摘　要　本文论述了控制网络的产生和发展以及控制网络与Internet的连接及与之相关的LonWorks技术。
　　关键词　本地操作控制网　LonWorks技术　嵌入式系统　协议

Real Time Control Network and Internet
Lai Hao，et al
Centre for Microelectronics of Dalian University of Technology,Dalian 116024

　　Abstract　In this paper we comment on the appearence and development of control networks,the connection between control networks and Internet,and the LonWorks technology.
　　Keywords　Infranet, LonWorks technology, embedded system, protocol

1　引 言
　　关于Internet的出现及应用的讨论已经有很多了。而实际上Internet的出现不仅仅是一项单纯的技术革新，而且它跨越了传统意义上的通讯领域并且使非专业的人员也可以使用它。但Internet的应用是否可以拓展到其他方面呢？Internet除了连接计算机以外，是否可以做到把我们周围的设备连接起来呢？这些设备包括我们天天都要接触到的灯、开关、电视、空调和保安系统等等。
　　上述观点可以这样实现：给所有的智能仪器分配一个唯一的IP地址，然后给它们配一个小的Web服务器，那么用Web上的浏览器就可以监视和控制这些嵌入式设备。而实际上，这种做法有很多局限。Internet技术并不能把这些小的嵌入式设备很好的连接起来。这些小的，低成本的控制设备有它们自己的特性，它们与计算机设备是不同的。这就需要有一套与设备连接相适应的网络体系。
　　这就是控制网络出现的原因。控制网络把智能设备连接起来形成一种分布式的网络。这种网络可以用于家庭、楼宇及工厂，并提供一种成本低、可靠性高、灵活性好、控制方便的网络平台。这样，通过连接不同的网络，形成一致的网络结构可以很自然地把网络规范应用于控制设备领域。Intranet网已经成为了Internet的扩展，同样，本地操作控制网，即Infranet网，也可以与Internet和Intranet相连。这样，信息（数据和控制）就可以到处“流动”。网络不但把人与人连接起来，也把人与设备连接起来。图1描述了完整的信息网。

　　便于使用的通用标准出现以后，Internet和Intranet最终迅速发展起来并得到了广泛的认可。WWW和Web浏览器使普通人可以跨越技术障碍来广泛地利用Internet网。相反，Internet网的发展使更多的Web结点出现，也使它得到更广泛的利用。
　　相比之下，控制网络还比较新。更重要的是，目前对日常设备通信标准还没有更大规模的需求。TCP/IP协议、HTTP协议及HTML语言技术逐渐成熟了，WWW标准才会飞速发展。控制领域正在建立与之相似的标准、协议、技术，以使控制网络可以和Internet网紧密结合起来，并把Internet延伸到更广阔的领域。

2　实时控制系统的分类及发展趋势
　　传统的嵌入式系统多年来一直是实时控制工业的主流。嵌入式系统用于工厂中的离散设备及过程控制的自动化。大多数情况下，一般的桌面PC不能满足象图形用户界面（GUI）及实时处理这样的计算要求。
　　从商业的角度看，嵌入式系统可以分为两类：商业嵌入式系统和家用嵌入式系统。商业嵌入式系统用于楼宇自动化、过程控制及工厂自动化。按传统的方法，这些系统包含一个中央处理机，它与多个物理传感器和执行器相连。这种嵌入式系统在过去的十年中已经发展的相当成熟了。系统生产商能够提供满足不同的计算需要（8,16及32位），包含各种功能部件（不同的存储器、I/O口、定时器等）的各种微控制器。这种系统的复杂性、可靠性及实时性产生了对嵌入式操作系统的需求。很多生产商都提供实时操作系统（RTOS）。最近，嵌入式设备逐渐进入家用市场。家用设备的大量购买大大地降低了低档嵌入式设备的成本和大小。中低档处理能力的微控制器逐步用于微波炉、自动温度调节器、立体声音响等家用设备。与商用嵌入式系统不同，这些家用设备并不包含专门的软件，操作系统的概念也并不真正存在，这是因为消费者总是偏爱体积较小、价格较低的产品。
　　从技术的角度看，嵌入式系统可以分为两类：独立式和分布式。独立式嵌入式设备一般装在较小的独立的机壳内，它不能与其他设备智能通信，但可能有远端传感器和执行器与主中央单元相连。家庭安全系统和集中式过程控制系统都是独立式嵌入式系统的例子。较大的系统通常采用实时操作系统（如RTOS，或Microsoft Windows CE）。分布式嵌入式系统把网络结构作为其内部主干结构。系统不需要中心结点，而是用物理通道（如双绞线、无线电波）进行智能结点之间的通讯。楼宇照明系统或智能电梯系统都是分布式嵌入式系统的例子。
　　对于家用嵌入式系统而言，独立式和分布式系统是相互独立的，它们各自有各自的工具和技术。尽管越来越多的家用嵌入式产品采用了分布式的网络方案，但仍有很多非分布式的家用设备。例如，便携式电话就是一个独立设备，代表一种独立式嵌入式产品。一个现代家庭供暖和空调设备就包括很多智能结点（自动调温器、加热器、空调机、电扇等），它们通过物理介质（如双绞线）互相通信。
　　除了那些独立式家用嵌入式应用，几乎所有的采用集中式结构建立的系统都可以转化成分布式网络系统，而且系统成本更低、功能更完善、灵活性更高。同PC网络一样，用网络的方法解决控制问题有显著的优点，包括：
　　^．消除单结点故障；
　　^．降低线损；
　　^．降低系统的安装、维护费用；
　　^．对不同厂商设备实现互操作。
　　由此可见，网络的优势不仅限于计算机领域。我们周围的控制网络，加上Internet和Intranet，足以构成一个全球的数据和控制网络。

