核心提示：介绍LonWorks技术的产生与发展历程，描述Lonworks的核心技术及节点设计方法及行业应用。
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一、Lonworks技术的产生与发展脉络
美国Echelon公司于1992年推出Lonworks技术，它开创了控制系统网络化的新纪元。它是把系统中的一次元件，如传感器、执行元件、断路器等，通过基于LonTalk协议采用自由拓扑结构方式把控制单元连接成开放的测控网络。LonWorks网络符合国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联（OSI）模式。
LonWork是点对点双向通信的单层、分布式控制网络。它追求网络的全面控制，包含了传感器总线、设备总线和现场总线三层意义，实用性很强，是理想的现场实时控制网络。LonWork技术最这主要的优点是可以实现互操作。全球数百家重要厂商组成了LonMark 互操作协会，通过全面定义LonWork实施办法，使每个技术细节都有标准化文件的严密规定。按照这样标准生产的产品，可以实现互操作。
LonWorks技术开始从工业自动化发展，逐步应用于智能建筑、交通运输、电力、煤矿、智能家居等，它的开放性、互操作性、高可靠性、无中心检测等突出优点，已被世人公认是当今智能建筑控制系统的主流技术。
LonWorks技术具有一个完整的开发系统平台，包含着所有设计、配置和支持控制的元素，LonWorks技术组成包括硬件部分和神经元（NEURON）芯片和LonTalk通信协议。LonWorks网络的基本单元是节点，网络节点也是监控模块，利用一根总线可将系统所有的监控模块连接起来，每个监控模块是由神经元心片、电源、一个通过媒介通信收发器和被监控设备接口的I/O电路组成，监控模块能够处理大量信息，对被控设备实时监控和调节，由于监控模块设置在被控设备附近，线路结构变得简化，布线数量减少，实现真正的分布系统，使整个系统的可靠性大为提高。由于LonWorks系统扩展能力强，如增加控制设备，只需在总线上增加节点，就可以实现系统的扩展，由于系统的开放性，可实现不同厂商器件的互操作、互相替换，为系统的技术升级提供了多种手段。
二、Lonworks技术的特点
Lonworks技术通过基于LonTalk协议采用自由拓扑结构方式把控制单元连接成 开放的测控网络，这个网络符合国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联（OSI）模式。其具有开放性、互操作性、控制节点间可采用多种媒体连接进行通信、可靠性高、应用编程采用高级语言，并且符合国际标准等特点。
开放系统概念就是使用开放系统相互连接（OSI）基准模型（块）以发展计算机通信标准。OSI模型是建立在七层协议基础上，作为一个起始点以发展计算机通信标准。每层都有一定等级功能，具有规定的高层或低层的接口；为提供一定功能通信标准，并不一定所有的层都需要。当与很好定义的程序模块连接时，该模块定义了数据意义及格式，OSI模块将提供一个多卖主相互操作的高水平工具。一个典型的开放系统结构可以应用在工业和商业的控制系统上，按照布置，所有的开放系统元件，使用标准协议作为本系统语言，无需翻译，可以相互通信。
国际标准化组织（ISO）的ISO7498所定义的开放系统互连模型OSI作为通信网络国际标准化的参考模型，它详细描述了软件功能的七个层次。
1、物理层
物理层的下面是物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，物理层为用户提供建立保持和断开的物理连接功能，如：RS232C、RS422/RS485。物理层用以实现两实体间的物理连接，传送二进制码bit码,本层处理与电、机械、功和过程有关的各种特性，以使建立、维持和折除物理连接。
2、数据链路层
数据链路层在物理层提供的bit码服务基础上，用以建立相邻节点之间的数据链路，数据以帧为单位传送，每一帧包含一定数量的数据和必要的控制信息，如：同步信息、地址信息、差错控制和流量控制信息。数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上，实现差错控制，数据成帧同步控制。
3、网络层
网络层用在通信子网中传输信息，包括报文分组（具有地址标识和网络层协议信息格式化信息组）报文包组塞的处理和通信子网内路选择和拥挤控制。
4、传输层
传输层的信息传送单位是报文Message（一个报文可分成若干个报文分组），它的主要功能是差错控制、顺序控制、流量控制、管理多路复用和连接支持，在网内两实体间提供一个可靠的端对端（end—to—end）数据传送服务。
5、会话层
会话层用在两实体之间建立通信联系，管理和折除会话连接方法，其功能是支持通信管理和实现最终用户"应用" 应用进程之间的同步，按正确的顺序收发数据、进行各种对话。
