基于LON现场总线技术安防系统设计与实现.doc

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题 目
基于LON现场总线技术安防系统设计及实现

学生姓名

学 号

系 部

专 业

班 级

指导教师

顾问教师

二〇一〇年七月
36 / 40
摘 要
安全技术防范系统在一些重要区域应用很多。随着社会和科技飞速发展，新出现各种犯罪手段对安防系统提出了许多新课题，而国内安防系统一般仍采用分布式控制体系结构。本文针对分布式体系结构存在互换性和互操作性差等缺点，提出了一种基于现场总线技术安防系统设计方案。
本论文主要研究内容：
1、介绍了安全技术防范系统基本情况，指出了在安全技术防范系统中应用现场总线技术重要性；
2、对现场总线技术作了总体阐述，介绍了现场总线技术标准、发展现状和发展趋势；
3、重点研究了LonWorks现场总线技术，对LonWorks技术核心：神经元芯片、LonTalk通信协议等进行了详尽描述；
4、提出了一种先进面向功能基于LonWorks现场总线技术体系结构安全技术防范系统设计方案，包括系统总体和子系统设计、智能节点硬件电路设计、智能节点及单片机8031通信、信号采集和输出等应用软件设计；
本论文创新之处是在国内安防行业缺乏对LonWorks技术工程应用方法深入研究状况下，基于对LonWorks技术研究，从方案总体设计、硬件选型、应用程序编写等方面阐述了如何应用LonWorks现场总线技术进行实际工程项目设计。采用了先进面向功能设计思想，以智能节点来实现对现场信息实时监控，及分布式控制系统相比有很大优越性。具有结构简单、可靠性高、互操作性好等优点，具有广泛应用市场。
关键词：安全技术防范；现场总线；LonWorks技术；智能节点。

目 录

摘 要 I
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2安全技术防范系统概述 1
1.3现场总线技术发展 2
1.3.1现场总线技术产生 2
1.3.2现场总线特点 3
1.3.3现场总线发展趋势 4
第二章 LONWORKS现场总线技术研究 5
2.1 LonWorks技术简介 5
2.2 LonWorks技术硬件组成 5
2.3 LonWorks通信协议LonTalk 9
2.4 本章小结 13
第三章 基于现场总线技术安全技术防范系统总体设计 14
3.1设计原则 14
3.2设计步骤 14
3.3系统总体设计方案 15
3.4工程应用设计 17
3.5本章小结 18
第四章 智能节点硬件设计 19
4.1智能节点总体功能 19
4.2神经元芯片及8031接口 20
4.3神经元芯片及收发器接口设计 21
4.4主处理器8031外围电路设计 22
4.5信号采集及输出电路设计 22
4.6适配器 23
4.7本章小结 24
第五章 智能节点软件设计 25
5.1系统软件介绍 25
5.2智能节点应用程序设计 25
5.2.1 NeuronC语言概述 25
5.2.2智能节点程序设计 26
5.3本章小结 27
第六章 总结及展望 28
致 谢 29
参考文献 30

