專利名稱：一種基于Lonworks技術的智能小區實驗系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種供教學用的模擬教具，更具體的說是一種基于Lonworks技術的智能小區實驗系統。
背景技術：
Lonworks是由美國Echelon公司在1991年推出的采用神經元芯片(Neuron Chip)技術，在遵循ISO的OSI七層協議上實現的網絡控制技術，具有開放的網絡體系、標準的網絡通訊協議、豐富的介質接口模板、支持多種通訊介質之間的通訊等特點。神經元芯片和LonTalk協議是Lonworks技術的核心。在一個Lonworks網絡中，每個相對獨立的單元稱為一個節點，節點的智能控制器使用同一個通信協議與網絡中的其它節點通信。每個節點都包含內置的神經元芯片來完成協議的監控功能。一個Lonworks網絡可以有3個到30000個或更多的節點，智能節點可以連接傳感器(溫度、壓力等)、執行器(開關、調節閥、變頻驅動等)、顯示器(顯示、人機界面等)、操作接口等。由于不需要像傳統控制系統中的中央控制器，Lonworks的分布式控制技術顯示出很高的系統可靠性和系統響應，并且降低了系統的成本和運行費用。
神經元芯片使用CMOS VLSI技術制造，內部包含三個8位的CPU。第一個CPU為介質訪問處理器，第二個CPU為網絡處理器，進行網絡變量的處理、尋址、事務處理、證實、背景診斷、軟件定時器、網絡管理等，第三個CPU為應用處理器，它執行由用戶編寫的代碼及用戶代碼所調用的操作系統服務。神經元芯片可以通過自帶的I/O接口與網絡上的其它節點交換信息，也可以與現場的傳感器和執行器交換信息。神經元芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C中派生出來的，并對ANSI C進行了刪減和增補。
LonTalk協議遵循ISO定義(OSI)模型，并提供了OSI所定義的全部七層服務。其特點主要是(1)支持雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖在內的多種傳輸介質；
(2)可以運行在任何主處理器(Host Processor)上；(3)LonTalk協議使用網絡變量與其它節點通信。網絡變量可以是任何單個數據項也可以是結構體。
(4)支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結構類型，極大地方便了控制網絡的構建。
Lonworks技術近些年在國內外的應用蓬勃發展。并被美國、歐洲等國家和地區的一些行業制定為工業控制網絡標準。特別是在樓宇自動化、工業自動化、交通運輸、家庭與公用事業自動化等領域應用最為廣泛。Lonworks技術自1996年進入中國，也取得了迅速發展，現在國內已有很多在自動化、智能建筑及抄表系統的成功應用范例。例如三水市恒益大酒店(供電局電力調度大樓)28層綜合樓的中央空調系統、給排水系統、鍋爐熱交換系統、冷量計費系統、停車場管理系統等一體化自動監控就使用了Lonworks技術。
隨著Lonworks的技術的廣泛應用，許多高校的自動化專業開設了相關的課程，但目前還沒有一套可以比較完整、系統的模擬Lonworks技術的實驗系統。
發明內容
本實用新型通過使用Lonworks技術，嵌入式IP設備技術、IC卡技術，構建了一個完整的智能小區實驗系統，使用本系統可以配合智能建筑系統課程的開設，提供設備進行各系統的接線及集成，提供多功能Lonworks開發實驗板及節點開發環境，供學生設計應用電路、下載和調試程序，為學生提供一個實習、實驗的場所，增強學生的實踐操作能力。
本實用新型的技術方案是智能小區實驗系統由各個獨立的節點組成。每個節點由一個智能控制器獨立控制，節點包括開發實驗節點，以及由不同子系統組成的其他各類節點，智能控制器經由Lonworks網絡到通過嵌入式以太網網關連接到局域網上的監控總機，監控總機通過局域網監控各個節點。
