基于Lonworks的智能樓宇安防系統(tǒng)

基于Lonworks的智能樓宇安防系統(tǒng)

摘要對智能樓宇安防系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種基于LonWorks總線的分布式控制系統(tǒng)，論述了Lonworks總線技術(shù)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計和程序設(shè)計。關(guān)鍵詞LonWorks總線；智能建筑；安防系統(tǒng)；智能節(jié)點(diǎn)智能建筑及樓宇自動化是近幾年興起的新領(lǐng)域，特別是近年來現(xiàn)代高科技和信息技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了“將家庭中各種與信息相關(guān)的通訊設(shè)備，家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧”的目標(biāo)。智能建筑應(yīng)當(dāng)是：“通過對建筑物的4個基本要素，即結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理，以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，以最優(yōu)化的設(shè)計，提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。智能建筑物能夠幫助大廈的主人，財產(chǎn)的管理者和擁有者等意識到，他們在諸如費(fèi)用開支、生活舒適、商務(wù)活動和人身安全等方面得到最大利益的回報?！敝悄芙ㄖ闹悄芑浣M成按其基本功能可分為三大塊：樓宇自動化系統(tǒng)BAS(BuildingAutomationSystem)、辦公自動化系統(tǒng)OAS(OfficeAutomationSystem)和通信自動化系統(tǒng)CAS(CommunicationAutomationSystem)，即“3A”系統(tǒng)。目前，國內(nèi)的樓宇自動化系統(tǒng)大都采用以單片機(jī)為核心，通過串行通訊總線進(jìn)行系統(tǒng)連接并通信，這種系統(tǒng)在本質(zhì)上因采用了封閉式通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)因通信協(xié)議的開放性而能很好地解決這些長期困擾我們的問題，它的應(yīng)運(yùn)而生在控制領(lǐng)域產(chǎn)生了一場新的革命?，F(xiàn)場總線是一種串行化、數(shù)字化數(shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了生產(chǎn)過程領(lǐng)域的基本控制設(shè)備之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備之間的聯(lián)系。在當(dāng)前多種流行的現(xiàn)場總線中，LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)異軍突起，以其優(yōu)良的性能與特點(diǎn)而迅速在樓宇自動化系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。

1LonWorks主要技術(shù)LonWorks總線主要是以美國Echelon公司等發(fā)起并于1990年正式公布推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，已成為在BAS應(yīng)用中最有影響的現(xiàn)場總線。LonWorks以其優(yōu)秀的分布處理能力、開放性、互操作性、多媒介適應(yīng)能力以及多網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn),適應(yīng)了未來發(fā)展對測控網(wǎng)絡(luò)的要求。LonWorks技術(shù)是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個完整的技術(shù)平臺，它包含所有設(shè)計、配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)所需要的技術(shù)：3120/3150Neuron芯片；NeuronC編程語言；LonTalk協(xié)議；LonWorks收發(fā)器；LonBuilder和NodeBuilder開發(fā)工具等。LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)組成，每個智能節(jié)點(diǎn)可具有多種形式的I/O功能，節(jié)點(diǎn)之間可通過不同的傳輸媒介進(jìn)行通信，并遵守ISO/OSI的七層模型協(xié)議。智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的Neuron智能節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片、傳感器、控制設(shè)備、收發(fā)器和電源等組成。Neuron智能節(jié)點(diǎn)分為兩類，第一類是名為基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中不再出現(xiàn)其它處理器，它利用Neuron芯片完成包括通信以及用戶應(yīng)用程序在內(nèi)的所有工作，此類節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于控制功能較為簡單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；另一類是稱作基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中除了Neuron芯片以外，還有其它的處理器，諸如單片機(jī)等，前者主要完成通信工作，后者則完成用戶的應(yīng)用程序，此類節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。圖1為基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。Neuron神經(jīng)元芯片Neuron芯片是LonWorks技術(shù)的核心，每一個神經(jīng)芯片在制造期間被賦予一個唯一的48位碼的標(biāo)識，稱為標(biāo)識碼。它既進(jìn)行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。3120與3150兩大系列芯片主要由Motorola、Toshiba、Cypress三個公司生產(chǎn)，芯片內(nèi)有3個8位流水線作業(yè)的CPU。介質(zhì)訪問控制CPU處理LonTalk7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法。網(wǎng)絡(luò)CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第6層，包括處理網(wǎng)絡(luò)變量尋址事務(wù)，權(quán)限證實(shí)，背景診斷，軟件計時器，網(wǎng)絡(luò)管理和路由等，同時還控制網(wǎng)絡(luò)通信端口，物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。應(yīng)用CPU執(zhí)行用戶用NeuronC語言編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令。3個CPU分別通過片內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)緩存器和應(yīng)用緩存器進(jìn)行通信。新出現(xiàn)的低能耗芯片MCl43120LE2FB采用3V工作電壓，減小了電力消耗。廣泛適用于傳感器、執(zhí)行器、安全檢測器和自動調(diào)溫器，尤其適用于建筑物內(nèi)嵌的分散控制網(wǎng)絡(luò)。

