核心提示：介紹LonWorks技術的產生與發展歷程，描述Lonworks的核心技術及節點設計方法及行業應用。
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一、Lonworks技術的產生與發展脈絡
美國Echelon公司于1992年推出Lonworks技術，它開創了控制系統網絡化的新紀元。它是把系統中的一次元件，如傳感器、執行元件、斷路器等，通過基于LonTalk協議采用自由拓撲結構方式把控制單元連接成開放的測控網絡。LonWorks網絡符合國際標準化組織（ISO）制定的開放系統互聯（OSI）模式。
LonWork是點對點雙向通信的單層、分布式控制網絡。它追求網絡的全面控制，包含了傳感器總線、設備總線和現場總線三層意義，實用性很強，是理想的現場實時控制網絡。LonWork技術最這主要的優點是可以實現互操作。全球數百家重要廠商組成了LonMark 互操作協會，通過全面定義LonWork實施辦法，使每個技術細節都有標準化文件的嚴密規定。按照這樣標準生產的產品，可以實現互操作。
LonWorks技術開始從工業自動化發展，逐步應用于智能建筑、交通運輸、電力、煤礦、智能家居等，它的開放性、互操作性、高可靠性、無中心檢測等突出優點，已被世人公認是當今智能建筑控制系統的主流技術。
LonWorks技術具有一個完整的開發系統平臺，包含著所有設計、配置和支持控制的元素，LonWorks技術組成包括硬件部分和神經元（NEURON）芯片和LonTalk通信協議。LonWorks網絡的基本單元是節點，網絡節點也是監控模塊，利用一根總線可將系統所有的監控模塊連接起來，每個監控模塊是由神經元心片、電源、一個通過媒介通信收發器和被監控設備接口的I/O電路組成，監控模塊能夠處理大量信息，對被控設備實時監控和調節，由于監控模塊設置在被控設備附近，線路結構變得簡化，布線數量減少，實現真正的分布系統，使整個系統的可靠性大為提高。由于LonWorks系統擴展能力強，如增加控制設備，只需在總線上增加節點，就可以實現系統的擴展，由于系統的開放性，可實現不同廠商器件的互操作、互相替換，為系統的技術升級提供了多種手段。
二、Lonworks技術的特點
Lonworks技術通過基于LonTalk協議采用自由拓撲結構方式把控制單元連接成 開放的測控網絡，這個網絡符合國際標準化組織（ISO）制定的開放系統互聯（OSI）模式。其具有開放性、互操作性、控制節點間可采用多種媒體連接進行通信、可靠性高、應用編程采用高級語言，并且符合國際標準等特點。
開放系統概念就是使用開放系統相互連接（OSI）基準模型（塊）以發展計算機通信標準。OSI模型是建立在七層協議基礎上，作為一個起始點以發展計算機通信標準。每層都有一定等級功能，具有規定的高層或低層的接口；為提供一定功能通信標準，并不一定所有的層都需要。當與很好定義的程序模塊連接時，該模塊定義了數據意義及格式，OSI模塊將提供一個多賣主相互操作的高水平工具。一個典型的開放系統結構可以應用在工業和商業的控制系統上，按照布置，所有的開放系統元件，使用標準協議作為本系統語言，無需翻譯，可以相互通信。
國際標準化組織（ISO）的ISO7498所定義的開放系統互連模型OSI作為通信網絡國際標準化的參考模型，它詳細描述了軟件功能的七個層次。
1、物理層
物理層的下面是物理媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纜等，物理層為用戶提供建立保持和斷開的物理連接功能，如：RS232C、RS422/RS485。物理層用以實現兩實體間的物理連接，傳送二進制碼bit碼,本層處理與電、機械、功和過程有關的各種特性，以使建立、維持和折除物理連接。
2、數據鏈路層
數據鏈路層在物理層提供的bit碼服務基礎上，用以建立相鄰節點之間的數據鏈路，數據以幀為單位傳送，每一幀包含一定數量的數據和必要的控制信息，如：同步信息、地址信息、差錯控制和流量控制信息。數據鏈路層負責在兩個相鄰節點間的鏈路上，實現差錯控制，數據成幀同步控制。
3、網絡層
網絡層用在通信子網中傳輸信息，包括報文分組（具有地址標識和網絡層協議信息格式化信息組）報文包組塞的處理和通信子網內路選擇和擁擠控制。
4、傳輸層
傳輸層的信息傳送單位是報文Message（一個報文可分成若干個報文分組），它的主要功能是差錯控制、順序控制、流量控制、管理多路復用和連接支持，在網內兩實體間提供一個可靠的端對端（end—to—end）數據傳送服務。
5、會話層
會話層用在兩實體之間建立通信聯系，管理和折除會話連接方法，其功能是支持通信管理和實現最終用戶"應用" 應用進程之間的同步，按正確的順序收發數據、進行各種對話。
6、表示層
表示層用于應用層信息內容的形式交換，如：數據加密/解密、信息壓縮/解壓和數據兼容，把應用層提供的信息轉換成能夠相互理解的方式，本層執行通用數據交換功能，提供標準應用接口、公共通信服務。
7、應用層
應用層作為OSI的最高層，為用戶的應用服務提供信息交換，為應用接口提供操作標準，并負責應用管理執行應用程序，本層為用戶提供開放系統互連環境的各種服務，管理和分配網絡資源建立應用程序。
三、LonWorks的核心構成
Lonworks網絡是采用神經元芯片技術，在OSI七層協議上實現的控制網絡。其神經元芯片和LonTalk 網絡協議是Lonworks技術的核心。
