陈一民， 魏东， 陈志新， 孙丽峰

(1北京建筑工程学院电气与信息工程学院，北京100044;2美国Echelon公司北京代表处，北京100027)

摘要:总结了LonWorks现场总线技术实验室的建设背景和发展，论述了实验室建设中的考虑因素，介绍了实验室现状，同时对LonWorks现场总线技术课程实践内容设置和教学方面进行探讨，并展望了实验室的发展。

关键词:现场总线技术实验室;LonWorks技术;教学实践;楼宇自控;计算机控制系统

中图分类号:G482 文献标识码:A 文章编号:1006一7167(2007)03一0061一03

Research on the Construction of Laboratory of LonWorks Fieldbus Technology and the Practical Teaching

CHEN Yi-min，WEI Dong， CHEN Zhi-xin， SUN Li-feng

(1.School of Electrical and Information Eng.，Beijing Inst. of Civil Eng. and Architecture，Beijing 100044，China;2. Representative Office, Echelon Corporation, Beijing 100027，China)

Abstract: This article summarized the establishment background and development of the laboratory of LonWorks fieldbus technology, stated the factors of consideration in the process of lab building, introduced the current structure of the lab. It made an exploration on the contents and teaching method during the teaching practice and also viewed the prospect of the lab. 

Key words: laboratory of fieldbus technology; LonWorks technology; teaching practice; building automation; computer control system

CLC number：G482   Document code: A   Article ID: 1006一7167(2007)03一(0061一03

1 引言

计算机控制系统课程是高校电气信息类专业学生必修的专业课程。课程使学生在所学专业课程的基础上，学习依靠计算机(单片机)、传感器、网络通信等设备和装置进行控制的方法，包括控制系统的原理、组成、设计方法与操作方法。

计算机控制系统课程中对现场总线技术的介绍部分，则将理论知识和实际工程应用进行密切结合。各个高校依据自己的专业特色和培养方向，在计算机控制系统实践教学中会着重介绍在本领域较为流行的现场总线技术应用。

我校是以培养建筑人才为主的院校，因此我校的计算机控制系统课程实践教学即突出了计算机控制系统在智能建筑领域的应用，并以国内外楼宇自动化领域较为广泛应用的现场总线技术— Lon works现场总线技术作为实践教学的主要内容。

为此，我校专门建立了Lon works现场总线技术实验室，并通过多年的建设和实践教学，探索得到一些经验。

2 LonWorks 技术及其在智能建筑领域的应用

LON网( