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智能樓宇安防系統論文
智能建筑及樓宇自動化是近幾年興起的新領域，特別是近年來現代高科技和信息技術的發展，實現了“將家庭中各種與信息相關的通訊設備，家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術（HBS）連接到一個家庭智能化系統上進行集中的或異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的和諧”的目標。
智能建筑應當是：“通過對建筑物的4個基本要素，即結構、系統、服務和管理，以及它們之間的內在聯系，以最優化的設計，提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環境空間。智能建筑物能夠幫助大廈的主人，財產的管理者和擁有者等意識到，他們在諸如費用開支、生活舒適、商務活動和人身安全等方面得到最大利益的回報。” 智能建筑的智能化其組成按其基本功能可分為三大塊：樓宇自動化系統 BAS(Building Automation System)、辦公自動化系統OAS(Office Automation System)和通信自動化系統 CAS(Communication Automation System)，即“3A”系統。
目前，國內的樓宇自動化系統大都采用以單片機為核心，通過串行通訊總線進行系統連接并通信，這種系統在本質上因采用了封閉式通信協議。現場總線控制系統 FCS(Fieldbus Control System)因通信協議的開放性而能很好地解決這些長期困擾我們的問題，它的應運而生在控制領域產生了一場新的革命。
現場總線是一種串行化、數字化數據通信鏈路，它溝通了生產過程領域的基本控制設備（即場地級設備）之間以及與更高層次自動控制領域的自動化控制設備（即車間級設備）之間的聯系。在當前多種流行的現場總線中，LonWorks 現場總線技術異軍突起，以其優良的性能與特點而迅速在樓宇自動化系統中得到越來越多的應用。
1 LonWorks主要技術
LonWorks 總線主要是以美國 Echelon 公司等發起并于 1990 年正式公布推出的局部操作網絡（Local Operating Network），已成為在 BAS 應用中最有影響的現場總線。LonWorks 以其優秀的分布處理能力、開放性、互操作性、多媒介適應能力以及多網絡拓撲結構等特點,適應了未來發展對測控網絡的要求。LonWorks 技術是用于開發監控網絡系統的一個完整的技術平臺，它包含所有設計、配置和維護網絡所需要的技術：3120/3150 Neuron 芯片；NeuronC 編程語言；LonTalk 協議；LonWorks 收發器；LonBuilder 和 NodeBuilder 開發工具等。LonWorks 網絡系統由智能節點組成，每個智能節點可具有多種形式的 I/O 功能，節點之間可通過不同的傳輸媒介進行通信，并遵守 ISO/OSI 的七層模型協議。
（1）智能節點
構成 LonWorks 控制網絡的 Neuron 智能節點由神經元芯片、傳感器、控制設備、收發器和電源等組成。Neuron 智能節點分為兩類，第一類是名為基于 Neuron芯片的節點，節點中不再出現其它處理器，它利用 Neuron 芯片完成包括通信以及用戶應用程序在內的所有工作，此類節點結構簡單、成本低，適用于控制功能較為簡單的網絡系統；另一類是稱作基于主機的節點，節點中除了 Neuron 芯片以外，還有其它的處理器，諸如單片機等，前者主要完成通信工作，后者則完成用戶的應用程序，此類節點結構復雜、成本高，但可實現復雜的控制功能。圖1為基于Neuron 芯片的節點結構。
（2）Neuron 神經元芯片
Neuron 芯片是 LonWorks 技術的核心，每一個神經芯片在制造期間被賦予一個唯一的 48位碼的標識，稱為標識碼。它既進行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。3120 與 3150 兩大系列芯片主要由 Motorola、Toshiba、Cypress三個公司生產，芯片內有 3個8 位流水線作業的 CPU。介質訪問控制 CPU 處理LonTalk 7 層協議的第 1 到第 2 層，包括驅動通信子系統硬件和執行 MAC 算法。網絡 CPU 處理 LonTalk 協議的第 3 到第 6 層，包括處理網絡變量尋址事務，權限證實，背景診斷，軟件計時器，網絡管理和路由等，同時還控制網絡通信端口，物理的發送和接收數據包。應用 CPU 執行用戶用 Neuron C 語言編寫的代碼以及用戶代碼調用的操作系統命令。3 個 CPU 分別通過片內的網絡緩存器和應用緩存器進行通信。新出現的低能耗芯片 MCl43120LE2FB 采用 3V工作電壓，減小了電力消耗。廣泛適用于傳感器、執行器、安全檢測器和自動調溫器，尤其適用于建筑物內嵌的分散控制網絡。
2 系統硬件設計