第一章 绪论
1.1课题背景
在一些重要区域，如机场、军事基地、武器弹药库、监狱、银行金库、物馆、发电厂、油库等处，为了防止非法入侵和各种破坏活动，传统防措施是在这些区域外围周界处设置一些(如铁栅栏、围墙、钢丝篱笆网等屏障或阻挡物，安排人员加强巡逻。在目前犯罪分子利用先进科学技术，犯罪手段更加复杂化、智能化情况下，传统防范手段己难以适应要害部门、重点单位安全保卫工作需要。人力防范往往受时间、地域、人员素质和精力等因素影响，亦难免出现漏洞和失误。因此，应用先进安全技术防范系统就成为一种必要措施。当前随着社会和科技飞速发展，新出现各种犯罪手段对安全技术防范系统提出了许多新课题。同时，计算机技术和通信技术发展也使安全技术防范系统内容有了新意义。
安全防范系统及计算机控制系统发展有着紧密联系。但是，目前国内一些监控系统大都采用常规计算机及通讯技术，即以单片机为核心区域控制器以及以RS-232或485串行通讯总线为标准系统链接，监控系统通过现场安装传感器、控制器以及相应变送器和执行机构对各种被监控对象进行自动检测和控制，这种系统虽然可以满足大多数用户要求，但由于它集成度低、规范性差，而且又无统一标准，所以，系统可靠性、维修性、互换性以及可扩充性均难以达到理想效果和规范要求。
随着计算机控制系统理念不断发展，传统控制方式局限性和缺点越来为人们所认识，安全技术防范系统正逐步从以往根据分布式信息及控制理论设计集散型监控系统(DCS)发展为基于现场总线技术监控系统(FCS)。本课题结合江苏省博物馆安全技术防范系统工程设计、施工和调试，主要究了现场总线技术在安全防范系统中应用。
1.2安全技术防范系统概述
现代化建筑，需要设置多层次、立体化安防系统厂。安全技术防范系统，一要能完成外部入侵保护，防止无关人员入侵防卫区域；二要能实行区域保卫，遇入侵者，发出警报；三要能重点保护特定目标，识别身份、辨别真伪；四要能对事件发生前后作记录，以便利用记录数据做进一步分析。安全技术防范系统设计及实现，完全改变了过去人们在安全防范上认识及要求(在过去为了增强安全，仅仅是在建筑设施和人员上作些安排，如：安装防盗门或增加保安)，在管理上实现了安全、可靠、立体化、全天候安全防范。一般安全技术防范系统从外向内大体可以分为：周界报警系统(红外对射、震动或玻璃破碎报警)、出入口控制系统(大门、关键入口等)、闭路电视监控系统 (监视及图像复核)、楼内入侵探测报警系统(移动探测、红外探测、声音检测等)、监听系统、对讲系统、手动报警等。
1.3现场总线技术发展
根据国际电工委员会IECll58定义，现场总线是“安装在生产过程区域现场设备(仪表)及控制室内自动控制装置(系统)之间一种串行、数字式、多点通信数据总线”。
1.3.1现场总线技术产生
纵观控制系统发展史，不难发现，每一代新控制系统推出都是针对老一代控制系统存在缺陷而给出解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因推动下占领市场主导地位，现场总线和现场总线控制系统产生也不例外。
控制系统发展经历了从分散式到集中式，从模拟信号到数字信号发展过程，大致可以概括为：基地式监控系统、模拟仪表监控系统、集中式数字监控系统、集散监控系统DCS、现场总线监控系统FCS。
(1)基地式监控系统：早期控制系统由于当时生产规模较小，所采用仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法及外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场巡视，了解生产过程状况。
(2)模拟仪表监控系统：生产现场各处参数通过统一模拟信号送往集中监控室，操作人员可以坐在监控室纵观生产流程各处状况，可以把各单元仪表信号按需要组合成复杂监控系统。模拟仪表监控系统于二十世纪六七十年代占主导地位，其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。
(3)集中式数字监控系统：用一台计算机取代监控室几乎所有仪表盘，把多个变送器、执行器通过一对一连线连接到一台中央监控主机上，对工业设备进行直接数字监控。这就是“集中式”监控概念，由于当时数字计算机可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有监控回路瘫痪、生产停产严重局面。集中式监控系统于二十世纪七八十年代占主导地位，直接数字监控带来了集中管理、控制、监视、报警和收集历史数据等优点，同时也伴随着布线费用高、不便于扩展、危险集中、可靠性低等缺点。
(4)集散监控系统DCS：二十世纪八九十年代，随着计算机可靠性提高，价格大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器PLC、以及由多个计算机递阶构成集中分散相结合集散监控系统。这就是今天正在被许多企业采用DCS系统。DCS系统中，测量变送、执行器一般由模拟仪表完成，它们及位于监控室、实现控制计算、监视计算机一起共同构成监控系统，因而是一种其信号需在现场及监控室之间往返传递模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字监控系统有了很大进步，可实现现场装置级、车间级优化监控。但是，DCS系统存在互操作性差、接线复杂、维护困难、可靠性差等缺点。