6、表示层
表示层用于应用层信息内容的形式交换，如：数据加密/解密、信息压缩/解压和数据兼容，把应用层提供的信息转换成能够相互理解的方式，本层执行通用数据交换功能，提供标准应用接口、公共通信服务。
7、应用层
应用层作为OSI的最高层，为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准，并负责应用管理执行应用程序，本层为用户提供开放系统互连环境的各种服务，管理和分配网络资源建立应用程序。
三、LonWorks的核心构成
Lonworks网络是采用神经元芯片技术，在OSI七层协议上实现的控制网络。其神经元芯片和LonTalk 网络协议是Lonworks技术的核心。
1、神经元芯片
神经元芯片（NeuronChip ）使用CMOCLSI 技术，神经元芯片高度集成，使用它需要的外部器件最少！其芯片内有3 个8位CPU 。
Neuron芯片MC143120和MC143150，主要应用于使用LonWorks技术的自动检测与控制系统中。Echelon公司已经为使用LonWorks技术和上述两种芯片设计出了一套完整的开发工具和软件。许多OEM公司，为LonWorks技术的具体应用、方便用户更快地将此技术应用于楼宇自动化和工业控制工程项目中，设计了多种通用或专用的基于Neuron芯片的智能检测和控制节点。这些都为LonWorks技术的普及和应用提供了极为方便的条件。
MC143120和MC143150两个芯片都实现了与OSI参考模型兼容的LonTalk通信协议。它们之间的不同之处在于它们的存储器配置的类型及容量，前者主要用于造价较低、范围较小的应用场合。而后者可应用于较复杂的应用环境和具有较高要求的系统中。两个芯片内部都包括三个处理器，两个用于通信，一个用于执行应用程序。Neuron芯片所提供的各种I/O接口，都可以很简单地用高级语言来调用，以实现各种传感器、执行器、定时及计数等设备的连接。
2、LonTalk协议
LonTalk协议遵循由国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI 模型，协议提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。LonTalk 协议支持多种传输介质，它包括一个可选的网络接口协议，该协议支持在任何主处理器上运行LanTalk 。主处理器可以是任何微控制器，计算机或微处理器。
LonTalk协议分为七层。每一层都是面向控制网络的，并和OSI参考模型一致。LonTalk协议是嵌入Neuron芯片内部固件中的，它是使用LonWorks技术组网的基础。Echelon公司提供的开发系统可以帮助我们利用各种基于Neuron芯片的智能节点很容易地使用LonTalk协议组成一个智能分布式控制网络。
LonTalk协议提供各种服务以加强可靠性。如16位CRC，对接收方端到端的应答，Watchdog定时器，片内E2PROM内容的校验和保护、失败报文的通告以及每个节点分组错误的记录等。另外协议还提供鉴别服务以满足发送者的有效识别。在鉴别服务中，通过由收发方使用的传输关键字来实现数据的保护。
由于LonTalk协议是在芯片内部的，所以用户不必担心它的一致性。这样用户可以不必花费大量的时间，来建立其内部的标准。正是由于它的这一特性，使得它可以以很小的代价，适应于各种不同的应用场合。
在LonTalk协议中网络流量的预测和避免拥塞的方法，使得在最坏情况下的响应时间得到了控制。为报文提供优先级的方式，可以大大提高高优先级报文的响应时间，其支持高达1.25Mbps的传输速率，并可支持各种实时的应用。
LonTalk协议的高层——应用层协议的数据称为网络变量。它可以是任何单个的数据项，也可以是结构数据。应用程序的设计者只需使用关键字“NETWORK”来定义这些变量，那么在网络中的任何节点都可与之相联系。例如，一个网络变量定义为“OUTPUT”，一旦此变量在节点中被赋于一个新值，在Neuron芯片内的固件就会自动地将其发送出去。这意味着应用程序设计者不必关心缓冲管理、报文初始化、报文分析和错误处理等。
四、LonWorks系统的设计
采用LonWorks网络使得从封闭的依赖于单个厂商的控制系统到完全可以互操作的智能楼宇自动化系统的转变成为现实。作为智能楼宇自动化产品的开发者，或系统集成者，可以以LonWorks技术为依托，开发LonWorks兼容的通用智能控制节点，各种专用节点，以及各种智能传感器、执行器；也可以从LonWorks兼容的不同OEM厂商的硬件和软件中按照应用的要求配置，灵活选用，完全没有必要依赖于单一的货源。
1、智能节点设计
使用LonWorks技术组成的自动控制网络中，检测、控制点可分为四类，即数字量(开关量)输入/输出，模拟量输入/输出。在节点设计时，可以根据应用要求和器件能力，选择各种输入输出的优化组合，形成系列产品。
