智能楼宇协议设计需求分析报告.docx
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智能楼宇协议设计需求分析报告
需求分析报告
1.引言
1.1目的
随着社会发展，人们的生活节奏越来越快，人们对生活环境和生活质量的要求越来越高，尤其是在自己生活的房子中，人们更加希望生活在一个舒适、方便、安全、信息化的楼宇中。
所以许多公司着力研究智能楼宇的开发，在建筑物的内部，将信息技术和建筑技术从分的结合在一起，进而产生了“楼宇的智能化”。
本文提吃了智能楼宇通信协议的设计，目的是视听监控，燃气、温度、湿度、电、水等的检测并在较大程度上减小由于设备监控或设备之间协调问题所带来的问题。
1.2系统的简单介绍
本课题研究的是某一个虚拟的居民住房，楼房共十层（地下1层、地上9层）。
楼层主要有住房和娱乐活动房间组成。
本课题需要对居民楼房进行智能化的设计，设计后居民楼将实现楼宇设备的自动化控制，达到对楼宇内的水、电、气流量、温度、湿度以及安全等进行监测、控制和科学管理以实现舒适、安全、高效、节能的目的，并使设备损耗降低，延长使用寿命。
1.3相关名词定义
名词
解释
数据流程图
数据流程图表示求解某一问题的数据通路。
同时规定了处理的主要阶段和所用的各种数据媒体。
数据流程图包括：
1.指明数据存在的数据符号，这些数据符号也可指明该数据所使用的媒体。
2.指明对数据执行处理的处理符号，这些符号也可指明该处理所用到的机器功能。
3.指明几个处理和（或）数据媒体之间的数据流的流线符号。
4.便于读、写数据流程图的特殊符号。
在处理符号的前后都应是数据符号。
数据流程图以数据符号开始和结束
功能图
是一种能全面地描述信息系统逻辑模型的主要工具，它可以用少数几种符号综合地反映出信息在系统中的流动、处理和存储情况。
图例说明
是一种描述系统内各单位、人员之间业务关系、作业顺序和管理信息流向的图表，利用它可以帮助分析人员找出业务流程中的不合流理向。
数据存储
数据存储是一种对深入挖掘用户需求，得出数据分析的存储过程。
是对整个数据的中间结果以及最终结果的存储。
数据传递
数据传递是处于整个规定了的所有数据媒体的中间产物的传递。
2.任务概述
2.1目的
（1）视听监控；
（2）实时获得温湿度具体数据（500ms获取一次），超出正常范围发出警告；
（3）温度监控；
（4）火灾和红外报警响；
（5）监测网络连接情况。
2.2楼宇自动化系统对控制网络的需求
楼宇自动化系统实质上是一个计算机控制系统，其控制网络则是控制系统的骨干和灵魂。
楼宇自动化对控制网络的要求主要有以下几个方面：
①技术先进性：
当今时代是一个技术高速发展的时代。
为了延长建筑物及其设备的寿命，在可能的情况下尽可能采用先进的技术和设备。
目前在楼宇自动化领域中，最先进的控制网络技术就是现场总线控制系统。
②集成一体化协调运作：
楼宇自动化系统主要的监控对象一般是供热、通风及空调系统、给排水系统、照明、电梯、变配电、安全、消防及计量管理。
这些子系统应该得到充分的集成，做到信息共享，统一管理，以及各子系统的一体化协调，使系统安全、节能、高效、有利于设备的集中化管理，便于维护。
③开放性和互操作性：
由于受到楼宇设备多样化、技术复杂性和市场竞争各方面的影响，为了达到最优的组合和最好的性能价格化，往往需要不同厂家的产品组成一个楼宇自动化控制系统。
因此，楼宇自动化控制网络应该是具备开放性和互操作性的，这就要求允许不同厂家的产品能够连接到同一系统中协调运作；否则的话，将给系统的维护、扩展和更新带来无穷的麻烦。
要达到具备良好的开放性和互操作性这一点，就要求控制网络采用当前国际上的主流标准。
在智能建筑控制方面，由于国际标准化组织迟迟未定出关于楼宇自动化控制网络的标准规范，所以目前尚未有一个国际统一的标准。
当前在该领域有两种技术应用最为广泛：
一是美国供热制冷与空调工程师协会制定的BACnet标准协议；二是Echlon公司提出的LonWorks总线技术。
系统特点
（1）实用性：
对智能楼宇的用户来说,最关心的是系统的实用性,所以需要去掉那些华而不实，用户极少使用的功能,而保留用户迫切需要且符合人们使用习惯的功能。
在设计智能楼宇系统时，应根据用户的客观实际需求，综合上一节所介绍的最实用最基本的智能楼宇系统功能：
包括智能家电、环境监测、安防报警、远程抄表、智能灯光控制等。
而不是堆积各种各样繁琐复杂的功能，这只会让用户厌烦而产生排斥心理。
（2）可靠性：
为保证整个建筑各个智能子系统的正常运行，智能楼宇系统往往需要二十四小时运转。
而且智能楼宇系统是给普通人们使用的，与人们的生活息息相关，误操作和不恰当设置在所难免，因此智能楼宇系统要充分考虑到可靠性和容错性，具备应对各种复杂环境变化和不当操作的能力。
（3）标准化：
一个系统的设计，不能只看到当前的需求，而且要考虑到未来的需求和发展趋势。
智能楼宇系统同样如此,不同场合有不同的需求，而且随着技术的发展和生活水平的提高，各种新的功能和设备将会不断的增加和升级更新。
因此在设计之初，就要采用标准化设计。
如系统传输上采用标准化的网络协议；各模块和终端釆用标准化接口设计；系统前端采用开放性和可扩展性设计。
使系统具备良好的可扩展性和兼容性，保证不同设备厂商之间可以互通互联，以适应未来的发展。
2.4系统结构组成分析
目前在BAS中，广泛采用的控制系统仍是DCS，但随着FCS的出现与发展，必将会逐步改变这种现状。
将FCS与DCS结合应用，是现阶段值得推荐的一种作法。
即一方面在大型建筑中采用集散控制的体系结构，另一方面在现场执行级采用现场总线控制技术，如LonWorks、BACnet、Profibus等等。
DCS具有丰富集中的监控管理功能，而FCS可以实现信号串行双向快速传输，具有很强的抗干扰能力，且有利于系统的组织与集成。
利用现场总线技术的DCS系统结构。
由此可见，将FCS与DCS结合应用集中了两种系统的最大优点，从而进一步完善了整个系统的控制、管理、决策等功能
3.功能需求
3.1系统功能
（1）能实时监测用户室内的温度、湿度、有害气体的变化。
（2）具有报警及处理功能。
报警源包括用户室内环境异常（如煤气泄漏，出现火灾等），也包括室外监控报警（如电梯故障，视频监控报警等）。
系统在警情处理模块上应该有多种方式，使用户可以有多种选择来处理警情。
例如，普通的声光报警、或者是通过无线网络向值班人员发送短消息或电话直接报警等等。
此外，系统还应该实现报警联动功能，实现以报警响应为核心的集中式联动控制。
从而做到发现警情能够及时处理，以实现真正的无人职守。
（3）能实时显示小区内各视频监控现场的图像。
（4）防火功能。
通过烟雾传感器，能及时的发现火灾的产生。
3.2系统数据流图
主要数据流包括：
（1）对用户水、电、气表信息的采集数据。
（2）各安全监测传感器（如火灾监控、有害气体（多为煤气）等）所产生的实时数据。
（3）视频监控系统的视频数据。
其中水、电、气控系统数据流处理如图1所示：
图1监控系统数据流
4.系统性能需求
对系统提出的具体性能要求如下：
（1）室内环境检测数据可靠传输，若产生报警信号应立即响应。
（2）视频信号在网络不拥塞的情况下，其传输延迟应该尽量小。
（3）系统可以长时间的稳定工作，不出现系统级的事故。
面向智能楼宇协议总体设计
一、LonTalk协议
1.概述
LonWorks协议称为LonTalk协议和ANSI/EIA709.1控制网络标准，是LonWorks系统的核心。
该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备报文。
LonTalk协议能提供端到报文确认、报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。
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。
它提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务，支持灵活寻址。
