电梯的开放式通信协议，第 1 部分

讨论了流行的 LonTalk 标准在电梯系统中的应用。

在过去的三十年里，兼容性、互操作性、互换性以及开放和标准协议一直是楼宇自动化行业中最热门的术语。 传统上，电梯监控控制器使用的协议本质上是专有的，但最近在各种标准方面有了新的发展。 在本文的第 1 部分中，讨论了开放协议的科学，然后快速回顾了楼宇自动化中使用的不同开放协议。 将详细讨论在电梯系统中应用的一种流行标准 LonTalk。 

什么是通信协议？

有线或无线计算机网络被定义为一组连接在一起以交换信息和共享资源的计算机和其他设备。 组织网络的一种方法称为“客户端/服务器”，其中一台计算机满足网络上所有其他节点（设备）（称为“客户端”）的存储和处理需求。 另一种方法称为“对等计算”，其中网络上的每台计算机或设备都可以充当客户端或服务器。 “网络拓扑”是指计算机在网络上的布局。 常见的拓扑结构有星形、环形和总线三种。 在楼宇自动化中，设备本身通常就是计算机。

人类使用语言相互交流； 联网计算机根据称为“协议”的标准规则交换数据。 联网计算机传输的每条消息都具有确切的含义，旨在刺激接收者的响应。 因此，协议必须定义语法、语义、通信同步等。 由于计算机不像人类那样聪明和灵活，协议必须标准化。 一个类比是通信协议类似于用于计算的编程语言。 

协议有多种特性，包括但不限于数据格式、地址格式、方案之间的地址映射、路由、传输错误检测、正确消息的确认、超时和重试、信息流方向、序列控制和流量控制。

国际网络标准

国际标准化组织 (ISO) 的开放系统互连 (OSI) 模型为设计网络系统和解释它们的工作方式提供了一个框架。 该模型是不同制造商制定的不同系统之间通信的唯一国际公认标准框架。 目标是创建一个“开放系统”网络环境，在该环境中，任何供应商的计算机或微处理器系统连接到任何网络，都可以与该网络上的任何其他计算机系统或链接的计算机系统自由共享数据。 在这里，“开放系统”提供诸如互操作性、可移植性和开放软件标准等特性。 任何供应商或制造商都有权在其设备上采用开放系统。

目前大多数主流通信协议都符合 OSI 模型。但需要注意的是，OSI 仅仅是一个模型——一个框架，而非协议。这意味着，即使两个产品完全符合 OSI 模型，它们也可能无法自由通信，除非在设计阶段达成某些协议。 

该模型由七层组成。 每一层都有特定的功能，并为其上一层提供服务。 硬件每次接收到一个数据包时，每一层都会处理该数据包并将其提交给上层。 第 7-4 层处理消息源和消息目的地之间的端到端通信，而第 3-1 层处理网络访问（表 1）。

第 1 层提供了最基本的物理介质连接，可以是铜电线、无线电信号或光纤电缆。 中继器和集线器等设备在这一层上运行。 第 2 层与操作通信线路的程序和协议有关，负责逻辑链路控制、媒体访问控制、硬件寻址、错误检测和处理。 第 3 层通过寻址各个网络内部和之间的路由来确定如何在计算机之间传输数据。 在这一层上运行的路由器接收数据包，分析目标地址并路由它。 第 4 层定义信息交换规则并管理网络内部和网络之间的端到端信息传递。 第 5 层与对话管理、建立和管理软件过程会话有关。 通过为每个连接分配自己的会话，设备可以同时与许多其他设备通信。 第 6 层通过屏蔽不同系统之间不同数据格式的差异来提供透明的通信服务。 它可以被视为不同类型数据表示之间的转换器。 它还对加密进行编码和解密。 第 7 层包含特定应用服务的功能，例如文件传输、远程文件访问、虚拟终端等。

并非所有开放协议都实现了所有七层，而且很多层都融合在一起或折叠在一起。 

常用的楼宇自动化开放通信协议

楼宇自动化中普遍采用的开放式通信协议有很多，例如 X10、Modbus、C-Bus、数字可寻址照明接口 (DALI)、CANbus、ZigBee、TCP/IP、开放式楼宇信息交换 (oBIX)、Konnex、LonWorks 和巴克网。 除了最后两个（将在本系列的第一部分和第二部分分别进行更详细的讨论）之外，其他的将只简要介绍。

X10 于 1975 年开发，是一种主要用于家庭的电子设备之间的通信的经典协议。信号以 120 kHz 的脉冲串形式注入电力线，在电压波形的过零点期间为单个设备供电。但是，每次过零时仅传输一位，因此这是一种速度非常低的协议。但是，它足以打开和关闭灯，或者最多调暗灯。无线 X10 设备从那时起就已面世。 

Modbus 起源于 1970 世纪 1979 年代末。232 年，可编程逻辑控制器制造商 Modicon 发布了基于主/客户端架构的多点网络的 Modbus 通信接口。（多点总线将所有组件连接到同一电路，仲裁过程决定哪个设备可以发送信息。）Modbus 接口的物理层非常灵活。它最初采用 RS-485，但后来采用 RS-2，以允许更长的距离、更高的速度和真正的多点网络的可能性。Modbus 通常用于在监控和数据采集系统中将监控计算机与远程终端单元连接起来。每条 Modbus 消息都具有相同的结构（表 XNUMX），这在楼宇和家庭自动化中使用的不同控制协议中相当通用。Modbus 应用于电梯系统，用于感应楼层、轿厢和门开关，^[1] 以光学方式检测轿厢位置、指示楼层并连接变压、变频驱动器。 然而，电梯系统的对象、特性和功能不是由 Modbus 指定的。 因此，该应用程序仍然是专有的。

C-Bus 最初由澳大利亚 Clipsal 公司开发，主要用于家庭自动化，尤其是照明控制。与通过电力线传输的 X-10 不同，C-Bus 需要专用的超低电压（最高 36VDC）非屏蔽双绞线（例如 5 类线），其有效传输距离远超 X-10，可达 1 公里。此外，还有无线 C-Bus 设备可供选择。 

DALI 是另一个著名的控制网络。 过去，灯的电子镇流器和调光器由 0-10-VDC 信号控制。 使用 DALI、IEC 60929（旧版本）或 IEC 62386（当前版本），控制器可以通过双向数据交换来监视和控制网络上的每个照明设备。 组和场景广播消息可用于同时寻址多个设备，在独立网络中最多可处理 64 个。 需要具有 1.2 kbps 固定数据传输速率的专用总线。

控制器局域网 (CAN) 协议是 ISO 定义的标准 (ISO 11898)，用于以高达 1 Mbps 的比特率进行串行数据通信。 它最初是为汽车行业开发的，但已成为工业自动化领域的流行总线。 它是一种两线、半双工（通信是双向但随时单向的）高速网络系统，非常适合使用短消息的高速应用。 CAN 协议定义了 OSI 模型的前两层，CAN 总线上有四种不同的消息类型（或帧）：数据、远程、错误和过载。 当然，在 CANbus 上发现的最常见的消息属于数据帧类型。 CANbus被应用于电梯控制中以处理调度和节能。^[2] 但是，电梯系统的对象、特征和功能也不是由 CAN 公开指定的； 该应用程序仍然是专有的。 

由于 Wi-Fi（IEEE 802.11 系列标准）的普及，需要无线控制网络，因此在 802.15 年开发了一种基于 IEEE 1998 的技术，称为 ZigBee。在 2003 年标准化，它使用小型低功耗数字收音机。 ZigBee 设备可以通过将数据通过中间设备进行长距离传输，从而创建一个没有集中控制或高功率发射器/接收器的网状网络。 现在，标准数据速率为 250 kbps 的 ZigBee 已在楼宇自动化设备中实现，主要是传感器，可以自由放置在房间内，因为它们只需要较低的数据速率，但具有较长的电池寿命和安全性。联网。 另一种无线技术蓝牙主要用于个域网，不适用于楼宇自动化。

TCP/IP，也许是世界上最著名的协议，实际上是指三种类型的协议：传输控制协议（TCP）、互联网协议（IP）和用户数据报协议（UDP）。 美国高级研究计划署于 1973 年开发了 TCP 的第一个版本。第一个正式标准版本 4 (IPv4) 于 1980 年创建。TCP/IP 模型使用四层，从七层 OSI 合并而来。 它们是网络访问层（OSI 物理层和数据链路层）、互联网层（OSI 网络层）、传输层（OSI 传输层）和应用层（OSI 会话、表示和应用层）。 

IP 负责互连不同的局域网技术，创建一个虚拟网络，允许所有设备相互通信，就好像它们在同一个网络上一样。 在 IPv4 中，IP 地址是 32 位二进制数，而 IP 版本 6 (IPv6) 使用 128 位地址（八组，每组 16 位）。 传输层服务有两个版本：UDP，一种不可靠但高效且快速的传输协议，以及 TCP，一种功能齐全、面向连接的传输协议，具有流量控制、确认传输和重传机制。 TCP 保证数据从发送方到接收方的可靠和有序的传递。 与 TCP 不同，UDP 支持数据包广播（发送给本地网络上的所有人）和多播（发送给所有订阅者）。 使用 UDP 的常见网络应用包括域名系统和 IP 语音等流媒体应用。 尽管不受欢迎，但一些楼宇自动化设备现在已在 TCP/IP 上实现。 

oBIX 几乎已完成但仍在开发中，它是一项定义可扩展标记语言 (XML) 的全行业计划，该语言既是人类可读的又是机器可读的，而不是常用的超文本标记语言 (HTML)。 XML 是一种基于 Web 服务的建筑控制系统机制。 其目的是定义标准的 Web 服务协议，以实现建筑机械和电气系统与更高级别的企业应用程序之间的通信。 该协议将使设施及其运营能够作为知识型业务的完全参与者进行管理。 

用于楼宇自动化的三种最流行和广泛接受的开放协议可能是 Konnex、LonTalk 和 BACnet。 在 1990 年代，欧洲出现了三种流行的网络技术：Batibus、欧洲安装总线 (EIB) 和欧洲 Home 系统 (EHS)。1990 世纪 50090 年代末，它们合并成立了 Konnex 协会，该组织代表着一种开放、免版税、独立于平台的家庭和建筑控制标准，该标准已获欧洲 (EN 13321 和 EN 1-14543) 和全球标准 (ISO/IEC XNUMX) 批准。Konnex 协议仅使用 OSI 七个层中的五个，不包括会话层和表示层。Konnex 网络的主要组件是总线接口模块和总线耦合单元。

伦敦工厂

LonWorks 系统由位于加利福尼亚州圣何塞的 Echelon 公司开发，是一种网络自动化和控制解决方案，适用于楼宇、工业、交通和家庭等市场。该协议本身称为 LonTalk，已获得国家和国际标准 ANSI/CEA 709.1、IEEE 1473-L、EN 14908 和 ISO/IEC 14908-1 的认证。

根据摩托罗拉的 LonWorks 技术设备数据手册: 

“LonWorks 技术是一个用于实施控制网络系统的完整平台。 这些网络由智能设备或节点组成，它们与环境交互并使用通用的、基于消息的控制协议通过各种通信媒体相互通信。”^[3]

在 LonWorks 网络中，不需要中央控制或主/从架构。 称为节点的智能控制设备使用通用 LonTalk 协议相互通信。 每个节点都包含实现协议和执行控制功能的嵌入式智能。 此外，每个节点都包括一个物理接口（收发器），用于将节点微控制器（神经元芯片）与通信介质耦合。 每个神经元芯片都有一个唯一的 48 位神经元标识符 (ID) 烧入硬件，这是 LonWorks 的一个特殊功能。 设备可以通过网络广播这个 ID，让网络管理工具分配一个逻辑地址来调试设备。 

LonWorks 支持双绞线、电力线、同轴、红外线、光纤、射频等多种通信介质，LonTalk 可通过 TCP/IP 进行通道传输^[4] 在设备的帮助下。 最基本的介质包括使用数据速率为 16 kbps 的 78.1-AWG 非屏蔽双绞线电缆，无论是自由拓扑还是总线拓扑。 最高速率可以达到 1.25 Mbps（仍然在双绞线上），但仅限于总线拓扑。 