(5)现场总线监控系统FCS(FieldbuSControlSystem)：现场总线出现促使传统监控系统结构发生变革，形成了新型网络集成式全分布监控系统一FCS。它顺应了监控系统向分散化、网络化、智能化发展方向。它用现场总线这一开放，具有可互操作网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。及传统DCS监控系统比较，FCS具有可靠性高、互换性、互操作性好、一对N结构、分散控制等优点。
1.3.2现场总线特点
基于现场总线自动化监控及信息集成系统是当今及未来控制系统主要模式，其主要特点有：
(1)系统结构高度分散性。现场总线构成了一种新全分散型控制系统体系结构，从根本上改变了现有DCS集中及分散相结合集散控制系统体系，简化了系统结构，控制站功能分散到现场仪表中，通过现场仪表可构成控制回路，实现彻底分散控制。提高了系统可靠性、自治性和灵活性。
(2)开放式、互操作性、互换性、可集成性。不同厂家产品只要使用统一总线标准、就具有互操作性、互换性，因此，设备具有很好可集成性。用户把不同制造商各种品牌仪表集成在一起，进行统一组态，构成它所需要控制回路，不必绞尽脑汁，为集成不同品牌产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。系统为开放式，允许其他厂家将自己专长控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业监控系统。
(3)系统可靠性高、可维护性好。基于现场总线自动化监控系统采用总线连接方式代替一对一I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点多造成不可靠因素。同时，系统具有现场总线设备再现故障诊断、报警、记录功能，可以完成现场设备远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统可维护性。
(4)降低了系统及工程成本。采用一对N结构，一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构也使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护方便。如果增加现场仪表或现场设备，只需并行挂到电缆上，无需架设新电缆。对大范围、大规模I/O分布式系统来说，省去了大量电缆、工/0模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
(5)对现场环境适应性。作为网络底层现场总线对现场环境有较强适应性，是专门为现场环境设计。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强抗干扰能力。
1.3.3现场总线发展趋势
虽然现场总线标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统发展却已经是一个不争事实。随着现场总线思想日益深入人心，以及基于现场总线产品和应用不断增多，现场总线控制系统体系结构日益清晰，具体发展趋势表现在以下几个方面。
(1)FCS将会在一定时期内成为主流控制系统。虽然在现阶段，FCS尚没有统一国际标准，而DCS则以其成熟发展、完备功能及广泛应用占据着主导地位，但任何新事物发生发展都是在对旧事物扬弃中进行。FCS是在DCS基础上发展起来，FCS顺应了自动控制系统发展潮流，它必将替代DCS，这已是业内人士共识。
(2)现场总线控制系统向全面数字化、网络化发展。这体现在位于现场传感器／执行器一级也全部实现数字化、智能化，它们彼此之间以及及控制器之间通过现场总线构成工业现场局域网络，进而连接到上层控制网、管理网甚至互联网，形成一个无所不在网络体系，信息可以在现场、车间、工厂及公司总部之间自由流动。
(3)现场总线控制系统网络结构向简单化方向发展早期模型由7层组成，现在Rockwell公司提出了三层结构模型，目前达成共识是3层设备、2层网络3+2结构：3层设备是位于底层现场设备，如传感器/执行器，以及各种分布式I/0设备等；位于中间层控制设备，如PLC、工业控制计算机、专用控制器等；位于上层操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2层网络是现场设备及控制设备之间控制网，以及控制设备及操作设备之间管理网。
(4)现场总线控制系统大量采用成熟、开放、通用技术在管理网通信协议上，越来越多采用流行TCP/IP协议，操作设备一般采用工业CP机甚至普通CP机，控制设备一般采用标准PLC或者工业控制计算机等。

