Lonworks通信技术详解
LonWorks技术概述
LonWorks技术概述关键词LonWorks技术,LonTalk协议，ANSI709,智能收发器,LonWorks到IP当今世界上使用最广泛的控制网络协议是LonWorks控制网络协议，自从80年代后期，美国埃施朗(Echelon)公司开发出这一平台技术以来，到目前为止，已有约4千万的设备安装在世界各地。
这些产品广泛地应用在智能楼宇、工业控制、家庭智能化和交通等领域。
LonWorks技术的核心是LonTalk协议，该协议现在已成为很多组织的标准，包括ANSI /EIA/CEA-709.1-A-1999 (最新的版本是：ANSI/EIA/CEA-709.1- B-2002)，ANSI/CEA/EIA 852 ,CEN TC 247,IEEE 1473L等。
各种日常设备组成机器到机器的控制系统(M2M)，它们完成一系列的功能：探测、处理、执行和通信。
LONWORKS 是一个通用的M2M 网络平台，使得这些功能的核心部分得以实现，并且将这些各种行业的日用设备，转变成智能的、互可操作的设备。
LONWORKS 是一个开放的标准，它使得OEM厂商生产出更好的产品,系统集成商可以籍此来创建基于多厂商产品的系统，最终为规范制定人员和业主提供了选择性的可能。
LonW orks网络系统地规模，可以从有几个节点构成的系统到涵盖全球的网络体系。
在全世界，目前有4500多家厂商生产开发基于LonWorks技术的产品，在中国从事LonWorks技术研发、集成的单位也有上百家。
Echelon公司提供一整套的产品，来帮助客户开发基于LonWo rks的产品,和集成基于LonWorks的系统。
它们包括开发工具、收发器和智能收发器，模块，网卡，路由器，互联网服务器，LNS软件，和企业级的平台软件Panaromix。
自从Lontalk协议成为美国国家控制网络标准后，其它公司也开发出了基于ANSI７０９. 1的芯片。
在Echelon公司，ANSI７０９.1协议称为LonTalk协议。
LON和LonWorks技术教学内容
第二节 LonTalk协议
一、LonTalk协议简介
LonTalk协议是LON总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。它 符合1SO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网 络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序可以在 不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网 络上其他设备的报文。还提供端到端的报文确认、报文认证、打包业 务和优先传送服务，支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网 络设备进行交互。
图8-3为带预测的P-坚持CSMA概念示意图。当一个节点信息需要发送 而试图占用通道时，首先在Beta 1周期检测通道有没有通信发送，以 确定网络空闲。若空闲，节点产生一个随机等待T，T为0～W个时间片 Beta 2中的一个，当延时结束时，网络仍为空闲，节点发送报文。
在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供了一个可选择的优先 级的机制。如图8-4所示为优先级带预测的P—坚持CSMA概念示意图。
LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修 保养；
节点开发工具NodeBuilder； 节点和网络安装工具LonBilder； 网络管理工具LonManage以及客户／服务器网络构架——LNS技
术。
4、开放性
LonWorks技术提供了开放系统设计平台，使不同公司生产的同类 LonWorks产品可以互操互换。LonWorks产品的互操作标准由
多台目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定 报文路由。 传输层：确保可靠的报文传输。
会话层：对较低层数据交换加以控制。
表示层：定义报文数据的编码。
应用层：定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应用程序中的 网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或上传(接收)。 应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。
