡變量大(dà)大(dà)簡化了使多廠商(shāng)産品可互操作的LONWORKS應用程序的設計工(gōng)作，方便了以信息爲基礎而不是以指令爲基礎的控制系統的設計。所謂網絡變量是任何數據項(溫度、開(kāi)關值、或執行器設定位置)，它們是一(yī)個特定設備應用程序期望從網上其他設備得到的(輸入NV)或提供給網上其他設備的(輸出NV)數據的載體(tǐ)。設備中(zhōng)的應用程序根本不需要知(zhī)道輸入NV來自何處或輸出NV去(qù)往何處。當應用程序的輸出NV的值變化時，它就把這個新值寫入一(yī)個特定的存儲單元。
在網絡設計和安裝期間進行網絡變量的“綁定”，通過這個過程配置LonTalk固件，以确定網上要求NV的設備組或其他設備的邏輯地址，彙集和發送适當的數據包到這些設備。類似地，當LonTalk固件收到它的應用程序所需的輸入NV的更新值時，就把它放(fàng)在一(yī)個特定的存儲單元。應用程序知(zhī)道在這個單元總是能找到最新數據。這樣，綁定過程就在一(yī)個設備中(zhōng)的輸出NV和另一(yī)設備或設備組的輸入NV之間建立了邏輯連接。連接可想象爲“虛拟線路”。
LonTalk協議提供三種基本報文服務并且支持報文鑒别，最優化的網絡通常會使用這些服務。第一(yī)類報文服務提供端到端的确認，稱爲确認的報文發送。在使用确認報文發送時，發送者将一(yī)個報文發送給一(yī)個節點或節點組，并期望從每個接收者分(fēn)别得到确認。假如未收到确認，發送者作超時和重試處理。超時和重試次數都是可選擇的。第二類報文是無确認的重複報文。使用這類報文可将一(yī)個報文重複多次發送到節點或節點組。這個業務通常在向一(yī)個大(dà)組廣播信息時使用，因爲确認報文會造成所有接收節點同時試圖發回一(yī)個響應，造成網絡數據流的大(dà)量增加。第三類報文是無确認報文，隻發送一(yī)次，并且不期望響應。報文鑒别服務使報文接收者能确定發送者是否有權發送這個報文，這樣就能防止對節點的未經授權的訪問。
LonTalk協議在設計上是獨立于通信媒體(tǐ)的，這使LONWORKS系統可以在任何物(wù)理傳輸媒體(tǐ)上通信，使網絡設計者能充分(fēn)利用提供給控制網絡的各種信道。
信道是特定的物(wù)理通信媒體(tǐ)（諸如雙絞線或電力線）。LONWORKS設備通過信道專用的收發器與其連接。每類信道可連接的節點數、通信速率和物(wù)理距離(lí)都不相同。特别重要的是自由拓撲雙絞線信道，它使設備可用雙絞線按任何配置連接，沒有對分(fēn)支線長度、設備間距或支線數目的限制。
LonTalk協議可提供多種服務，提高了可靠性、安全性和網絡資(zī)源的優化。這些服務的特征和優點包括：支持多種通信媒體(tǐ)，包括雙絞線、電力線和無線等。可靠通信，包括防範未經授權使用系統。對不同規模的網絡，提供可預測的響應時間。支持由多種媒體(tǐ)和不同通信速率的信道混合構成的網絡。提供對節點透明的接口。允許節點間的任意連接。實現對等層點到點通信，這樣就使它可用于分(fēn)布式控制系統中(zhōng)。爲産品的可互操作提供有效機制，使多個制造商(shāng)的産品能方便組成系統。
1999年10月，美國國家标準學會ANSI将LonTalk協議采納爲EIA/CEA709.1控制網絡的一(yī)個公開(kāi)标準。EIA/CEA标準允許在其它選定的微處理器中(zhōng)執行其協議。
Echelon公司從1988年開(kāi)始LONWORKS技術平台的開(kāi)發。LONWORKS技術的目标是方便經濟地建立開(kāi)放(fàng)控制系統。有三個基本問題必須解決。首先，必須開(kāi)發一(yī)個協議，它針對控制網絡優化，同時具有一(yī)定程度的通用性能來和各種類型的控制設備一(yī)起工(gōng)作。其次，把協議結合在設備中(zhōng)的成本必須有競争力。第三，協議的實施應不會因制造商(shāng)而異，否則可互操作性會受到破壞。
爲了有效解決所有這些問題，Echelon公司開(kāi)始建立一(yī)個完整的平台來設計、建造和安裝智能控制設備。第一(yī)步通過建立LonTalk協議而完成。第二步，Echelon設計了神經元芯片。
神經元芯片之優越在于它的完整性。内裝協議和處理器免除了在這些方面的任何開(kāi)發和編程。對照ISO/OSI模型7層通信協議，神經元芯片提供了下(xià)面的6層。開(kāi)發者隻需要提供應用層編程和配置。這就使協議的實施标準化，并使開(kāi)發和配置較爲容易。