子系統包括家庭安防子系統、集中抄報子系統、門禁對講子系統、周邊防范子系統、電子巡更子系統、閉路監控子系統，停車場管理子系統，各類子系統可以單獨或多個組成節點。
本實用新型的有益效果主要有以下幾個方面(1)開發實驗節點為教學提供設計、開發和實驗的硬件平臺。可以開設神經元芯片直接I/O對象應用、模擬量采集(A/D轉換)、模擬量輸出(D/A轉換)、溫度測量、Lonworks網絡集成、應用電路設計等多個實驗。
(2)實現了以Lonworks現場總線網絡系統為基礎的家庭安防系統、門禁對講系統、周邊防范系統、電子巡更系統、閉路監控系統、停車場管理系統及集中抄報子系統等七個方面。本實用新型不但可以完全滿足學生實驗需求，同時本實用新型的所有設備亦可作為實驗室的安防、監控系統使用，完全構造了一個和實際應用非常逼近的實驗系統。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。
圖1是本實用新型的連接圖。
圖2是智能控制器的結構圖。
圖3是嵌入式以太網網關的結構圖。
圖4是開發實驗節點的連接圖。
具體實施方式
本實用新型基于Lonworks技術設計，同時使用了嵌入式IP設備技術、IC卡技術。
如圖1所示，智能小區實驗系統由各個獨立的節點組成。每個節點由一個智能控制器獨立控制，節點包括開發實驗節點，以及由不同子系統組成的其他各類節點，智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關10連接到局域網，監控總機通過局域網監控各個節點。各節點通過Lonworks網絡連接，信號和電源分纜傳輸。Lonworks網絡可以無中繼傳輸1公里，1公里內可以任意串接64個智能控制器。
圖2是智能控制器的結構圖。每個智能控制器獨立控制一個節點。智能控制器由神經元芯片1、晶振2、收發器3、FLASH 4、光電耦合器5、I/O接口6組成；神經元芯片1分別與晶振2、收發器3、FLASH 4連接，I/O接口6經過光電耦合器5與神經元芯片1連接，不同子系統中的各類設備的輸出端通過I/O接口6與神經元芯片1連接。光電耦合器5可提高智能控制器的抗干擾能力。智能控制器采用TMPNB 3150B1F型芯片為神經元芯片1，收發器3使用FTT-10A型自由拓撲收發器，FLASH 4內固化有神經元芯片1的控制程序、LonTalk協議和節點應用程序，晶振2為神經元芯片1提供時鐘信號，智能控制器通過收發器3連接到Lonworks網絡上，光電耦合器5可提高智能控制器的抗干擾能力。智能控制器使用開關電源、后備電池供電。
圖3是本實用新型的嵌入式以太網網關10的結構圖。嵌入式以太網網關10由嵌入式處理器7、網絡接口芯片8、存儲器9組成，嵌入式處理器7、網絡接口芯片8、存儲器9集成在一張電路板上。網絡接口芯片8、存儲器9分別與嵌入式處理器連接。嵌入式處理器7使用Rabbit2000型CPU，該型CPU有28個數字I/O、3個RS-232/485串行口，存儲器9包括256K的SDRAM和256K的FLASH，FLASH中可以存放嵌入式以太網網關10的控制程序，SDRAM作為Rabbit2000型CPU的緩存。網絡接口芯片8采用RTL8019AS型芯片，它具有16位的數據線接口和24位的地址線接口。該嵌入式以太網網關10可支持RS232和以太網的連接，實現TCP/IP協議到LonTalk協議的轉換，用于控制指令和數據文件的傳送，從而實現監控總機在局域網上監控各個節點的狀況。
嵌入式以太網網關10應用實驗包括網關的參數配置、編寫實現網關與智能控制器數據通訊的程序等實驗。
圖4是開發實驗節點的結構圖。開發實驗節點包括智能控制器、11針跳線槽17、基本I/O接口11、A/D轉換輸入電路12、D/A轉換輸出電路13、數碼顯示驅動電路14、測溫電路15和擴展電路16。基本I/O接口11、A/D轉換輸入電路12、D/A轉換輸出電路13、數碼顯示驅動電路14、測溫電路15分別通過11針跳線槽17和智能控制器的I/O接口相連，擴展電路16與智能控制器的I/O接口相連。11針跳線槽17作為各個電路之間的轉換開關，擴展電路16實現I/O擴展。
實驗者可以在開發實驗節點上進行神經元芯片直接I/O對象應用、模擬量采集(A/D轉換)、模擬量輸出(D/A轉換)、Lonworks網絡集成、應用電路設計、Neuron C編程等實驗，也可以自行開發設備掛接在開發實驗節點上進行實驗。本節點為學習節點開發方法等提供了全面的實驗條件。
子系統包括家庭安防子系統、集中抄報子系統、門禁對講子系統、周邊防范子系統、電子巡更子系統、閉路監控子系統、停車場管理子系統。實驗者可以將LonTalk協議和針對各子系統開發的控制程序、節點應用程序等下載到其各自的智能控制器中，進行Neuron C編程等實驗。下面是各子系統的具體硬件構成、連接方式及實驗時可以獲得的工作流程家庭安防子系統針對小區內住戶防盜、防火、燃氣泄漏探測、緊急求助及各住戶報警聯網管理的要求而設計的。此處采用的各類設備都是已經成熟的工業化模塊被動紅外探測器、門磁開關、玻璃破碎探測器、家用緊急求助按鈕、感溫及感煙探測器、燃氣泄漏探測器、家用聲光呼救警號等，考慮到自動電話報警的要求，還可配置電話語音報警撥號設備等，上述各類設備的輸出端口都與控制該子系統的智能控制器的I/O接口6連接。高靈敏度的各類探測器獲得侵入物或泄漏物的信號后，通過智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關10將信號傳送到監控總機。在進行實驗前，可以將上述各類設備的輸出端口與控制該子系統的智能控制器的I/O接口6的連接斷開，由實驗者自行選擇連接。
集中抄報子系統包括具有脈沖計數輸出功能的水表、煤氣表及電表等計量表具，各種表具的輸出端與智能控制器的I/O接口6連接，智能控制器將采集來的數據經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關10傳輸至監控總機。在進行實驗前，可以將上述各種表具的輸出端口與控制該子系統的智能控制器的I/O接口6的連接斷開，由實驗者自行選擇連接。
周邊防范子系統包括紅外對射探測器、感應線纜及聲光報警裝置。紅外對射探測器、感應線纜、聲光報警裝置的輸出端口分別與智能控制器的I/O接口6連接，感應線纜、紅外探測器布設在小區四周的圍墻或柵欄上當紅外對射探測器或感應線纜被觸發后，智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關10將信號傳輸至監控總機，同時聲光報警裝置啟動。在進行實驗前，可以將上述各種設備的輸出端口與控制該子系統的智能控制器的I/O接口6的連接斷開，由實驗者自行選擇連接。
門禁對講子系統由可視對講室外主機、可視對講室內分機和非接觸IC卡開門器組成。可視對講室外主機配有紅外攝像頭，不論白天還是夜晚均可對門口進行監視。可視對講室外主機、可視對講室內分機和非接觸IC卡開門器都通過智能控制器連接到Lonworks網絡上，來保證可視對講室外主機與室內分機的連接。由此，從室內可以控制門的開關，監控總機也可通過智能控制器控制非接觸式IC卡開門器。在進行實驗前，可以將上述各種設備的連接斷開，由實驗者自行選擇連接。
電子巡更子系統包括巡更人員攜帶的便攜式記錄器和固定在巡更記錄點的記錄儀，記錄儀用于記錄便攜式記錄器的登記情況，記錄儀的輸出端口與智能控制器的I/O接口6連接，登記信息經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關10傳輸至局域網上的監控總機。電子巡更管理系統的作用是在小區各區域內的重要部位設定保安人員巡更點，保安巡更人員攜帶便攜式記錄儀按指定的路線和時間到達巡更點并進行登記，記錄器將記錄信息傳送到監控總機。管理人員可調閱打印各保安巡更人員的工作情況，加強保安人員的管理，從而實現人防和技防的結合。在進行實驗前，可以將上述各種設備的連接斷開，由實驗者自行選擇連接。