LonWorks技术简介及与RS-485总线网络比较
LonWorks技术简介及与RS-485总线网络比较LonWorks技术是美国Echelon公司推出的智能控制网的技术，为实现智能控制网络提供了完整的解决方案。
目前全球已有3000多家公司应用该项技术安装了超过500万个LonW orks节点，包括：ABB、BTE、Carrier、Schneider、Honeywell、Johnson-Controls、Motolota等。
LonWorks技术广泛应用于楼宇自控、空调暖通、工业控制、交通运输等行业，是全球领先的控制网络技术。
通信距离：RS-485总线最大传输距离是1.2km；LonWorks总线最大传输距离是2.7km。
传输速率：RS-485总线的传输速率为300-9.6kbps；LonWorks网络的传输速率为300-1.25Mbps。
网络结构：RS-485总线网络构成主从式集散控制系统；LonWorks网络可构成分布式任意结构形式网络。
网络容量：RS-485总线网络的一条通道最大可接255个节点；LonWorks采用三层结构，即域、子网、和节点。
系统的节点数量没有任何限制神经元芯片中含48位ID号，是全世界唯一的。
通信方式：RS-485总线网络难于进行实时通信；LonWorks网络采用了P-CSMA/CD技术可实时通信。
通信可靠性：RS-485总线网络的容错与检错能力须通过软件设定；LonWorks神经元芯片中有二个CPU专门负责通信，容错与检错能力是由硬件和软件同时完成。
产品互换性：RS-485总线网络无统一通信协议，产品难于兼容；LonWorks技术采用国际标准的LONTALK通信协议，真正实现了产品的互换性。
网络扩充功能：RS-485总线网络的扩充能力是有限的；LonWorks网络极容易扩充和修改、维护。
系统先进性：LonWorks网络技术是90年代初形成的国际标准，全球应用广泛。
远程监控与操作：LonWorks网络与Internet无缝连接，可以实现远程监控与远程操作。
LonWorks简介
LonWorks®技术介绍LonWorks技术为设计、创建、安装和维护设备网络方面的许多问题提供解决方案：网络的大小可以是两个到32385个设备，并且可以适用于任何场合，从超市到加油站，从飞机到铁路客车，从熔解激光到自动贩卖机，从单个家庭到一栋摩天大楼。
今天，在几乎每种工业应用中，有一种趋势就是远离专用控制方案和集中系统。
制造商正在使用基于开放技术的产品，如现成的芯片、操作系统和功能模块产品。
这些特性可以改进可靠性、提高灵活性、降低系统成本、改善系统性能。
LonWorks技术通过所提供的互操作性、先进的技术架构、快速地产品开发和可估算的成本节约，加速了这个趋势的发展。
LonWorks网络中设备的通信是采用一种称为LonTalk的网络标准语言实现的。
LonTalk协议由各种允许网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。
LonTalk协议提供一整套通信服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设备发送和接收报文而无需知道网络的拓扑结构或者网络的名称、地址，或其他设备的功能。
LonWorks 协议能够有选择地提供端到端的报文确认、报文证实和优先级发送，以提供规定受限制的事务处理次数。
对网络管理服务的支持使得远程网络管理工具能够通过网络和其他设备相互作用，这包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程序、报告网络问题和启动/停止/复位设备的应用程序。
LonTalk——也就是LonWorks系统——可以在任何物理媒介上通信，这包括电力线，双绞线，无线（RF），红外（IR），同轴电缆和光纤。
虽然组建控制网络的方法有很多，但是对于自动化控制而言，平坦的、对等式（P2P）体系结构是最好的。
P2P体系结构和其它任何一种分级的体系结构相比，不再具有分级体系结构与生俱来的单点故障。
在传统的体系结构中，来自某一个设备的信息要传递给目标设备，必须先传送到中央设备或者网关。
因此，每两个非中央设备之间的通信包括了一个额外的步骤，或者说增加了故障的可能性。
Lonworks通信技术详解
4 数据传送
LonTalk文件传送协议只适用于数据文件的通信。 数据文件必须以32字节的报文传送(不包括协议 头)，窗口尺寸为6。
5 结构参数