樓宇自動化安防系統選用兩級計算機監控系統，即由上位管理機、LonTalk適配器以及多個智能節點組成，節點數量可根據監控的需要增減，使用LonWorks 現場總線作為控制和通信網絡把各節點連接成一個分布式智能控制系統，其網絡結構如圖2所示。
家庭智能節點的硬件電路主要由神經元芯片、單片機、鍵盤、LED顯示、蜂鳴器、A/D 轉換等部分組成。其中信號采集部分可由門磁開關、微波偵測、紅外偵測、火災檢測、煙感探測等諸多類型傳感器組成。采集到的信號送到單片機，經分析處理產生現場聲光報警的同時，并判斷報警類型，如果是火警類型則顯示“F×××”，其中F表示火警，“×××”表示報警的房間號（以下同）；若為盜警則顯示“D×××”；若為緊急呼叫則顯示“B×××”；若采集信號出現故障則顯示“E×××”。若遇到需要顯示二種及以上信號時，按F×××、B×××、D×××、E×××的優先級循環顯示報警信號。亦可依據主人設定的狀態將報警信號通過公眾電話網以數據或語音兩種方式進行報警。
數據報警是在自動撥打設定的電話后，再將報警的地址及報告碼以數據形式送出。上位機設在住戶所屬區域的報警中心，可直接將該系統通過LonWorks總線與之相連，構成城區報警防護網絡中的一部分。一旦出現緊急狀況而產生報警，按照先報警中心后戶主的優先級報告家中警情。根據所傳送的數據，報警中心的計算機可立刻顯示出報警住戶的地址、警情并連同報警時間一并送至打印機打印輸出，同時將報警狀況存于計算機的硬盤中，以便日后查證。此時值班中心的值班人員可立即通知有關人員前往處理。語音報警則是在自動撥打完主人設定的電話號碼后，待對方摘機，立刻播放存于語音芯片中的語音提示音，如 “家中有情況，速回”。
該安防節點可對多個防區進行設防，系統共有居家、外出、入戶、測試、關閉五種模式，分別表示五種不同的工作模式。系統還具有進門/出門延遲和進出延遲區的延遲時間設定功能。該安防模塊一次最多設置四組報警電話號碼，撥不通可自動重撥。此外，該模塊具有很強的擴展能力，具有多個模擬量、開關量輸入/輸出接口，用戶可根據需要增添不同采樣傳感器來擴展系統的功能。
安防節點結構框圖如圖 3所示，神經元芯片 MC3150 是家庭安防節點的通信控制部分，通過它可以與住宅其它節點進行通信聯絡，物業管理中心也是通過其向各家庭安防節點傳達各種控制命令。圖中單片機 8031 是安防節點的中心控制部分，整個單片機及其它與其相連的設備一起作為神經元芯片的輸入輸出設備，其實這一部分也具有相對立的功能：如果神經元芯片與 LonWorks 總線斷開時，那么整個安防節點仍具有防盜報警等功能，這時的控制完全由 8031來完成。所以該系統的可擴展升級性很強，能滿足不同用戶的需求。圖中的開關量輸入/輸出及模擬量輸入/輸出用來采集各種報警信號和完成 8031 下達的控制命令。
3 系統程序設計
隨著現場總線智能設備通用性的提高和成本的降低，簡單的控制任務轉移到現場智能節點中，成為現場控制。在基于LonWorks的樓宇自動化安防系統中，系統的控制功能已分散到各個控制節點，控制節點在監控計算機、通信鏈路和其它節點出現故障的情況下均能安全地工作，提高系統的可靠性。安防系統的智能節點主要完成兩個任務：一是檢測信號的測量；二是監控計算機和智能節點的信息交換，包括安防系統的智能節點檢測到的信號、自身的運行狀態和監控計算機發出的控制命令。各控制節點的應用程序采用Neuron C語言編寫，并使用NodeBuilder節點開發工具進行調試。
Neuron C任務調度是事件驅動：當一個給定事件發生的條件為真時，與該事件關聯的一段代碼(稱為任務)被執行。事件是通過When語句來定義的，一個When語句包含一個表達式，當表達式為真時，則表達式后面的任務被執行。智能節點的主程序流程圖如圖4。
LonWorks網絡中的每個節點間可以實現點到點的信息傳輸，具有極其良好的互操作性，使整個網絡實現了無中心的真正的分布式控制系統，與傳統的集散控制系統相比較，大大提高了系統的安全性和可靠性;減少了與一次元件相連的模件的型號品種的數量和大量的連接電纜，降低了系統材料、安裝、維護等費用。
在實時控制方面，實現了可相互操作的現場總線LonWorks的網絡技術的通信協議LonTalk，為樓宇自動化安防系統中的傳感器、執行器和控制器之間網絡化操作奠定了基礎。
采用分布式模塊化結構，組成局域通信網絡，系統適應性強，組態靈活，擴充容易，網絡規模可以根據需要進行調整。
系統采用大量靈敏度高、響應速度快的傳感器和先進的檢測手段，可有效地防止漏報，實現準確報警，確保建筑物的安全和對建筑物的科學管理。
4 結束語
LonWorks網絡非常容易與其他網絡實現互連，可以實現遠程操作和控制。Lonworks開放式、可互操作性、成熟和低成本的特點， LonWorks國際標準的制定，更加推動了它的發展與應用。在智能樓宇安防系統中使用LonWorks總線技術使控制器對控制點實現了分樓層檢測、控制和報警，提高了系統內部的通信速率、實時性；降低了誤碼傳送率，更好地保證智能建筑的安全性和智能化。
參考文獻
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