（1）数字量(开关量)输入节点
数字量(开关量)输入节点主要用于检测外部数字信号和具有开关状态的信号，比如检测继电器的闭合状态，某些开关的状态，电平信号的输入等，这类节点在设计过程中主要考虑的问题是如何将各种各样的数字量和开关量转换成Neuron芯片能够接收的信号，并且这类信号在输入通道上要加光电隔离器，以提高节点运行的安全性和可靠性。
（2）数字量输出节点
在LonWorks网络中，很多的控制机制都是通过数字量输出节点来完成的，比如继电器的驱动，各种显示器的驱动等。在设计这类节点时，主要是要解决外部高电压、大电流的提供问题。在电路中，同样也需要进行光电隔离，来提高节点的可靠性和安全性。
（3）模拟量输入节点
模拟量输入节点主要用于采集网络中的模拟信号。由于模拟信号种类繁多，如电压信号、电流信号等，而这类信号根据应用的场合和使用的传感器不同，其范围也不尽相同，如电压信号可以是0～5V、0～10V、－5～＋5V、－10V～＋10V，电流信号可以是0～10mA，4～20mA等，所以模拟量输入节点的前端应增加信号整理电路，以使这些信号处于一个合理的范围内，便于采集。
由于Neuron芯片所提供的I/O接口只有11个引脚，所以在节点的设计中，大多都采用串行接口的A/D转换器，而Neuron芯片中的IO8～IO10提供了标准的SPI总线，为串行A/D到Neuron芯片的连接提供了方便条件。当然为了在节点中进一步提高数据采集速度，也可以使用并行接口的A/D器件，只是这种器件连接到Neuron芯片时，要使用较多的I/O口。另外在节点中使用串行A/D器件可以比较容易地实现光电隔离、而在使用并行A/D时要实现光电隔离，由于速度和使用数量等方面的原因比较困难。
在进行模拟输入节点的设计时，还可以使用其他类型的A/D变换形式，比方说在A/D速度要求不高，精度要求较高的场合可以使用V/F变换来实现模拟量到数字量的转换。
（4）模拟量输出节点
模拟量输出节点对于驱动某些控制设备是必需的，比如步进马达的控制、一些调节阀的控制等。和模拟量输入节点一样，在这类节点中使用最多的还是串行的D/A变换器件。根据所控制对象的不同，可能要求模拟量输出节点提供不同的信号，如电压信号、电流信号等，所以在实际的设计中，要增加输出信号整理电路。
2、节点设计中的抗干扰措施
过程通道是前向接口（A/D等），后向接口(D/A等)与Neuron芯片或Neuron芯片之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素。随着系统主振频率越来越高，系统过程通道的长线传输越来越不可避免。例如，按照经验公式计算，当主机主振频率为1MHz时，传输线大于0.5m或主振为4MHz时，传输线大于0.3m,即作为长线传输处理。
为保证长线传输的可靠性，主要措施有光电耦合隔离、双绞线传输、阻抗匹配等。比如在上述的节点设计中，一般都增加了光电隔离电路，一方面提高了节点的安全性，同时也增加了节点的抗干扰能力。在LonWorks网络中传输媒体大多使用双绞线，它保证了信号传递的质量，从而可以使信号传送到足够远的地点。另外在使用双绞线时，网络端点的阻抗匹配也是影响信号质量及传输距离的重要因素，在设计网络时要格外注意。
3、通信类型
采用何种通信媒体(双绞线自由拓扑结构、信道电源线、供电线、无线)，要根据实际的需要和可能考虑。一般来说，双绞线自由拓扑结构成本较低；信道电源线在需要使用电池或备用电源时比较适合；供电线在装修改造的工程中可能比较经济；无线在无法使用其他通信媒体时(例如无法连线时)提供解决办法。在考虑通信类型时，还需要考虑是否需要采用路由器、网桥或重发器。
4、网络结构设计：
确定每一个控制节点的位置，网络中使用节点的数量，及路由器、网桥和重发器的数量，网络的构型，即是否要有多个域(Domain)、子网(Subnet)、组(Group)，哪些节点属于哪个域和组。还有人机界面，是否采用主监控PC等。智能控制节点的组网方式一般有两种：一种是分层结构方式(两级或三级网络)，即智能控制节点经由网络控制单元，或区域控制计算机组成控制网络，然后与PC局域网(信息管理网或企业网络)相连。另一种是单层结构方式(一级网)，即智能控制节点直接组成对等层点到点(peer－to－peer)通信的分布式控制网络。网络中的所有节点(包括实施监控的PC)在网络中都处于同等的地位。LonWorks是这种单层结构控制网络的典型代表。
分层结构方式源于计算机技术发展的历史：传统的主机—小型机—微机三级网络结构在企业网络中几乎到处可见。如今客户机/服务器的局域网以及加上路由器/网桥组成的局域或广域网正在取代传统的分层结构网络。通信和计算机网络技术的发展使控制网络显得相对落后，但采用一级网络结构的分布式控制系统在楼宇自动化和工业自动化领域已经使用，并正在成为控制网络发展的潮流。