应用开发者在安装过程中可以选择设置结构参 数。结构类型的网络变量能用于相对少量的结 构信息，这样做具有网络变量的长处，例如： 可以自我识别、自我记录、外接口文件的支持， 并有发送、接收数据的简化方法。对于大量的 结构信息，配置节点更简单的方法是使用结构 参数，结构参数是用LonTalk文件传送协议装入 节点或由网络管理读/写指令访问存储器得来的， 结构参数的使用能释放网络变量和以神经元芯 片作为主处理器的应用程序所占用的EEPROM。
神经元芯片定时 /计数器外部连 接图
•4. 通信端口 单端模式 差分模式 专用模式 •5. 时钟系统 •6. 睡眠/唤醒机制 •7. Service Pin •8. Watchdog定时器
• 单端模式
•差分方式的通讯口配置框图
•四.通信线路和设备
•双绞线收发器 •1.直接驱动
•2.EIA-485
多节点，多通信介质；
可靠性高；
实时性高。
2 LonTalk七层协议
3 LonTalk协议物理层协议
适应不同的通信介质，如：
双 绞 线 (twisted-pair) 、 电 力 线 (powerline) 、 无线电(radio-frequency)、红外线(infrared)、 同轴电缆(coaxialcable)、光纤(fiber)甚至是用 户自定义的通信介质。
2 LonMark对象
LonMark对象为应用层提供了可互操作性的基 础。LonMark对象描述了信息如何输入节点、 如何从节点输出、如何与网络上其他节点共享 信息的标准格式。
LonWorks总线
现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对 一的连线，减少了由接线点造成的不可靠因素 系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、 记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改 等工作，也增强了系统的可维护性。 现场总线网络系统具有优良的系统扩展性，可 以非常方便增加网络节点
总结
现场总线是数字化通信网络，可以实现设备状 态、故障、参数等信息传送。现场总线控制系 统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式 控制系统，它把单个分散的测量控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们 连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务 的网络系统
2 LonBuilder 和NodeBuilder开发工具
LonBuilder 和NodeBuilder是开发网络系统和 节点的工作平台，是硬件和软件卡法工具的集 合。 LonBuilder是系统的卡法工具，提供一个用 PC操作的开发环境，可支持单个仿真应用节 点，也可支持24个仿真节点和上百个远程节点 组成的复杂分散式把照明控制器和面板之间通 过现场总线相连接 网络节点为照明线路中的开关或控制箱，通过 现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、 开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过 现场总线网络进行通信，网络中的每个节点都 可以接受网络中其他节点的信息，非常方便地 实现节点间互相监测与控制。
3.2神经元芯片内部处理器 （1）MAC处理器——介质访问寄存器，主要完成介质访问控制， 即LonTalk协议1、2层，包括驱动通信子系统硬件和执行MAC算 法 （2）网络处理器——完成LonTalk协议3~6层，包括处理网络变 量，寻址，认证，后台诊断，软件定时器，网络管理和路由等 （3）应用处理器——完成用户的编程，宝库用户编写的代码以 及用户程序对操作系统的服务调用等 注意：各个处理器分别同时独立工作，通过缓冲器进行通信。网 络处理器使用网路缓冲器和MAC处理器通信；用应用缓冲器与 应用处理器通信
Lonworks基础知识
选择合适的拓扑结构，如星型、总线型、环型等，以满足网络的可靠性和扩展性要求。
网络设备配置与连接
设备选型
根据应用需求，选择合适的Lonworks设备，如节 点模块、路由器、网关等。
设备配置
对选定的设备进行配置，包括IP地址、设备类型、 通信速率等参数的设置。
设备连接
将设备按照网络规划进行连接，确保节点之间的 通信畅通。
集中控制
将家中的各种设备连接到 Lonworks网络中，实现集中控
制和管理。
远程控制
用户可以通过手机、平板等设 备远程控制家中的设备，随时 随地掌握家居状况。