第二章 LonWorks现场总线技术研究
2.1 LonWorks技术简介
Lon总线是美国Echelon公司推出局部操作网络，为支持Lon总线，Echelon公司开发了LonWorks技术。LonWorks技术使用开放式通信协议LonTalk，LonTalk协议最大特点是对0S1七层协议完全支持，是直接面向对象网络协议，这是其它现场总线所不支持。通过网络变量使各个节点之间数据传递变得简单可靠。神经元芯片(Neuron chiP)是LonWorks技术核心，它不仅是Lon总线通信处理器，同时也是作为采集和控制通用处理器。按照LonWorks标准网络变量来定义数据结构也可以解决和不同厂家互操作性问题。正是这些特点使LonWorks技术成为当今最流行现场总线之一，并且广泛应用于各种智能化管理系统。
LonWorks技术包括以下几个组成部分：
A.LonWorks通信控制处理器—神经元芯片(Neuron Chip)；
B.LonWorks通信协议—LonTalk；
C.LonWorks面向对象编程语言—Neuron C；
D.LonWorks技术是用于开发监控网络。
传感器和执行器
晶振
电源
神经元芯片
MC143150
I/O调理
收发器
LON总线
ROM

图2-1 典型LON节点方框图
2.2 LonWorks技术硬件组成
LonWorks技术是用于开发监控网络系统一个完整技术平台，并具有现场总线技术一切特点。LonWorks网络系统由智能节点组成，节点包括神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源。图2-1是一种典型LON节点方框图。每个智能节点可具有多种形式io功能，节点之间可通过不同传输介质进行通信，并遵守1S0/0S1七层模型协议。LonWorks技术包括监控网络设计、开发、安装和调试等一整套方法。
(1)通信控制处理器一神经元芯片(NeuronChip)
LonWorks技术核心是神经元芯片。神经元芯片是LonWorks技术核心器件。它是由美国Echelon公司研制一种集通信、控制、调度和I/O支持为一体
高级VLS工器件。该器件只授权美国MOTOROAL和日本TOSHBIA公司生产，机构和性能完全一致。通过对硬件和固件有机集合，芯片可以提供LNO网络节点需要所有关键功能。即处理所有LonTalk通信协议消息、传感信号输入和控制信号输出，存储和安装指定参数及程序，实现各种应用功能等。
表2-1 神经元芯片硬件配置比较表

MC143150
MC143120
MC143120E2
TMPN3120E2
处理器
3
3
3
3
RAM
2048
1024
2048
1024
ROM

10240
10240
10240
EEPROM
512
512
2048
1024
16定时器/计数器
2
2
2
2
外部存储器接口
有
无
无
无
管脚
64
32
32
32
神经元芯片主要包含3150和3120两大系列，3150芯片支持外部存储器，可进行软件扩展，适用于大型复杂系统；而3120本身带有Rom，为一完整最小系统，不支持外部存储器，它支持小型应用程序，适用于简单低成本系统。两种神经元芯片主要硬件配置资源如表2-l所示。可见，两种神经元芯片存储器配置是不同，3120不可外接ERPOM而3150则可以，因此它有外部数据线和地址线及少量控制线引脚。在两种芯片EEPRMO中存储有网络配置、编址信息以及神经元芯片唯一48位标识符Neuron ID(由生产厂商写入)，另外还有用户应用程序代码和只读数据。在两种芯片静态RAM中(K2和IK)，设有数据堆栈，存储有应用程序和系统数据，并开辟有LonTalk协议中网络缓冲区和应用缓冲区。
(2)处理单元
神经元芯片内部装有三个微处理器：媒体访问控制(MAC)处理器、网络(Network)处理器和应用(Application)处理器，结构如图2-2所示。
A. 媒体访问控制处理器：
媒体访问控制处理器完成介质访问控制(MdeiaAcCessCnotrol)，它控制IS0/0SI模型七层协议第一层物理层和第二层数据链路层，并可以驱动通信子系统硬件来完成碰撞回避算法。它和网络处理器之间通过使用网络缓冲区达到数据传递。
B.网络处理器
网络处理器完成1S0/0S1模型3-6层(网络层、运输层、会话层和表示层)网议，可完成网络变量进程、编址、处理事项进程、报文鉴定、软件定时器、网络管理和路由等功能。网络处理器使用网络缓冲区和媒体访问控制处理器进行通信，使用应用缓冲区和应用处理器通信。
通信接口
通信接口
网络缓冲器
应用缓冲器
MAC
处理器
Network
处理器
Applicatian
处理器