3　实时控制网络及其与Internet相连的基本模式
　　在定义了不同的嵌入式系统后，我们进一步讨论一下如何使之于Internet相连。
　　如前所述，独立式嵌入式系统包含一个中央微处理器，由它来运行嵌入式系统软件。对于更复杂一些的商业嵌入式系统，则需要用实时操作系统（RTOS）来提高可靠性和整个系统的性能。大多数RTOS生产商已经扩展了它们操作系统以支持Web。这种操作系统会把一个小的服务器作为它的一部分。这样，嵌入式系统设计员和操作员就可以把嵌入式系统中的有关数据通过HTML页与Web服务器相连，网上的任一Web浏览器都可以访问这些嵌入式系统。但是，与Internet和Intranet不同，控制网络对它的构件要求很高。它要求其尺寸小、成本低、便于使用，因此当前的Internet和Intranet技术完全不能用于控制领域。很多厂商都试图把Web服务器加入其嵌入式操作系统套件，但由于缺乏无缝网络连接的方案，这些努力都失败了。只能由开发者自己通过私有控制网络方案把底层嵌入式系统与Web服务器相连，并需要设置网关实现协议之间的转换。
　　实际上，把嵌入式设备连入Internet必须有一个控制网络的具体方案。否则，它只能是Internet上一种新的应用。控制网络对控制领域的意义与数据网络（如LAN）对计算机领域的意义一样重大。
　　最近几年，嵌入式领域的革命初具规模。越来越多的厂商意识到用分布式网络系统代替那种多个远端哑结点（传感器或执行器）与中央处理器相连的系统的优越性和重要性。
　　为了更好的理解控制网络的构成及发展方向，我们可以借鉴一下计算机领域的发展。在计算机网络革命过程中，计算机领域与当前的控制领域一样面临着商业和技术的挑战。图2的左半部分描述的是计算机领域的发展。
　　各种各样的因素影响着计算机工业的不断发展，系统成本、用户需求及很多市场因素都非常重要。计算机领域目前的趋势就是网络化。整个计算机领域将是各种网络（Intranet、小型商业网、政府网及Internet）的结合，它们互相连接，构成一个无缝的智能体系。
　　控制工业也将经历与之非常相似的变革。图2的右半部分描绘了它的发展步骤。控制工业的趋势也将是网络化，它必将连入其他网络而与各种网络实现网络互联。网络只被简单的看作是网络，而不管它传递的内容如何（数据或控制），这种发展趋势是不可避免的（如图2所示）。
　　传统的嵌入式系统一直是控制工业的核心。但是，终端用户的需求的不断提高，如要求提高系统可靠性、降低系统安装成本、使用开放系统、降低系统维护费用等等，使系统逐渐向开放的分布式网络系统转变。当然，现在很多控制系统仍然使用传统的嵌入式系统，但厂商和系统设计者已很难不去考虑用网络方案实现成本低、功能强的系统。
　　与计算机革命一样，分布式控制方案需要很多必要条件来满足大众的需要，包括降低半导体芯片的成本、提高构件的集成度等。由于价格的约束和技术更新较慢，分布式控制系统技术发展花了较长的时间。厂商、系统集成商、用户都需要极好的自我完善来实现向新阶段的飞跃。控制网络领域已经具备了这些条件。
　　除了技术因素以外，政治和商业因素也影响着控制工业的发展。要提供一种设计系统的通用平台，必须要有完善的网络体系、交互性良好的标准及设计实践。多年前，在第三方厂商设计出一系列外围PC卡之前，PC需要ISA总线标准。从那以后，PC总线有了飞速的发展，那个起点起着极其重要的作用。

