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浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
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引言
目前，现场总线技术在数据采集与监控系统（SA）、工业控制、楼宇自动化、智能交通等领域得到了广泛的应用。作为目前流行的现场总线技术之一Lonworks，以其**的特点在国内的应用也越来越广泛。本文通过Lonworks技术和无线通信的**结合，设计并实现了一种功能较强、可扩展性好、安装方便的数据采集与监控系统。
系统总体结构设计
根据数据采集与监控系统的要求、Lonworks现场总线技术的特点以及数据采集与监控节点的现场环境，系统选用三级通信结构（如图1示）。根据需要本设计采用Lonworks网络作为整个系统的主要通信方式之一，来组建整个SA系统。**级通信出现在上位管理计算机与Lonworks网络之间。实现二者之间的通信方式有多种，但是考虑到现成设备的高昂价格，本设计利用自行设计开发的LON—PC机ISA接口卡来实现上位管理计算机与Lonworks网络之间的数据交换；*二级通信实现Lonworks网络上智能节点之间的信息交互；*三级通信网络是实现现场信息无线的关键。现场信息传递到Lonworks网络有两种不同的方式，一种是直接利用Lonworks智能节点进行现场信息的，还有一种是通过无线通信将现场信息传送至Lonworks网络，这是本文讨论的重点。
系统的总体结构主要由以下几部分组成：主控机，LON—PC机ISA接口卡，Lonworks无线通信模块，单片机数据采集模块，Lonworks数据采制模块。总体结构框图如图1所示。
为了实现人机界面，并通过LON—PC机ISA接口卡向Lonworks总线上的其他模块（Lonworks无线通信模块或Lonworks数据采制模块）发送控制命令或接收来自这些模块转发的采集数据，系统设计采用VC++开发了一套简单实用的管理软件。该软件可以方便的对LON—PC机ISA接口卡进行读写操作，并将所得数据在界面进行显示的同时进行存储。
LON—PC机ISA接口卡的设计，采用IDT7024双口RAM来实现Lonworks神经元芯片与计算机ISA端口之间的数据交换。
现场信息的无线传输是通过为Lonworks智能节点和单片机数据采集模块分别添加设计nRF401无线通信电路来实现的。后面将对这两部分电路的设计进行详细介绍。
Lonworks无线通信模块主要接收总线上来自主控机的控制命令，通过射频通信控制数据采集模块进行数据采集或发送控制信号，并将来自采集模块的数据转发至Lonworks总线上。
现场信息的主要由Lonworks数据采制模块和单片机数据采集模块完成。Lonworks数据采制模块直接接收总线上来自主控机的控制命令，并按命令进行数据采集、转发（转发至Lonworks总线）或对现场执行机构发送控制命令。而单片机数据采集模块则通过射频通信接收控制命令，并依据命令内容完成数据采集、转发（通过射频无线通信）或对现场执行机构发送控制命令等功能。
系统无线通信的设计与实现
无线通信的实现是整个系统设计的关键。本系统分别为Lonworks智能节点和现场单片机数据采集模块设计添加了无线通信接口以完成此部分功能，具体设计如图2所示。
Lonworks无线通信模块设计
Lonworks无线通信模块电路中FT3150芯片定义IO8、IO10为异步串行对象，用来接收和发送来自nRF401的数据。IO1～IO3作为通信的控制端。
数据采集模块的硬件框图如图3所示。AT89C52单片机也通过异步串口与nRF401通信，并用P1.1、P1.2、P1.3口作为通信的控制端。
在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通信控制器根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。
无线通信电路设计时应注意以下问题：通信的可靠性、抗干扰性是无线通信电路设计所要解决的主要问题。因而需对整个电路的PCB设计进行全局考虑。整个PCB板采用4层电路板设计，增加电源层和地层，并在上、下表面进行敷铜处理，以提高整个电路的抗干扰性。模拟部分与数字部分电路尽量分开；采用特性较好的钽电容组成LC滤波电路，对nRF401的VCC进行专门的滤波处理；nRF401和主控制芯片共用晶振，因而要十分注意晶振电路的走线，尽可能的短并远离数据线、控制线；无线射频电路的所有元件以nRF401为中心并紧靠其摆放，其中VCO电感的布局对通信效果有着明显的影响，匹配网络的元器件较好靠近nRF401的ANT1和ANT2，以减小杂散电感和杂散电容；最后，系统还采用了高增益天线来提高通信的距离。
系统软件设计
整个系统的软件部分主要分为四大部分：主控机上位机软件、LON—PC机ISA接口卡程序、Lonworks无线通信模块程序以及数据采集模块程序。
上位机软件采用VC++语言编写，主要完成通过人机界面的设计，从ISA口接收采集数据或发送控制命令。LON—PC机ISA接口卡程序采用Neuron C并口编程，从而实现FT3150与ISA总线上的数据交换。下面主要对系统无线通信部分程序进行详细的介绍。
无线通信程序设计
在设计程序时，要注意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率较高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。
Lonworks 无线通信模块程序采用Neuron C语言编写，程序运行采用事件触发方式。通过网络变量把节点间数据的共享变为简单的网络变量连接。本系统采集模块采用中断方式实现串口通信，以提率。单片机串口中断服务程序流程和Lonworks 无线通信模块的通信流程图分别如图4、5所示。
软件编程应注意的问题
首先，为了保证nRF401的正常工作，软件上应当注意在控制nRF401进行状态转换时进行适当的延时处理，因此单片机程序中需分别设计相应的延时函数。而在FT3150中通过调用DELAY（）函数便可进行适当的延时。
其次，为了保通信的可靠性，通信协议应在软件实现上对传输的数据进行相应的编码处理，即为传输数据增添特殊的数据头，具体的编解码过程由于篇幅有限不做详细描述
ＢＡＣｎｅｔ采用面向对象技术，借此提供一种表示楼宇自控设备的标准。在ＢＡＣｎｅｔ中，对象就是在网络设备之间传输的一组数据结构，网络设备通过读取、修改封装在应用层ＡＰＤＵ中的对象数据结构，实现互操作。ＢＡＣｎｅｔ目前定义了１８个对象，如表１所示，每个对象都必须有三个属性：对象标志符（bbbbbb＿Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）、对象名称（bbbbbb＿Ｎａｍｅ）和对象类型（bbbbbb＿Ｔｙｐｅ）。其中，对象标志符用来一标识对象；ＢＡＣｎｅｔ设备可以通过广播自身包含的某个对象的对象名称，与包含相关对象的设备建立联系。ＢＡＣｎｅｔ协议要求每个设备都要包含“设备对象”，通过对其属性的读取可以让网络获得设备的全部信息
在ＢＡＣｎｅｔ中，把对象的方法称为服务，对象及其属提供了对一个楼宇自控设备“网络可见信息”的抽象描述，而服务提供了如何访问和操作这些信息的命令和方法。ＢＡＣｎｅｔ设备通过在网络中传递服务请求务应答报文实现服务。ＢＡＣｎｅｔ定义了３５种服务，并将其划分为６个类别：（１）报警与事件服务（Ａｌａｒｍ ａｎｄ Ｅｖｅｎｔ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含８种服务处理环境状态的变化，提供了ＢＡＣｎｅｔ设备预设的请求值改变通告、请求报警或事件状态摘要、发送报警或事件通知、收到报警通知确认等方法；（２）文件访问服务（Ｆｉｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含２种服务，提供读写文件的方法，包括上／下载控制程序和数据库的能力；（３）对象访问服务（bbbbbb Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含９种服务，提供了读、修改和写属性值以及增删对象的方法；（４）远程设备管理服务（Ｒｅｍｏｔｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含１１种服务，提供对ＢＡＣｎｅｔ设备进行维护和故障检测的工具、方法；（５）虚拟终端服务（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含３种服务，提供了一种面向字符的数据双向交换机制，使其他具有专有特性的楼宇自控设备成为一个ＢＡＣｎｅｔ虚拟终端并使ＢＡＣｎｅｔ网络能对其进行重构；（６）网络安全服务（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含２种服务，提供对等实体验、数据源验证、操作者验证和数据加密等功能。