图2-2 神经元芯片三个处理器
C.应用处理器：
应用处理器实现网络协议中第七层应用层，执行用户代码和用户代码调用操作系统来进行工作。应用处理器通过共享存储器中应用缓冲区及网络处理器通信。除应用层需要用户编写外，其余六层都由固件来完成，用户可以不必关心网络底层事情，这些都由媒体访问控制处理器和网络处理器自动完成。
(3)存储器
MC3150存储器包括：512字节EERPMO用来存放网络配置和地址表，48位神经元功码，2048字节RMA包含堆栈段、应用程序和系统程序数据区、LonTalk协议应用缓冲区和网络缓冲区。神经元芯片有一个时间计数器具有完成watchdog、多任务调度、定时功能。神经元芯片支持节电方式，在这种方式下系统时钟和计数器关闭，但是状态信息，包括RAM中信息不会改变，一旦I/0状态变化，系统就会激活神经元芯片仁。
(4)输入输出
神经元芯片三个处理器及片内存储器、网络通讯接口、定时/计数器、I/0口驱动电路通过16位地址总线和8位数据总线相连。芯片内部结构示意图如图2-3所示。神经元芯片和其它设备连接是通过它11个I/O口-I00-I010。这些管脚可以根据不同外部设备I/0要求，灵活配置输入输出方式。I04-I07可以通过编程设置成上拉；I00-I03带有高电流接收；I00-I010带有TTL标准迟滞输入；I00-I07带有低电平检测锁存。
神经元芯片专用编程工具NeuronC提供I/0定义，可以将11个I/0配制成不同I/0对象；通过函数io_in()和i0_out()对定义I/0进行输入输出操作。神经元芯片n个I/0引脚提供四类34种I/O对象。通过引脚不同配置，为外部硬件提供灵活接口，实现不同I/O对象。这四类I/0对象为：直接I/0、并行I/0、串行I/O、定时/计数I/O。
片内
存储器
介质访问
CPU
网络
CPU
应用
CPU
AB
DB
时钟
与控制
多功能I/O口
网络
通信口
…
…
…
IO.0…IO.7 IO.8,9,10 CP.0…CP.4

图2-3 MC143150芯片内部结构
(5)LonWorks通信介质
Lon总线一个非常重要特点是它对多种通信介质支持。使用最广泛
是双绞线，其次是电力线，其它包括无线、红外、光纤、同轴电缆等。下表2-2列出了几种典型收发器。
表2-2 Neuron芯片典型收发器类型
收发器
波特率
EIA一485
300bps一1.25bps
自由拓扑和总线型双绞线
78kbps一1.25mbps
电力线（载波）
4kbps
电力线（扩频）
10kbps
无线（200MHZ、450MHZ、900MHZ）
1200bps, 4800bps, 78kbps
红外
78kbps
光纤
1.25mbps
同轴电缆
1.25mbps
Neuron芯片为适合不同通信介质，可以将五个通信管脚配置成三种不同接口模式，以适合不同编码方案和不同波特率，这三种模式是：单端、差分和专用模式。在单端模式和差分模式工作时，通信端口使用曼彻斯特差分编码技术对发送和接收数据进行编码和解码。这种编码在每一位起始时刻总有一次跳变，而“l”和“0”差别在于“0”在中间位置多一次跳变。这种编码方式有利于在接收端从数据流中提取发送端时钟信息而不需专用时钟线。差分模式主要用于连接带隔离变压器双绞线网络收发器。单端模式则可用于光纤、同轴电缆或无线射频收发器。专用模式时，CPZ和CP4分别输出位和帧同步信号，可用于和用户设计智能型网络收发器连接，便于用户任意构成自己所需要方式，这样就大大提高了神经元芯片在通信方式上灵活性。
Neuron芯片可支持多种通信介质。如双绞线、无线、红外、光纤、同轴电缆等所支持网络拓扑也各有不同，如图2-4所示。在各种通信介质中，双绞线以其高性能价格比而应用最为普遍。
a）端接器总线拓扑
b）双端接器总线拓扑
B
c）星型拓扑
)
）
d)环型拓扑
为端接器
e)混合拓扑图