圖1基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計樓宇自動化安防系統(tǒng)選用兩級計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，即由上位管理機(jī)、LonTalk適配器以及多個智能節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)監(jiān)控的需要增減，使用LonWorks現(xiàn)場總線作為控制和通信網(wǎng)絡(luò)把各節(jié)點(diǎn)連接成一個分布式智能控制系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。家庭智能節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要由神經(jīng)元芯片、單片機(jī)、鍵盤、LED顯示、蜂鳴器、A/D轉(zhuǎn)換等部分組成。其中信號采集部分可由門磁開關(guān)、微波偵測、紅外偵測、火災(zāi)檢測、煙感探測等諸多類型傳感器組成。采集到的信號送到單片機(jī)，經(jīng)分析處理產(chǎn)生現(xiàn)場聲光報警的同時，并判斷報警類型，如果是火警類型則顯示“F×××”，其中F表示火警，“×××”表示報警的房間號；若為盜警則顯示“D×××”；若為緊急呼叫則顯示“B×××”；若采集信號出現(xiàn)故障則顯示“E×××”。若遇到需要顯示二種及以上信號時，按F×××、B×××、D×××、E×××的優(yōu)先級循環(huán)顯示報警信號。亦可依據(jù)主人設(shè)定的狀態(tài)將報警信號通過公眾電話網(wǎng)以數(shù)據(jù)或語音兩種方式進(jìn)行報警。數(shù)據(jù)報警是在自動撥打設(shè)定的電話后，再將報警的地址及報告碼以數(shù)據(jù)形式送出。上位機(jī)設(shè)在住戶所屬區(qū)域的報警中心，可直接將該系統(tǒng)通過LonWorks總線與之相連，構(gòu)成城區(qū)報警防護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的一部分。一旦出現(xiàn)緊急狀況而產(chǎn)生報警，按照先報警中心后戶主的優(yōu)先級報告家中警情。根據(jù)所傳送的數(shù)據(jù)，報警中心的計算機(jī)可立刻顯示出報警住戶的地址、警情并連同報警時間一并送至打印機(jī)打印輸出，同時將報警狀況存于計算機(jī)的硬盤中，以便日后查證。此時值班中心的值班人員可立即通知有關(guān)人員前往處理。語音報警則是在自動撥打完主人設(shè)定的電話號碼后，待對方摘機(jī)，立刻播放存于語音芯片中的語音提示音，如“家中有情況，速回”。