大(dà)部分(fēn)LONWORKS設備利用神經元芯片的功能，并将其用作控制處理器。神經元基本上是一(yī)個“芯片上的系統”，由多個微處理器、讀寫存儲器和隻讀存儲器（RAM和ROM）、通信和I/O接口組成。隻讀存儲器包含操作系統、LonTalk通信協議和I/O驅動。芯片有用于設備數據和應用程序的非易失性RAM，兩者都可通過網絡下(xià)載。
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一(yī)個全面實現LonTalk協議的固件程序包含在每個神經元芯片的ROM中(zhōng)。這使得神經元能保證在每個設備中(zhōng)公用協議以完全相同的方式實施。神經元芯片實際上是結合成一(yī)體(tǐ)的3個8位的微處理器。其中(zhōng)2個執行協議，第3個供節點應用。所以，芯片既是網絡通信處理器又(yòu)是應用處理器。這保證了無論控制設備/網絡來自哪個制造商(shāng)，使這些設備能相互通信的内在協議是相同的。
每個神經元芯片，或任何其他實現已公布的LonTalk協議的處理器都有唯一(yī)的48位的ID。這樣，每個LONWORKS設備就有唯一(yī)的可由LonTalk協議使用的物(wù)理地址。但是，ID通常隻用于初始安裝和診斷。爲了簡化正常網絡運行，使用邏輯尋址方法。
LONWORKS網絡的應用程序以“Neuron C語言”代碼編寫。編譯後存入到芯片内存儲器，或外(wài)接存儲器中(zhōng)。
Neuron C語言使用以事件爲基礎的編程模式。即應用程序通常由發生(shēng)在網上其他地方或某個節點上的事件觸發。所以網絡本身是事件驅動的，一(yī)個設備不必等待輪詢即可報告狀态信息。因此LONWORKS網絡的通信量遠低于其他網絡類型。
在某些複雜(zá)的應用中(zhōng)，神經元處理器速度和存儲器容量不足以完成LONWORKS節點的要求功能。爲了适應這些應用，某些種類的神經元芯片具有高速并行接口，使任何微處理器都能使用神經元芯片，并以一(yī)個專用接口應用微處理器（稱爲MIP應用）作爲它的網絡通信微處理器來執行應用程序。爲方便現有微處理器設備采用LonTalk協議聯網，Echelon推出了ShortStack開(kāi)發工(gōng)具，可以從網上免費(fèi)下(xià)載。
收發器在神經元芯片和LONWORKS網絡之間提供物(wù)理通信接口，簡化了LONWORKS節點的開(kāi)發。LONWORKS支持各種通信媒體(tǐ)和拓撲結構。收發器類型不同的産品仍然能互操作，但要通過路由器。Echelon提供多種雙絞線和電力線收發器。新一(yī)代智能收發器将神經元芯片核心與收發器集成在一(yī)個微處理器芯片中(zhōng)，大(dà)大(dà)提高了可靠性和抗幹擾性，方便應用開(kāi)發，降低成本。
網絡上的每個LONWORKS設備或節點通常含有神經元芯片和收發器。随設備的功能而異，可以是嵌入神經元芯片和收發器的智能傳感器和執行器、與傳統傳感器和執行器輸入輸出接口的智能控制器、與PC主處理器接口，或與其他神經元設備或路由器接口的設備。
對多種媒體(tǐ)的透明支持是LONWORKS技術的獨特能力，它使開(kāi)發者能選擇最适合他們需要的通信媒體(tǐ)和通信方法。對多種媒體(tǐ)的支持必須通過路由器。路由器也能用于控制網絡通信量，将網絡分(fēn)段，隔離(lí)從其他部分(fēn)來的信息流，從而增加了網絡總通信量和吞吐量。網絡工(gōng)具以網絡拓撲爲基礎自動配置路由器，使安裝者便于安裝并對節點透明。
路由器設備使單一(yī)的對等網絡能跨接多種傳輸媒體(tǐ)，支持成千上萬的設備。路由器對網絡的邏輯操作是完全透明的，但是它們并不一(yī)定傳輸所有的包。智能路由器根據系統配置，将沒有遠地地址的包限制在本地處理。LONWORKS系統能透過IP路由器，跨接到微機局域網、廣域網和因特網上。
開(kāi)發工(gōng)具包括節點開(kāi)發和調試應用程序的環境(如NodeBuilder)，安裝和配置這些節點的網絡管理工(gōng)具（如LonMaker），和檢測網絡通信量以保證合适的網絡容量以及診斷錯誤的協議分(fēn)析器（如LonScanner）。
網絡接口具有對外(wài)部主機如PC或便攜式維護工(gōng)具的物(wù)理接口。設備應用程序提供通信協議和API（應用編程接口），使基于主機的程序能訪問LONWORKS網絡。
網關設備使傳統控制系統能連接到LONWORKS網絡。網關具有适合外(wài)接系統設備或通信總線的物(wù)理接口，及對外(wài)接系統的專用通信協議的轉換。在某些情況下(xià)，網關能把專用的以指令爲基礎的外(wài)系統報文轉換成以信息爲基礎的LONWORKS網絡使用的網絡變量數據。