图2-4 网络拓扑类型
Echelon公司提供FTT-10A双绞线变压器祸合收发器支持总线型和自由拓扑型。其抗干扰能力强，可承受持续时间为6051000V电压，采用总线拓扑网络最长可达2000m，采用自由拓扑网络最长可达500m，满足一般工业应用，而且组网灵活。
LonWorks网络通信速率根据时钟频率不同和传输介质差异而不同，最高可达1.25MbPs，最低可达0.6KbPs。数据传输持续吞吐量为600包/s，在1.25MbpS时最高可达1000包/s。对于差分模式可以有40mA电流输出来驱动双绞线网络，另外可选用冲突检测输入信号以保证通信可靠性。
(6)路由器
每个节点都需要物理地连接到信道(Chnane)上。信道是数据包物理传输介质。网络由一个或多个信道组成，不同信道通过路由器相互连接。路由器是连接两个信道并控制两个信道之间数据包传送器件，用来连接两个通信通道之间LonTalk信息。它能支持从简单到复杂网络连接。路由器用于：
A.扩充通道容量。由于节点收发器负载都是有限，这就决定了每一通道节点和通道长度都是有限。我们可以使用路由器来扩充网络容量。
B.连接不同通信介质或波特率。不同通道使用不同介质，使用路由器可以使这些节点透明通信，就如同它们安装在同一个通道之中。
C.提高Lon总线可靠性，全面提高网络性能。连接到一个路由器两个通道在物理上是相互隔离，因而一个通道失效并不影响其它部分工作。
2.3 LonWorks通信协议LonTalk
LonWorks技术所使用通信协议称为LonTalk协议。LonTalk协议遵循由国际标准化组织(IS0)定义开放系统互连(0SI)模型。以IS0术语来说LonTalk协议提供了0SI参考模型所定义全部七层服务。除了LonTalk协议以外还没有哪一个协议宣称它能够提供0SI参考模型所定义全部七层服务，这是技术先进性之一，也是LonTalk协议区别于其它各种协议重要特点。LonTalk协议支持以不同通信介质分段网络。LonTalk协议支持介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。其他许多网络只能选用某种专用介质。而LonWorks网络可以同时使用上述各种介质，这是技术先进性之二。
(1)LonTaIk协议特点
LonTalk协议是为LON总线设计专用协议，和商用网络通信协议不同，它具有以下特点：发送报文都是很短数据(通常都是几个到几十个字节)；网络上节点往往是单片机；通信带宽不高；多节点，多通信介质；可靠性，实时胜。
(2)LonTaIk七层协议
LonTalk是IS0组织制订0SI开放系统互连参考模型七层协议一个子集。包容了Lon总线所有网络通信功能，包含一个强大网络操作系统，通过其提供网络开发协议形成固件，可使通信数据在各种介质中非常可靠传输。由于LonTalk协对0SI七层协议支持，使Lon总线能够直接面对对象通信，具体实现就是采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间通信。实现只是通过网络变量互相连接就可完成。下表2-3是LonTalk和0SI七层协议比较。
表2-3 LonTalk和0SI七层协议比较
OSI层次
标准服务
LON提供服务
处理器
应用层
网络应用
标准网络变量类型
应用处理器
表示层
数据表示
网络变量、外部帧
网络处理器
会话层
远程遥控操作
请求/响应，认证
网络处理器
传输层
端对端可靠传输
应答，非应答，点对点，广播
网络处理器
网络层
传输分组
地址，路由
网络处理器
链路层
LLC子层
帧结构
帧结构，数据解码，CRC错误校验
MAC处理器
MAC子层

P预测CSMA，碰撞规避，优先级
MAC处理器
物理层
电路连接
介质，电气接口
MAC处理器
(3)LonTalk协议寻址方式和网络地址结构
LonTalk地址唯一地确定了LnoTalk数据包源节点和目节点。同时路由器也使用这些地址来选择如何在两个信道间传输数据包。为了简化路由，LonTalk协议定义了一种使用域(Domain)、子网(Subnet)、节点地址(NodeAddresses)分层式逻辑寻址方式。图2-5为分层寻址示意图。这种寻址方式可以用来寻址整个区、一个单独子网、或者一个单独节点。使用逻辑寻址同时也简化了在一个功能网络中替换节点过程。这是因为替换节点被赋予了及被替换节点相同逻辑地址。因此网络上任何引用这个节点逻辑地址应用都不需要加以改变。
第一层结构是域：域是一个或多个信道上节点逻辑集合。通信只能在配置于同一个域中节点之间进行。因此域形成了一个虚网络，多个域可以使用相同
域
子网
子网
节点1
节点2
节点127
节点1
节点2
节点127