該安防節(jié)點(diǎn)可對多個防區(qū)進(jìn)行設(shè)防，系統(tǒng)共有居家、外出、入戶、測試、關(guān)閉五種模式，分別表示五種不同的工作模式。系統(tǒng)還具有進(jìn)門/出門延遲和進(jìn)出延遲區(qū)的延遲時間設(shè)定功能。該安防模塊一次最多設(shè)置四組報警電話號碼，撥不通可自動重?fù)?。此外，該模塊具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，具有多個模擬量、開關(guān)量輸入/輸出接口，用戶可根據(jù)需要增添不同采樣傳感器來擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。

圖3安防節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

安防節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，神經(jīng)元芯片MC3150是家庭安防節(jié)點(diǎn)的通信控制部分，通過它可以與住宅其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，物業(yè)管理中心也是通過其向各家庭安防節(jié)點(diǎn)傳達(dá)各種控制命令。圖中單片機(jī)8031是安防節(jié)點(diǎn)的中心控制部分，整個單片機(jī)及其它與其相連的設(shè)備一起作為神經(jīng)元芯片的輸入輸出設(shè)備，其實(shí)這一部分也具有相對立的功能：如果神經(jīng)元芯片與LonWorks總線斷開時，那么整個安防節(jié)點(diǎn)仍具有防盜報警等功能，這時的控制完全由8031來完成。所以該系統(tǒng)的可擴(kuò)展升級性很強(qiáng)，能滿足不同用戶的需求。圖中的開關(guān)量輸入/輸出及模擬量輸入/輸出用來采集各種報警信號和完成8031下達(dá)的控制命令。

3系統(tǒng)程序設(shè)計隨著現(xiàn)場總線智能設(shè)備通用性的提高和成本的降低，簡單的控制任務(wù)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)中，成為現(xiàn)場控制。在基于LonWorks的樓宇自動化安防系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制功能已分散到各個控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控計算機(jī)、通信鏈路和其它節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況下均能安全地工作，提高系統(tǒng)的可靠性。安防系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)主要完成兩個任務(wù)：一是檢測信號的測量；二是監(jiān)控計算機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)的信息交換，包括安防系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)檢測到的信號、自身的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)控計算機(jī)發(fā)出的控制命令。各控制節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序采用NeuronC語言編寫，并使用NodeBuilder節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具進(jìn)行調(diào)試。NeuronC任務(wù)調(diào)度是事件驅(qū)動：當(dāng)一個給定事件發(fā)生的條件為真時，與該事件關(guān)聯(lián)的一段代碼(稱為任務(wù))被執(zhí)行。事件是通過When語句來定義的，一個When語句包含一個表達(dá)式，當(dāng)表達(dá)式為真時，則表達(dá)式后面的任務(wù)被執(zhí)行。智能節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖4。LonWorks網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)間可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的信息傳輸，具有極其良好的互操作性，使整個網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無中心的真正的分布式控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相比較，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性;減少了與一次元件相連的模件的型號品種的數(shù)量和大量的連接電纜，降低了系統(tǒng)材料、安裝、維護(hù)等費(fèi)用。在實(shí)時控制方面，實(shí)現(xiàn)了可相互操作的現(xiàn)場總線LonWorks的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的通信協(xié)議LonTalk，為樓宇自動化安防系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器和控制器之間網(wǎng)絡(luò)化操作奠定了基礎(chǔ)。采用分布式模塊化結(jié)構(gòu)，組成局域通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，組態(tài)靈活，擴(kuò)充容易，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)采用大量靈敏度高、響應(yīng)速度快的傳感器和先進(jìn)的檢測手段，可有效地防止漏報，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報警，確保建筑物的安全和對建筑物的科學(xué)管理。

4結(jié)束語LonWorks網(wǎng)絡(luò)非常容易與其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制。Lonworks開放式、可互操作性、成熟和低成本的特點(diǎn)，LonWorks國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，更加推動了它的發(fā)展與應(yīng)用。在智能樓宇安防系統(tǒng)中使用LonWorks總線技術(shù)使控制器對控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了分樓層檢測、控制和報警，提高了系統(tǒng)內(nèi)部的通信速率、實(shí)時性