LonWorks 的关键元素是网络变量 (NV) 和配置属性 (CP)，它们共同构成了功能块（图 1）。 网络变量可以是任何数据（温度、开关值、执行器位置设置等），特定设备应用程序希望从网络上的其他设备（输入 NV）获得或希望提供给其他设备在网络上（输出 NV）。 NV 是设备之间通过网络的虚拟（虚构）连接。 CP 就像是硬件上的虚拟双列直插式封装开关，供用户选择特定的设备操作模式。 它们为用于配置设备或功能块操作的文档和网络消息格式提供标准。 如果不同厂商采用自己的NV和CP，设备将无法互操作。 因此，管理机构 LonMark International 充当执行标准的警察，并促进和推进使用 ISO 14908-1 和相关标准的开放式多供应商控制系统的高效集成业务。 

LonMark 发布标准网络变量类型 (SNVT)、标准配置属性类型、标准功能配置文件模板、标准枚举类型和标准程序 ID，并对产品进行认证。 只有同一类型的两台设备的网络变量才能链接在一起进行互操作。 因此，供应商按照标准功能配置文件制造设备以实现完全互操作性至关重要。 用于特定类型设备的功能块的预定义结构，定义了特定功能的所有强制性网络输入和输出以及诸如速率、限制和默认值等配置属性，称为标准功能配置文件。 尽管如此，仍然允许供应商在 LonMark 要求之外向设备添加可选的网络输入/输出和配置属性，从而在设备内设计自己的控制算法和功能软件。 

对于电梯系统中的应用，以下标准功能配置文件可用但不限于：

• 电梯门禁控制器
• 电梯指示灯
• 电梯位置指示器和消息显示
• 电梯厅灯笼（图2）
• 电梯到站锣
• 电梯轿厢方向灯
• 垂直/传送带运输系统接口
• 电梯消防系统端口
• 垂直/传送带运输通讯设备
• 电梯语音播报员
• 在这些功能配置文件中经常使用现有的 SNVT。 例如：
• 楼层名称由“SNVT_str_asc”给出，它是一个最多 30 个字符的字符串。
• 行进方向（“UpCar”和“DownCar”）由“SNVT_switch”给出，它主要是一个指示开和关但具有灰度级的布尔函数。
• 汽车位置由 SNVT_count 给出，它是一个 2 个字节的“无符号长整型”，最小值为 0，最大值为 65536。

其他 SNVT，例如“SNVT_motor_state”、“SNVT_power”、“SNVT_amp”和“SNVT_elec_kwh”，也可用于电梯系统。 

结语

讨论了开放协议的科学，然后快速回顾了楼宇自动化中使用的不同开放协议。 虽然 ModBus 和 CANbus 已经在电梯系统中使用，但它们仍然被认为是专有的，因为不同制造商的通信对象和消息不向公众开放。 更详细地讨论了一种流行的标准 LonTalk。 已突出显示用于电梯系统的标准网络变量类型和标准功能配置文件。 它们是开放协议，因为不同的制造商可以将它们集成到他们的控制系统中。 在本文的第 2 部分中，将讨论另一个流行的标准 BACnet，因为您的作者参与了电梯某些特定对象的开发。

案例

[1] Shabarinath, BB 和 Gaur, N。“基于微控制器的电梯控制器中的 Modbus 通信”，Proc。 2013 国际会议。 关于控制、自动化、机器人和嵌入式系统，IEEE，印度贾巴尔普尔，2013 年 XNUMX 月。

[2]简楚、清路． “基于CAN总线的电梯智能卡控制系统研究”，Prof. 2012 Int. 会议。 系统和信息学，IEEE，中国烟台，2012 年 XNUMX 月。

[3] 蒂尔施，弗里德伯。 LonWorks 技术：简介，-2。 Aufl。 – 爱尔福特：Desotron-Verl.-Ges，2002 年。

[4] Shahnasser, H. 和 Wang, Q。“使用 LonWorks 通过 TCP/IP 控制工业设备”，Proc。 全球电信会议，悉尼，1988 年。