自动化控制
根据预设的规则和条件，自动 控制家中设备的开关和调节， 提高生活便利性。
节能管理
根据用户的生活习惯和环境因 素，智能调节家中设备的能耗
网络调试与优化
调试工具
使用Lonworks提供的调试工具，如LonManager，对网络进行 调试和测试。
通信测试
测试节点之间的通信是否正常，检查数据传输的准确性和实时性。
网络优化
根据调试结果，对网络进行优化，包括调整设备参数、改善网络 拓扑结构等措施。
05
Lonworks应用案例分析
智能家居系统中的应用
Lonworks技术被国际电工委员会(IEC) 采纳为现场总线国际标准，即 IEC61491。
02
Lonworks网络结构与通信协议
Lonworks网络结构
Lonworks网络由多个智能节点 组成，节点之间通过无线或有线
方式进行通信。
每个节点包含一个Lon芯片，该 芯片集成了Lonworks通信协议
节点软件设计
Lonworks开发环境
使用Lonworks开发环境（如LNS IDE）进行节点软件的设计和开 发。
LonWorks技术和LON总线PPT课件
▪ LONWORKS协议，也称为LonTalk协议和ANSI/EIA 709.1控制联网标准，是LONWORKS系统的核心。协议提 供一系列通信服务，使设备中的应用程序能在网上对其他 设备收发报文而无需知道网络拓扑结构、名称、地址或其 他设备的功能。LONWORKS协议也可以提供端到端的报文 确认、报文鉴别，网络地址和参数的重新配置、应用程序 的下载、报告网络问题以及设备应用程序的起始/停止/复位 等。
▪ 高可靠性、易于实现和互操作性，使得LonWorks 产品应用 非常广泛。为促进LonWorks设备的互操作，Echelon 公司 和一些LonWorks 用户成立了LonMark 互操作协会。我国 也非常重视LonWorks 的引入和应用。
5
LonWorks 的智能控制网络组成
▪ LonWorks 控制网在某些方面相似于被称为局域 网或LAN 的数据网。数据网由各种通信介质及路 由器连接的计算机组成，而LonWorks 控制网通 过通讯介质连接基于微处理器的各种智能节点。 LonWorks 由于是无主结构，其网络拓扑结构突 破了树型、总线型、环型等限制，并且大大拓宽 可以使用的通信媒介。LonWorks 技术可以实现 真正意义上的分布式控制网络。任意分布在现场 的智能节点或处理器之间都可相互通信。
LonWorks技术和LON总线
▪ LonTalk协议 ▪ 网络变量 ▪ 神经元芯片
1
▪ 80 年代后期，美国埃施朗（Echelon）公司开发 出这一平台技术以来，到目前为止，已有约4 千 万基于LonWorks 的设备安装在世界各地。这些 产品广泛地应用在智能楼宇、工业控制、家庭智 能化和交通等领域。
2
▪ LonWorks 是一个开放的标准，它使得原始设备制造 （OEM）厂商生产出更好的产品，系统集成商可以籍此 来创建基于多厂商产品的系统，最终为规范制定人员和业 主提供了选择性的可能。
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3．输入/输出
神经元芯片和 其他设备的互 连是通过它的 11 个 I/O□ － － IO0 ～ IO10 。这 些管脚可以根 据不同外部设 备 I/O 的 要 求 ， 灵活地配置输 入输出方式。 神经元芯片定时 / 计数器外部连 接图
•4. 通信端口
单端模式 差分模式
专用模式
•5. 时钟系统 •6. 睡眠/唤醒机制 •7. Service Pin •8. Watchdog定时器
网络变量
应用程序可以定义一个特殊的静态对象类－－ 网络变量，这些网络变量可以是整型、字符型 或结构等类型。网络变量可以与一个或多个其 他节点的网络变量互连。网络变量从通信的角 度分为输入或输出，对于一个输入的网络变量 可以和其他节点的多个输出的网络变量互连而 对于一个输出的网络变量也可以和其他节点的 多个输入的网络变量互连，值得注意的是输出 和输出或输入和输入是不能互连的。 节点的数据可以通过网络变量进行共享，一 个节点输出的网络变量更新，而所有与之相连 的其他节点的输入网络变量也相应地更新。
七. LonWorks的互操作性
可互操作 网络的外 部端口 --应用层端 口 几个主要 部分组成：