图2-5为分层寻址示意图
信道，所以域可以用来防止不同网络上节点间互相干扰。域是通过DI来标识，可以将域ID配置为0，1，3或6个字节，长度为6个字节域ID可以保证域ID是唯一。然而6个字节域ID为每个数据包加了6个字节开销，使用较短域功可以减少这个开销。这可以根据实际需要不同由系统安装者决定。域结构可以保证在子域通信是彼此独立。当不同应用节点共存在同一个通信介质中，如无线电，不同域区分可以保证它们应用完全独立，彼此不受干扰。第二层结构是子网：一个子网是一个域内节点逻辑集合。一个子网最多可以包括127个节点，在一个域中最多可以定义255个子网，在一个子网内所有节点必须位于相同段上，子网不能跨越智能路由器。如果将一个节点配置为属于两个域，那么它必须同时属于两个域上一个子网。第三层结构是节点：子网内每一个节点被赋予一个在该子网内唯一节点号。这个节点号为七位，所以每个子网可以有127个节点，这样在一个域中最多可以有32385个节点(255个子网*127节点〕。到目前为止这是测控网络能够提供最大节点数。任一节点可以分属一个或两个域，允许一个节点作为两个域之间网关，也允许一个节点将采集数据分别发向两个不同域。另外，每一个神经元芯片有一个48位DI地址，这个地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定。一般只在网络安装和配置时使用。一个通道是指在物理上能独立发送报文一段介质。LonTalk规定一个通道至多有32385个节点。通道不影响网络地址结构。域、子网都可以跨越多个通道，一个网络可以由一个或者多个通道组成。通道之间是通过桥连接器来连接。这样不仅可以实现多介质在同一网络上连接，而且使一个通道网络通信不至于过于拥挤。
(4)LonTaIk协议MAC子层
目前在不同网络中存在多种介质访问控权协议，其中之一就是CSMA(CarrierSenseMultipleACceSS载波信号多路侦听)。LonTalkMAC是该协议一种改进。对于CSMA协议，在轻负载情况下具有较好性能，但是在负载比较严重情况下，一个数据包在发送，可能有很多网络节点在等待网络空闲，一旦数据包发送完毕，这些等待节点都会马上发送报文，由于是同时发送，必然会产生碰撞，产生碰撞之后，由避让算法会让它们等待一段时间再发送，但是重复碰撞仍然会发生。LonTalk协议使用改进CSMA介质访问控制协议，称为带预测P坚持CSMA(predietivep-presistentCSMA)协议。它在保留es以优点同时，采用了所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效避免了网络中频繁碰撞。每一个节点发送前随机插入O-W个很小随机时间片，W根据网络积压参数进行动态调整。
(5)LonTaIk协议链路层
LonTalk协议链路层提供在子网内帧无响应传输。它提供错误检测能力，但不提供恢复能力。当一数据帧CRC校验出错，该帧被抛弃。
在直接互连模式下物理层和链路层接口编码方案是曼切斯特编码；在专用模式下根据不同电气接口采用不同编码方式。
(6)LonTaIk协议网络层
在网络层上，LonTalk协议提供给用户一个简单通信接口，定义了如何接
收、发送、响应等。网络管理网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、路由器机制也是在这一层实现。
(7)LonTaIk协议传输层和会话层
LonTalk协议核心部分是传输层和会话层，传输层管理着报文执行顺序、报文二次检测。会话层主要提供请求和响应机制，它通过节点连接，来进行远程数据服务，因此使用该机制可以遥控远程节点。
(8)LonTaIk协议表示层和应用层
LonTalk协议表示层和应用层提供以下几类服务：
A：网络变量服务。当定义为输出网络变量改变时，能自动把网络变量值向下发送，使所有把该变量定义为输入节点收到该网络变量改变。
B：显示报文服务。把报文目地址、报文服务方式、数据长度和数据下传并发送。当收到信息后，显示报文。
C：网络管理服务。能够分配所有节点地址，进行节点查询、节点测试和设置路由器配置表。
(9)LonTaIk协议报文服务
LonTalk协议提供了四种类型报文服务，除了请求、响应是会话层实现，其他三种都在传输层实现。
A.应答服务也被称之为端对端应答服务，它是可靠服务类型，当一节点发送报文到另一个节点，每一个接收到报文节点都分别向发送方应答，如果发送方在应答时间内没有收到全部应答，则发送方将重新发送报文。报文应答服务是由网络处理器完成，不必由程序来干预。
B.请求、响应
和应答服务一样，请求、响应服务也是可靠消息服务，当一节点发送报文到另一个节点，每一个接收到报文节点都分别向发送方应答，如果发送方在应答时间内没有收到全部应答，则发送方将重新发送报文。响应可包含数据，是由应用处理器完成，适合于远程调用和客户、服务器方式应用。
C.重发服务
当一节点发送报文到另一个节点，不需要每一个接收到报文节点都分别向发送方应答。而采用重复发送报文方式。这种方法适用于节点较多广播发送，从而避免过多节点响应造成阻塞。
D.非应答方式
当一节点发送报文到另一个节点，不需要每一个接受到报文节点都分别向发送方应答，也不采用重复发送报文方式，只发送一次即可。这种方式是用于对可靠性要求不高，但需要速度较快报文。
2.4 本章小结
本章主要介绍了LonWorks核心技术，对神经元芯片结构及功能、LonTalk协议有关细节、以及LonWorks技术开发工具：NodeBuilder和LonBuilder等进行了详尽叙述。