閉路監控系統采用申請號為03206491.8的專利申請所設計的閉路監控系統，包括前端監控設備、數字硬盤錄像系統。前端監測設備包括攝像頭、三鑒探測器、云臺、報警器。攝像頭、三鑒探測器、解碼器、報警器，數字硬盤錄像系統分別與智能控制器連接。攝像頭負責現場動態視頻的采集，攝像頭架設在云臺上，通過云臺實現攝像頭的移動，三鑒探測器受到觸發后將信號傳輸至智能控制器，由智能控制器控制攝像頭及云臺動作，并將信號傳輸至監控總機，同時數字硬盤錄像系統開始記錄現場動態并通過Lonworks網絡將現場動態傳輸至監控總機，報警器發出聲、光報警信號。監控總機可通過Lonworks網絡控制監控系統的一切動作。在進行實驗前，可以將上述各種設備的連接斷開，由實驗者自行選擇連接。
停車場管理子系統采用目前已成熟的停車場管理系統，控制停車場管理子系統的智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關10連接到局域網上與監控總機交換數據。
本系統中的每個節點在得到監控總機的許可后，可通過路由器連接到Internet上，安裝有控制軟件并擁有監控權限的終端可以通過Internet監控各個節點，由此實驗者可以根據需要進行遠程教學，極大的拓展了本實用新型的使用范圍。
本實用新型可以用于自動化專業和建筑專業現場總線技術課程的實驗設備，可作為智能建筑系列課程學生的實習、實驗場所。本實用新型可以為學生提供以下的實驗實驗1 智能小區系統集成實驗2 LONWORKS開發實驗實驗3 神經元芯片標準I/O對象應用實驗實驗4 模擬量采集(A/D轉換)實驗實驗5 模擬量輸出(D/A轉換)實驗實驗6 溫度測量實驗實驗7 嵌入式以太網網關應用實驗實驗8 LONWORKS網絡集成實驗
權利要求1.一種基于Lonworks技術的智能小區實驗系統，其特征在于由各個獨立的節點組成，每個節點由一個智能控制器控制，節點包括開發實驗節點，以及由不同子系統組成的其他各類節點，智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關(10)連接到局域網上的監控總機，監控總機可以監控各個節點；智能控制器由神經元芯片(1)、晶振(2)、收發器(3)、FLASH(4)、光電耦合器(5)、I/O接口(6)組成；神經元芯片(1)分別與晶振(2)、收發器(3)、FLASH(4)、光電耦合器(5)連接，I/O接口(6)與光電耦合器(5)連接，不同子系統中各類設備的輸出端通過I/O接口(6)與神經元芯片(1)連接；光電耦合器(5)可提高智能控制器的抗干擾能力，FLASH(4)用以存放實驗者設計的神經元芯片(1)的控制程序、LonTalk協議和節點應用程序，晶振(2)為神經元芯片(1)提供時鐘信號，智能控制器通過收發器(3)連接到Lonworks網絡上；嵌入式以太網網關(10)由嵌入式處理器(7)、網絡接口芯片(8)和存儲器(9)組成，嵌入式處理器(7)、網絡接口芯片(8)和存儲器(9)都集成在一張電路板上，網絡接口芯片(8)、存儲器(9)分別與嵌入式處理器連接，存儲器(9)用以存放實驗者設計的網關控制程序，并提供緩存。
2.根據權利要求1所述的一種基于Lonworks技術的智能小區實驗系統，其特征在于開發實驗節點包括智能控制器、基本I/O接口(11)、11針跳線槽(17)，開發實驗節點還可以掛接下列電路A/D轉換輸入電路(12)、D/A轉換輸出電路(13)、數碼顯示驅動電路(14)、測溫電路(15)和擴展電路(16)；基本I/O接口(11)、A/D轉換輸入電路(12)、D/A轉換輸出電路(13)、數碼顯示驅動電路(14)、測溫電路(15)分別通過11針跳線槽(17)和智能控制器的I/O接口(6)連接，擴展電路(16)與智能控制器的I/O接口(6)相連；11針跳線槽(17)作為各個電路之間的轉換開關，擴展電路(16)實現I/O擴展。