　　控制网络可以更好的解决传统嵌入式系统可以解决的问题，而集中式嵌入式系统由于缺乏通讯能力，不适用于分布式的应用。这不是说嵌入式系统不能互相通讯，而是它们针对每种应用的每次通讯都需要重新配置系统，这就增加了开发费用和周期运转费用。
　　综上，可以概括出控制网络体系的主要特性。表1的前三列列出了这些特性，并与计算机网络进行了相应的比较。

4　面向控制网络的LonWorks技术
　　LonWorks控制网络技术解决了很多上述的技术和商业方面的问题。它跨越了单一的通讯协议，提供了构建控制系统的完整平台。
　　LonTalk协议是一种专门用于控制领域的通用开放标准，它是LonWorks技术的核心。它提供了丰富的功能套件供控制系统厂商选择。LonTalk协议提供的功能套件几乎囊括了所有的控制应用，包括楼宇自动化、工厂和过程控制及家庭自动化。该协议多方面地维护系统的安全性、可靠性及稳定性，且对用户是透明的。
　　Motorola和Toshiba公司生产的Neuron芯片可以自动完成LonTalk协议及其他内置功能，用户只需定义网络变量和做网络变量捆绑，因此LonWorks控制设备通常只包括一个Neuron芯片和一个通信收发器。LonTalk协议支持多种通信介质，包括双绞线、光缆、同轴电缆、无线电及红外线。Echelon公司及许多第三方厂商都提供收发器。
　　LonWorks网络服务（LNS）体系结构是一种强大的网络操作系统，它使用面对对象的方法管理网络化的控制设备。它允许终端用户工具开发员使用统一的、强大的API来开发安装、配置、维护、管理和控制LonWorks控制网络的工具。LNS提供设备和工具厂商间真正的互操作性，这同Microsoft公司的Windows API和Sun公司的Java API提供软件间的互操作平台一样。LNS客户端可以运行在任意平台（PC、MAC、UNIX等）。
　　许多公司都提供象路由器、网络接口卡这样的底层设备。这些产品是构成满足控制网络需求的可升级结构的必要因素。例如，基于LonWorks技术的楼宇照明系统可以使用双绞线骨干网连接各层的子网，子网通过已有电源电缆通信。每一层使用一个双绞线到电源线的路由器，即转换了传输介质，又区分开了楼层间的传输量。
　　没有一套综合的互操作规范，一个管理其发展的中立的管理实体，就不会出现开放的网络标准。LonMark互操作技术委员会的作用就是建立一整套关于设备、系统、工具厂商的规范。LonMark认证程序用于认证所有设备和工具的互操作性，这些设备和工具极大地简化了系统的集成和维护。
　　表1的第四列列举了LonWorks技术的主要优点。

表1　控制网络和计算机网络特性对比及LonWorks技术

5　结 论
　　前几年，网络技术的发展和半导体芯片成本的降低使信息网络的又一次飞跃成为可能。LonWorks标准包含了与之相关的所有必要的技术和商业规范。
　　控制网络把计算领域的优势引入了控制领域。Internet、Intranet和Infranet密切结合把人与人连接起来，也把人与设备连接起来。
　　在计算领域，网络明显的长处在于减少开发时间、增强可靠性、真正地互操作及简化系统维护，而这些只是无缝网络体系的初步发展成果。谁曾预测出Internet的出现及影响呢？谁又能预测出Infranet将给我们的生活带来怎样的影响呢？
　　这些网络的无缝连接创建了一个全球的数据和控制网络，它比其中所有独立部分的总和更有价值。而且，网络本身就是一个控制系统。

参考文献