第三章 基于现场总线技术安全技术防范系统总体设计
总体设计十分关键。一个良好总体设计将减少很大工作量，使得具体设计可以条理清晰、层次分明地进行，达到预期效果并避免大工作量返工。本章以博物馆安全技术防范工程实际项目为基础，进行了基于现场总线技术安全技术防范系统总体方案设计。
3.1设计原则
系统总体设计应当遵循一定原则。总体设计一般原则是：
(1)系统成熟性。即采用技术和产品是经过多次实际考核。采用后，安装、调试完毕后，即能正常运行。
(2)系统经济性。达到功能而其价格是能承受，或者说同类产品中，价格是最优惠。
(3)系统开放性。即它具有兼容性，很容易扩展和在今后虽然技术发展了，其资源仍具有可利用价值。
(4)系统可操作性。人机界面友善，符合人机工学原理，错误操作自动保护。
(5)系统可用性。即出故障概率非常小，出故障后，停车维修时间很短。
(6)系统先进性。在进行设计当时所采用技术是先进，以保证在相当一段时间内，系统不致被淘汰。在保证成熟性和经济性前提下，尽可能先进。
(7)系统高效率性。系统实时响应能力，通信速率，网络吞吐能力。
3.2设计步骤
进行现场总线系统总体设计时应当充分考虑好以下几个方面：
(1)系统分析
系统分析包括两个方面：
A、系统结构分析。整个系统应当采用什么结构，分几个层次，各层次之间如何接口。另外，采用简单单层网络是否可以满足地理分布及实时性要求，是否需要中继器或者网桥。
B、系统功能分析。主要是应当定义好各节点功能，确定各节点检测或控制量数目、类型、信号特征，原则是尽量避免重复测试。
(2)系统开发方法及产品或器件选择
市面上有很多性能优良总线产品，采用这些产品来设计开发总线系统是不错选择。也可以自行设计现场总线系统接口部件，则要选择好各节点控制器类型和相应适配元件。由于通常各测控节点功能相对单一，数据量少，因此对CUP要求较低，一般采用8031系列单片机即可满足要求。上位机总线适配器或节点接口卡器件主要有总线收发器和I/0器件。例如可采用FTT-1A0双绞线收发器。
(3)LonWorks总线及TCP/IP接口方案
LonWorks总线及TCP/IP连接方法有两种：通过一个转换器及TCP/IP串行口相连接；或者采用适配器。当需要交换数据量较大时，宜采用后一种方法。
(4)传输媒体和布线方案选择
按照总线物理层协议选择介质，设计布线方案，连接成LonWorks网络。为进一步提高系统可靠性，需要考虑系统冗余设计。例如，可设两套双绞屏蔽线，在两套介质上同时进行信息传输，接收方仅用一个介质。在冗余及非冗余段连接临界处进行总线切换。LonWorks总线系统主要包括PC机或工控机、LonWorks适配器(或者外置LonWorks/RS232协议转换器)和若干个LonWorks网络节点。选用CP机可以充分利用现有软件工具和开发环境，实现强大监控、管理功能。网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构比环形结构信息吞吐率低，但结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。选用LonWorks总线连接各个网络节点，形成一个局域网，信息传输采用LonTalk通信协议。传输介质可采用双绞线，如果需要进一步提高系统抗干扰能力，可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用DC-DC变换器等措施。
3.3系统总体设计方案
按照上述介绍设计原则和步骤，通过分析以往安全技术防范系统设计方案存在缺点，本文设计了一种基于现场总线技术安全技术防范系统方案。
(1)分布式体系结构存在缺点
根据用户对安全技术防范系统管理功能不同要求，构成安防系统方案也相应有所不同