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于Lonworks技術的智能小區實驗系統，其特征在于子系統包括家庭安防子系統、集中抄報子系統、門禁對講子系統、周邊防范子系統、電子巡更子系統、閉路監控子系統、停車場管理子系統，各類子系統可以單獨或多個組成節點；家庭安防子系統包括被動紅外探測器、門磁開關、玻璃破碎探測器、家用緊急求助按鈕、感溫及感煙探測器、燃氣泄漏探測器、家用聲光呼救警號和電話語音報警撥號設備；上述設備的輸出端口都與控制該子系統的智能控制器的I/O接口(6)活動連接；集中抄報子系統包括具有脈沖計數輸出功能的水表、煤氣表及電表等計量表具，各種表具的輸出端口與控制該子系統的智能控制器的I/O接口(6)活動連接；門禁對講子系統由可視對講室外主機、可視對講分機和非接觸IC卡開門器組成，可視對講室外主機、可視對講室內分機和非接觸IC卡開門器分別與控制該子系統的智能控制器的I/O接口(6)活動連接；周邊防范子系統包括紅外對射探測器、感應線纜及聲光報警裝置，紅外對射探測器、感應線纜、聲光報警裝置分別與智能控制器的I/O接口(6)活動連接，當紅外對射探測器或感應線纜被觸發后，智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關(10)將信號傳輸至局域網上的監控總機，同時聲光報警裝置啟動。電子巡更子系統包括巡更人員攜帶的便攜式記錄器和固定在巡更記錄點的記錄儀，記錄儀用于記錄便攜式記錄器的登記狀況，記錄儀的輸出端口與控制該子系統的智能控制器的I/O接口(6)活動連接；閉路監控系統包括前端監控設備、數字硬盤錄像系統。前端監測設備包括攝像頭、三鑒探測器、云臺、報警器；攝像頭、三鑒探測器、云臺、報警器、數字硬盤錄像系統分別與控制該子系統的智能控制器活動連接；攝像頭架設在云臺上，三鑒探測器受到觸發后將信號傳輸至智能控制器，由智能控制器控制攝像頭和云臺工作，并將信號傳輸至監控總機，同時數字硬盤錄像系統開始記錄現場動態，報警器發出聲、光報警信號，監控總機通過智能控制器可控制閉路監控系統工作；控制停車場管理子系統的智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關(10)連接到局域網上與監控總機交換數據。
4.根據權利要求1或2所述的基于Lonworks技術的智能小區實驗系統，其特征在于加裝一個路由器后，每個節點在得到監控總機的許可，可通過路由器連接到Internet上，安裝控制軟件并擁有監控權限的終端可以通過Internet監控各個節點。
5.根據權利要求3所述的基于Lonworks技術的智能小區實驗系統，其特征在于加裝一個路由器后，每個節點在得到監控總機的許可，可通過路由器連接到Internet上，安裝控制軟件并擁有監控權限的終端可以通過Internet監控各個節點。
專利摘要本實用新型公開了一種基于Lonworks技術的智能小區實驗系統，本實驗系統由各個獨立的節點組成，每個節點由一個智能控制器控制。節點包括開發實驗節點，以及由不同子系統組成的其他各類節點，智能控制器經由Lonworks網絡通過嵌入式以太網網關(10)連接到局域網上的監控總機，監控總機通過局域網監控各個節點。使用本系統可以配合智能建筑系統課程的開設，提供設備進行各系統的接線及集成，提供多功能Lonworks開發實驗板及節點開發環境，供學生設計應用電路、下載和調試程序，為學生提供一個實習、實驗的場所，增強學生的實踐操作能力。
文檔編號H04L29/02GK2686224SQ0327079
公開日2005年3月16日 申請日期2003年8月15日 優先權日2003年8月15日
發明者李正熙, 張永忠, 胡敦利, 宋浩, 田紅芳, 孫得輝, 王捷 申請人:北方工業大學