ＢＡＣｎｅｔ功能组规定了实现特定控制功能所需的对象务的组合。ＢＡＣｎｅｔ已定义了１３个功能组，包括时钟功能组、事件响应功能组、文件功能组、虚拟终端功能组、设备通信功能组等。
１．３ ＢＡＣｎｅｔ设备级别和设备等级说明
在实际的楼宇自动化系统中，没有必要也不可能所有的设备都支持、包含上述所有的对象务。因此，ＢＡＣｎｅｔ定义了６个一致性类别（设备级别）。一致性类别的分级编号为１～６，较低级别是类别ｌ。每个类别都规定了设备要实现的较小服务子集，且包含低级别的所有服务。
为了帮助用户和工程人员确定不同ＢＡＣｎｅｔ设备之间的互操作性，需要厂商为每个设备提供标准格式文件以标识设备中己实现的ＢＡＣｎｅｔ标准的内容，即文件需包括设备符合ＢＡＣｎｅｔ等级的说明。这个文件就是ＰＩＣＳ（Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎbbbbａｎｃｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔ），它包括：（１）标识厂商和描述设备的基本信息；（２）设备符合ＢＡＣｎｅｔ的级别；（３）设备所支持的功能组；（４）设备所支持的基于标准或专有的服务，设备启动或响应服务请求的能力；（５）设备所支持的基于标准或专有的对象类型及其属性描述；（６）设备支持的数据链路技术；（７）设备支持的分段请求和响应。
２ ＢＡＣｎｅｔ的互联网扩展
目前，ＢＡＣｎｅｔ标准使用两种技术实现与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的互联。**种技术附件Ｈ中称之为“隧道”技术，并将其设备称之为分组封装／拆装设备，简称ＰＡＤ。其作用就像一个网关／路由器，这在图２中两个半路由器连接广域网形成一个完全的ＢＡＣｎｅｔ路由器有所体现。*二种技术附件Ｊ中称之为ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ，设备直接封装ＩＰ帧／包在ＢＡＣｎｅｔ网络和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上传输。
ＰＡＤ将ＢＡＣｎｅｔ报文数据封装在ＩＰ协议数据包内传输，在目的ＢＡＣｎｅｔ网络。因此每个连接Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的ＢＡＣｎｅｔ网络都要配置ＰＡＤ网关／路由器。它可以是一个单独的设备，也可以是某种楼宇控制设备功能的一部分。
ＡＳＨＲＡＥ于１９９９年１月正式发布附件Ｊ并成为美国国家标准。它规范了支持ＴＣＰ／ＩＰ的设备组建ＢＡＣｎｅｔ网络的技术，并称之为ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ网络，简称Ｂ／ＩＰ，是一个或多个ＩＰ子网组成的集合，整体具有单独的ＢＡＣｎｅｔ网络号。ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ网络报文在网络层是ＩＰ包，在传输层是ＵＤＰ数据报，从而实现与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的ＴＣＰ／ＩＰ协议的融合。
开放、兼容、灵活、获得广泛支持并且专门针对智能建筑的通信协议或现场总线必将成为智能建筑领域的一个发展方向。而ＢＡＣｎｅｔ协议正是这样一种具有开拓性的技术，使不同厂商的设备能够互联、互换和互操作，打造无缝连接（Ｓｅａｍｌｅｓｓ bbbbｉｎｇ）的楼宇自动化系统，充分满足了业主、用户和集成商的需求并提供了多种网络互联和接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的方案，为智能建筑内部各系统之间的集成提供了便利条件，使智能搭乘信息高速公路变得轻而易举。