1、神經元芯片
神經元芯片（NeuronChip ）使用CMOCLSI 技術，神經元芯片高度集成，使用它需要的外部器件最少！其芯片內有3 個8位CPU 。
Neuron芯片MC143120和MC143150，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工具和軟件。許多OEM公司，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、執行器、定時及計數等設備的連接。
2、LonTalk協議
LonTalk協議遵循由國際標準化組織ISO定義的開放系統互連OSI 模型，協議提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務。LonTalk 協議支持多種傳輸介質，它包括一個可選的網絡接口協議，該協議支持在任何主處理器上運行LanTalk 。主處理器可以是任何微控制器，計算機或微處理器。
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公司提供的開發系統可以幫助我們利用各種基于Neuron芯片的智能節點很容易地使用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點分組錯誤的記錄等。另外協議還提供鑒別服務以滿足發送者的有效識別。在鑒別服務中，通過由收發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。為報文提供優先級的方式，可以大大提高高優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。
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。
四、LonWorks系統的設計
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者，或系統集成者，可以以LonWorks技術為依托，開發LonWorks兼容的通用智能控制節點，各種專用節點，以及各種智能傳感器、執行器；也可以從LonWorks兼容的不同OEM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。
1、智能節點設計
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化組合，形成系列產品。
（1）數字量(開關量)輸入節點
數字量(開關量)輸入節點主要用于檢測外部數字信號和具有開關狀態的信號，比如檢測繼電器的閉合狀態，某些開關的狀態，電平信號的輸入等，這類節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，以提高節點運行的安全性和可靠性。
（2）數字量輸出節點
在LonWorks網絡中，很多的控制機制都是通過數字量輸出節點來完成的，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，來提高節點的可靠性和安全性。
（3）模擬量輸入節點
模擬量輸入節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。
（4）模擬量輸出節點
模擬量輸出節點對于驅動某些控制設備是必需的，比如步進馬達的控制、一些調節閥的控制等。和模擬量輸入節點一樣，在這類節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。
2、節點設計中的抗干擾措施
過程通道是前向接口（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。比如在上述的節點設計中，一般都增加了光電隔離電路，一方面提高了節點的安全性，同時也增加了節點的抗干擾能力。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、通信類型
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、網橋或重發器。
4、網絡結構設計：
確定每一個控制節點的位置，網絡中使用節點的數量，及路由器、網橋和重發器的數量，網絡的構型，即是否要有多個域(Domain)、子網(Subnet)、組(Group)，哪些節點屬于哪個域和組。還有人機界面，是否采用主監控PC等。智能控制節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)，即智能控制節點經由網絡控制單元，或區域控制計算機組成控制網絡，然后與PC局域網(信息管理網或企業網絡)相連。另一種是單層結構方式(一級網)，即智能控制節點直接組成對等層點到點(peer－to－peer)通信的分布式控制網絡。網絡中的所有節點(包括實施監控的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展的歷史：傳統的主機—小型機—微機三級網絡結構在企業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自動化領域已經使用，并正在成為控制網絡發展的潮流。