1 节点对象 在一个节点内，节点对象用于对询问对象方式、 报告对象状态提供支持。节点对象包括与节点 有关联的网络变量和结构参数。 2 LonMark对象 LonMark 对象为应用层提供了可互操作性的基 础。 LonMark 对象描述了信息如何输入节点、 如何从节点输出、如何与网络上其他节点共享 信息的标准格式。 3 标准网络变量类型 使用标准网络变量类型(SNVT)能使不同制造商 的产品通过建立标准数据传送模式正确地翻译、 传递数据。例如，一个以热敏电阻为基础的温 度传感器可以与一个以热电偶为基础的温度传 感器互换，如果它们都能产生经过校准的、类 型为SNVT-temp的温度值的话。
• 单端模式
•差分方式的通讯口配置框图
•四.通信线路和设备
•双绞线收发器 •1.直接驱动
•2.EIA-485
3. 变压器耦合
4. 电力线收发器
五.LonWorks通信协议－－LonTalk
1
LonTalk协议的特点
LonTalk 协议是为 LON 总线设计的专用协议，它具 有以下特点： 发送的报文都是很短的数据 ( 通常几个到几十 个字节)； 通信带宽不高(2Kbps到2Mbps)； 网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机； 多节点，多通信介质； 可靠性高； 实时性高。
4
LonTalk协议的网络地址结构及对大网络的支持 网络地址可以有三层结构：域(Domain)、子 网(Subnet)和节点(Node) 报文地址结构图
5 MAC子层
六. 面向对象的编程语言－－Neuron C
Neuron C 是一种编程语言，它以 ANSI C 为基础，专门为神经元芯片而设计， 同时加入通信、事件调度、分布数据对 象和 I/O 功能，是编写神经元芯片程序 的最为重要的工具。 Neuron C 支 持 ANSI C 的 定 义 类 型 (typedefs)、枚举类型(enums)、数组类型 (arrays) 、指针类型 (pointers) 、结构类型 (structs)和联合类型(unions)。
(2) 网络维护
网络安装只是在系统开始时进行的，而系统维 护则在系统运行的始终。系统维护主要包括维护和 修理两方面。
(3) 网络监控
应用设备只能得到本地的网络信息，也即网络 传送给它的数据。
采用LON总线结构的现场网络
5.2.2 LON总线分散式通信控制处理器 —神经元芯片
1. 处理单元
该芯片内部装有三个微处理器：MAC处理器、 网络处理器和应用处理器。
2. 存储器 MC143150存储器的分配包括：
512bytes EEPROM； 网络配置和地址表； 独一无二的48位神经元ID码； 用户应用程序代码和一般只读的数据； 2048 bytes RAM； 堆栈段、应用程序和系统程序的数据区； LonTalk协议应用缓冲区和网络缓冲区； 最多64kB存储器地址空间，但处理器提供外部存 储器接口能够访问到的是59392 bytes；而剩下的6114 字节是作为系统内部映射。 16384 字节的外部存储器用于存储 LON 的操作系统； 剩下的空间可作为用户编写的应用代码，以及应用 程序所需要的额外读写数据区、应用缓冲区和网络缓 冲区。
自动化网络及现场总 线
本次课要点
Leabharlann 了解LonWorks技术概况 了解LonWorks技术核心元件--神经 元芯片的结构 LonTalk内涵 LonWorks的互操作性
3. 网络管理 网络管理的主要功能有以下三个方面。
(1) 网络安装
常规的现场控制网络系统，网络节点的连接通 常采用直接互连，或者通过DIP开关来设定网络地址， 而LON总线则通过动态分配网络地址，并通过网络变 量和显示报文来进行设备间的通信。
2
LonTalk七层协议
3 LonTalk协议物理层协议
适应不同的通信介质，如： 双 绞 线 (twisted-pair) 、 电 力 线 (powerline) 、 无线电(radio-frequency)、红外线(infrared)、 同轴电缆(coaxialcable)、光纤(fiber)甚至是用 户自定义的通信介质。 支持不同的数据解码和编码，如： 通常双绞线使用差分曼切斯特编码、电力线 使用扩频、无线通信使用频移键控(FSK)。
4 数据传送 LonTalk文件传送协议只适用于数据文件的通信。 数据文件必须以 32字节的报文传送 (不包括协议 头)，窗口尺寸为6。 5 结构参数 应用开发者在安装过程中可以选择设置结构参 数。结构类型的网络变量能用于相对少量的结 构信息，这样做具有网络变量的长处，例如： 可以自我识别、自我记录、外接口文件的支持， 并有发送、接收数据的简化方法。对于大量的 结构信息，配置节点更简单的方法是使用结构 参数，结构参数是用LonTalk文件传送协议装入 节点或由网络管理读 /写指令访问存储器得来的， 结构参数的使用能释放网络变量和以神经元芯 片作为主处理器的应用程序所占用的 EEPROM 。