为了确保满足控制网络的可靠和鲁棒的通信标准，LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性的通信机制。
表1给出了对应七层OSI参考模型的LonTalk协议为每层提供的服务[1]。
表1所示
层次
OSI层次
服务
Lonworks提供的服务
7
应用层
网络应用
标准网络类型
6
表示层
数据表示
网络变量、外部帧传输
5
会话层
远程遥控
请求/响应、认证、网络管理
4
传输层
端到端可好传输
应答、点对点传输
3
网络层
传输分组
地址、路由
2
数据链路层
LLC层
帧结构
帧结构、CRC校验
MAC层
介质访问
CSMA、优先级
1
物理层
电路连接
介质、电气接口
2.物理信道
LonTalk协议支持以不同通信介质分段的网络，它支持的介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。
每个LonWorks节点都需要物理地连接到信道（Channel）上，信道是数据包的物理传输介质；LonWorks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的器件，路由器有四种不同的安装算法：
配置路由器（ConfiguredRouter）、自学习路由器（LearningRouter）、网桥（Bridge）和重复器（Repeater）。
可以任选一种算法来安装路由器。
由网桥或重复器连接的信道的集合称为段（Segment）。
节点可以看见相同段上的其它节点发送的包[2]。
而智能路由器（配置路由器和自学习路由器）则根据设置决定是否将数据包继续向前传送。
故可用来分离段中的网络交通，从而增加整个相同的容量和可靠性。
3.LonTalk协议的寻址方式
LonTalk协议地址唯一地确定了LonTalk数据包的源节点和目的节点（可以是一个或两个节点）的地址。
LonTalk协议定义了一种使用域（domain）、子网（subnet）和节点（node）的分级编址方式。
使用这种方式编址，替换网中的节点变得非常简单，只需将替代节点的地址编成与原节点一致，不需进行其他任何修改。
为了便于进一步对多个分散的节点寻址，LonTalk协议还定义了另外一类使用域和组（group）地址的寻址方式。
图1为LonTalk分层编址示意图。
图1所示
域地址：
域是一个或多个信道上节点的逻辑集合，通信只能在配置为相同域的节点之间进行，因此一个域便形成一个实际意义上的网络，每一个域有其唯一的域ID标识，域ID可以配置为0B-6B。
子网地址：
子网是同一个域中至多有127个节点的逻辑集合，子网标识码配置为8位，一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。
子网中的所有节点必须在同一信道上，并且子网不能跨越智能路由器。
如果一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。
节点地址：
一个子网内的节点被赋予该子网内的唯一的节点标识码。
节点标识码为7位，每个子网最多可以有127个节点。
一个域中最多可以有32385个节点（255×127）。
组地址：
组是一个域中节点的逻辑集合，与子网不同的是节点可以任意分布而不用考虑它们在域中的物理位置，组还可以跨越任意的信道、路由器或网桥等。
使用组地址可以有效地使用网络带宽来进行一对多的网络变量和报文标签的连接。
组地址可以由长度为1B的组号来标识，一个域最多可以有255个组[2]。
4.LonTalk协议的消息服务类型
针对可靠性及有效性，LonTalk协议提供以下4种消息服务类型：
（1）应答服务（ACKD）
应答服务也被称为端对端的应答服务，它是最可靠的服务类型。
当消息发送到一个节点或一组节点时，发送节点将等待所有应收到该消息的节点发回应答。
如果发送节点在预定的某个时间内未收到所有应收应答，则发送节点时间溢出，并重发该消息。
重发消息的次数以及时间溢出值可选择设定。
应答由网络处理器产生，应用处理器不必过问。
（2）请求/响应服务（Request/Response）