LONWORKS網絡操作系統（LNS）提供支持監測、控制、安裝和配置的一(yī)套公共的全網範圍的服務，提供在LONWORKS網絡上支持可互操作應用的标準平台。LNS允許多個應用和用戶同時管理網絡。LNS是客戶/服務器體(tǐ)系結構，是新一(yī)代的可互操作的LONWORKS網絡工(gōng)具的基礎。
LNS是一(yī)個爲控制網服務提供标準平台的軟件。它強大(dà)的客戶/服務器體(tǐ)系結構，爲LONWORKS控制網的用戶設備或使用TCP/IP數據網的用戶PC提供控制數據的服務。LNS的插件标準讓傳感器、執行器和設備的制造商(shāng)通過産品的軟件模塊提供更多的功能。網絡集成者不必在現場爲每個項目開(kāi)發定制程序，而是使用插件程序模塊。
LONWORKS的遠程網絡接口使遠程設備監控變得非常方便。LONWORKS網絡通過隧道協議在網絡層實現與IP網絡的無縫連接，将IP信道擴展爲LONWORKS信道，使原來的局部控制網絡擴展爲廣域控制網。LONWORKS應用服務平台支持C/S（客戶/服務器）結構、B/S（浏覽器/服務器）結構，大(dà)大(dà)擴展了LONWORKS的應用領域。
由于LONWORKS的這些獨特優點，使得LONWORKS在建築及居住區智能化、工(gōng)業自動化、電力和公用事業、交通、家庭智能化等領域得到廣泛應用，成爲國際上多個行業、多個國家的标準。例如：
●GB/Z 20177.1/2/3/4-2006 中(zhōng)國國家标準 （控制網絡LONWORKS技術規範）
●ANSI/EIA 709.1/2/3 控制網絡協議标準、電力線信道标準、自由拓撲雙絞線信道标準
●ANSI/CEA/EIA-852 LON/IP 基于隧道技術在IP信道上傳輸控制網絡協議
●CEN EN14908 歐洲建築控制标準
●IEEE 1473L (列車(chē)網絡通信協議)
●IFSF (國際加油站論壇标準）
●SEMI E54.6 （國際半導體(tǐ)設備與材料組織标準）
●AAR（美國鐵路協會标準）
●美國軍隊開(kāi)放(fàng)系統規範13801 和 15951
特别是在建築及居住區控制網絡系統中(zhōng)，LONWORKS成爲公認的标準。
在建築及居住區控制網絡系統中(zhōng)采用LONWORKS技術有下(xià)列優勢:
（1）使控制網絡結構簡單、布線容易、更改方便，并可靈活選擇雙絞線、電力線或其它通信媒體(tǐ)，在建築及居住區智能化的許多場合應用場合可以避免重新布線。
（2）容易實現從建築及居住區管理中(zhōng)心對各子系統設備、設施運行狀态進行監控，使各子系統之間按要求實現聯動和信息共享。
（3）使建築及居住區智能化系統能構建在通過微機局域或互聯網架構上，實現控制網和信息網的聯網和信息共享。
（4）可通過因特網實現遠程管理和監控，有助于全局的集中(zhōng)管理，包括系統和設備的遠程監控和遠程診斷。
（5）LONWORKS的開(kāi)放(fàng)性和互操作性保證了系統的标準化、可持續發展和建設，以保證投資(zī)者的長期利益。
（6）LONWORKS功能強大(dà)的網絡管理服務體(tǐ)系，使網絡配置、管理、監控、維護非常方便，适用于各種不同類型的應用，和不同規模的控制網絡。
圖6是智能建築中(zhōng)采用LONWORKS網絡架構和多個子系統集成的例子。
針對居住區的應用，在LONWORKS架構的基礎上，ECHELON公司推出了嵌入式控制網絡Pyxos 平台，将LONWORKS網絡延伸到簡單的傳感器或設備。Pyxos内置通信協議，具有高速确定性。Pyxos是一(yī)個主從結構的網絡，一(yī)個Pyxos網絡中(zhōng)最多支持32個從設備，以時分(fēn)多址（TDMA）方式尋址，網絡傳輸速率爲312.5kbps，響應時間小(xiǎo)于等于 25ms。Pyxos繼承了LONWORKS的優點，既包含了通信協議又(yòu)嵌入了網絡收發器，用戶隻需開(kāi)發應用。收發器是無極性自由拓撲，并支持鏈路電源（即一(yī)對雙絞線既作爲網絡信道，又(yòu)用于節點供電電源線）。Pyxos芯片可直接連接簡單的數字I/O，無需任何微處理器，也可通過SPI連接其他主處理器實現複雜(zá)的I/O應用，具有很高的性價比。
Pyxos的這些優點，使它非常适合居住區和家庭内部的控制應用。圖7是基于LONWORKS和Pyxos網絡結構的家庭智能化配置。其中(zhōng)，門磁、消防探頭、燃氣探頭、移動探頭、電子門鎖、燃氣閥門、加熱閥門等簡單I/O設備控制采用Pyxos。既保持LONWORKS網絡架構，又(yòu)大(dà)大(dà)提高了整個系統的性價比。