请求/响应服务也是最可靠的服务类型。
当请求消息发送到一个节点或一组节点时，发送节点等待所有收到该消息的节点发回响应。
同样，它也有时间溢出值以及重发次数可选择设定。
响应可包括数据，所以这种服务类型特别适合远程过程调用或客户/服务器（Client/Server）应用。
（3）重发服务
重发服务（UNACKD_RPT）也被称为非应答重发服务，它的可靠性较应答服务为低。
某个消息被多次发往一个节点或一组节点，无应答或响应。
当对大的节点组广播时，为避免接收过多响应造成网络过载，通常采用该服务类型。
（4）非应答服务
非应答（UNACKD）服务可靠性最差。
某个消息一次性发往一个或一组节点，无应答或响应。
当需要极高的传送速率或大量的数据要发送时，通常采用这种服务类型。
不过，采用该服务类型应用程序无法知道发出的消息是否丢失，又无重发机制，所以它的可靠性是最低的。
（5）冲突
LonTalk协议使用其独有的冲突避免算法，称为带预测的P—坚持CSMA（PredictiveP-PresistentCSMA）算法。
该算法具有在过载的情况下信道仍然能通过接近最大能力的负载，而不会由于过多的冲突而使通过量降低。
当使用支持硬件冲突检测的通信介质（如双绞线）时，只要收发器检测到冲突的发生，LonTalk协议可以有选择地取消数据包的传输。
它允许降低立刻重新发送被冲突破坏的包。
若没有冲突检测，假定使用的服务为确认或请求/响应服务，节点将不得不等待到重试时间结束，才能知道节点没有接收到目的节点的确认，这时，节点才重发该数据包。
对于非确认服务，未检测到的冲突意味着包没有被接收到并且不作任何重试。
（6）优先级
LonTalk协议通过提供优先服务机制以改善对重要消息包的响应时间。
协议允许用户在信道上分配优先级时隙（PrioritytimeSlots），它专门用于具有优先级的节点。
信道上的每个优先级时隙对每个消息的发出额外附加有一定的时间（最小为2比特时间），从而换取一定的带宽供信道上实现无竞争的优先访问。
附加的时间值大小与比特速率、振荡器的精度以及收发器的需求有关。
例如：
信道上所有节点使用TP/XF1250双绞线收发器（速率为1.25Mbps），振荡器的频率精度≤0.2％，每个优先级时隙宽为30比特时间。
由于不存在竞争，配置优先级的节点相对于无优先级的节点的响应时间要好得多。
优先级与冲突检测的结合将获得更优的响应时间。
为每个节点分配优先级时隙的网络管理工具可以保证节点在信道上被赋予一个特定的优先级时隙。
节点只能在分配给它的优先级时隙发送它的所有赋予优先级的消息包。
就实质而，优先级的使用极大的降低了网络冲突的概率。
优先级时隙的数目（M）可以是0～127，具体是多少取决于信道类型以及信道优先级时隙的配置数量。
较小的优先级数代表较高的优先级。
若某个节点被赋予的优先级时隙是“0”，该节点将无优先级时隙供发送消息。
优先级时隙1预留给网络管理器，即其在网络上的优先级最高。
当节点内生成一个优先级包后，在挂起的所有的无优先级输出包被传输之前，该优先级包将在优先级队列被传送出节点。
同样，当一个优先级包到达路由器时，它加入到路由器队列的前面（但在所有己排队的优先级包后），若己配置了路由器的优先级时隙，则它使用路由器的优先级时隙向前传送[3]。
5.LonTalk协议的MAC子层
LonTalk协议的MAC子层是OSI参考模型链路层的一部分。
其所采用的算法是属于CSMA（载波监听多路访问）家族的。
CSMA算法要求网络上的每一个节点在传送报文之前，必须先侦听信道，确认信道是空闲的。
然而，一旦检测到信道的空闲状态，CSMA家族的每种算法的行为是不同的，按占用信道的方式，分以下几种[4]：
（1）非坚持CSMA一旦侦听到信道空闲，立即发送；一旦发现信道忙，不再坚持侦听，延时一段时间后再侦听。
缺点是不能将信道刚一变成空闲的时刻找出。
（2）1-坚持CSMA侦听到信道闲，立即发送；侦听到信道忙，继续侦听，直至出现信道空闲。
缺点是，若有两个或更多的节点同时在侦听信道，则发送的帧相互冲突，反而不利于吞吐量的提高。
（3）P-坚持CSMA当侦听到信道闲时，就以概率P发送数据，而以概率（1-P）延迟一段时间（端到端的传播时延），重新侦听信道。
缺点是，即使有几个节点要发送数据，因为P值小于1，信道仍然有可能处于空闲状态。
（4）可预测P-坚持CSMA由于现有的MAC算法，如IEEE802.2、802.3、802.4及802.5不能满足LonTalk使用多种通信介质、在交通繁重情况下维持性能、支持大型网络的需要，LonTalk协议采用了可预测P-坚持CSMA（PredictiveP-PersistentCSMA）算法。
CSMA算法要求节点在开始传送数据之前确认介质是空闲的。
然而，一旦检测到介质的空闲状态，每种算法的行为是不同的。
在网络数据通过量很大的情况下，这导致了各种网络性能上存在着极大的差异。
一些CSMA算法采用一种称作时间段的分离时间间隔的方法来实现对介质的访问。
通过给每个节点使用特定的时间段来限制其对介质的访问，从而大大降低了数据包冲突的可能性。
LonWorks介质访问采用的是点对点的结构，每个节点都能独立地决定帧的发送。
如果有两个或多个节点同时发送，就会产生冲突，同时发送的所有帧就会出错。
因此一个节点发送信息成功与否在很大程度上取决于总线是否空闲的算法。
所以在LonWorks网络中每个节点使用预测的Ｐ坚持CSMA算法对等地访问信道。
如果一个节点需要发送数据而试图占用信道时，首先在T1周期中检测信道上有没有信息发送，以确定网络空闲。
然后产生一个随机的传送延时ｔ（ｔ为0－W时间片T2中的一个）。
当延时时间到，且信道仍空闲时，此节点开始传送报文，否则节点接收发送来的数据包，然后重复访问信道。
图2为可预测P-坚持CSMA的示意图[6]，其中T1为空闲时间，T2为随机时间
图2所示
6.LonTalk的其它协议层
（1）链路层
LonTalk协议的链路层提供在子网内，链路层数据帧的帧顺序的无响应传输。
它提供错误检测的能力，但不提供错误恢复能力，当一帧数据CRC校验错时，该帧数据被丢掉。
在直接互连模式下物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编码，在专用模式下根据不同的电气接口采用不同的编码方案。
CRC校验码加在网络层协议数据单元的最后，CRC采用的多项式是X16+X12+X5+1（标准CCITTCRC-16编码）。
（2）网络层
LonTalk协议在网络层提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制，路由器的机制也是在这一层实现的。
（3）传输层和会话层
LonTalk协议的核心部分是传输层和会话层。
一个传输控制子层管理着报文执行的顺序、报文的二次检测。
传输层是无连接的，它提供一对一节点、一对多节点的可靠传输。
信息证实（Authenticated）也是在这一层实现的。
会话层主要提供了请求/响应的机制，它通过节点的连接，来进行远程数据服务（Remoteservers），因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。
LonTalk协议的网络功能虽然是在应用层来完成的，但实际上也是由提供会话层的请求/响应机制来完成的。
（4）表示层和应用层
表示层和应用层提供五类服务：
网络变量的服务——当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值变成应用层协议数据单元下传并发送，使所有把变量定义为输入的节点，收到该网络变量的改变值当收到信息时，能根据上传的应用层协议数据单元判断是否是网络变量，以及是哪一个网络变量并激活相应的处理进程；显示报文服务——将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组织成应用层数据单元下传发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。
当收到信息时，能根据上传应用层协议数据单元判断是否显示报文，并能够根据报文代码激活相应的处理进程；网络管理的服务——进行有关网络信息管理方面的处理；网络跟踪的服务——这些信息被网络管理初始化，测试网络上所有的操作，记录错误信息和错误点；外来帧传输的服务——该服务主要针对网关（Gateway），将LonWorks总线外其它的网络信息转换为符合LonTalk协议的报文传输或其逆过程。
7.网络管理与网络诊断
LonTalk协议的网络管理和网络诊断提供了五类服务。
（1）地址分配分配所有节点的地址单元，包括域号、子网号、节点号以及所属的组名和组员号，48位的NeuronID由芯片生产厂家在生产时烧入给定，网络开发人员不能对其进行配置。
（2）节点查询查询节点的工作状态以及网络通信的错误统计，包括通信CRC检验、通信超时等。
（3）节点测试发送一些测试命令来对节点进行测试。
（4）路由器配置设置配置路由器的配置表。
（5）节点运行管理寻找未配置的节点并下载网络地址；停止、启动和复位应用程序；访问节点通信统计；下载新的应用程序；提取运行网络的拓扑结构等。
8.Neuron芯片
神经芯片是LonWorks系统设备的核心器件，它包括一套完整的通信协议（LonTalk协议），从而确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作；Neuron芯片可直接与它所监视的传感器和控制设备连接，所以Neuron芯片可以传输传感器或控制设备的状态，执行控制算法，和其它的Neuron芯片进行数据交换等。
Neuron芯片在大多数智能节点中是一个独立的处理器，如果节点需要更强的信号处理能力或I/O通道，可以与其它处理器进行通信，共同构成所需的节点。
神经芯片包括3个8位微处理器、随机存储RAM、只读存储ROM以及通信和I/O接口。
ROM中驻存一个操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。
Neuron芯片的主要性能特点有：
①高度集成，所需外部器件较少；
②三个8位的CPU，输入时钟可选择范围：
625KHz一10MHz；
③片上存储器；
④11条可编程I/O引脚（有34种可选的工作方式）；
⑤两个16位的硬件定时器/计数器，15个软定时器；
⑥休眠工作方式：
这种工作方式能在维持操作的情况下降低电能损耗；
⑦网络通信端口有三种方式供选择：
单端方式、差分方式和专用方式；
⑧固件包括LonTalk协议、I/O驱动器程序、事件驱动多任务调度程序；
⑨服务引脚：
用于远程识别和诊断；
⑩48位的内部NeuronID用于唯一识别Neuron芯片。
神经芯片的三个微处理器分别为MAC处理器（通信处理器）、网络处理器和应用处理器，其结构如图3所示。
图3所示Neuron芯片处理器和存储器
CPU-l是介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的第1和第2层，包括驱动通信子系统硬件和执行MAC（MediaAccessControl，介质访问控制）算法。
CPU-1和CPU-2用共享存储区中的网络缓存区进行通信，正确地对网上报文进行编码解码。
CPU-2是网络处理器，用于实现LonTalk协议的第3到第6层，这包括处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等，同时，它还控制网络通信端口，物理地发送和接收数据包，该处理器用共享存储区中的网络缓存区与CPU-l通信，用应用缓存区与CPU-3通信。
CPU-3是应用处理器，它执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。
在多数应用中，使用的编程语言是NeuronC[7]。
9.LonWorks编程语言—NeuronC语言
NeuronC是从ANSIC中派生出来的，专门为Neuron芯片设计的编程语言。
为了满足神经元芯片作为智能分布控制应用，NeuronC扩
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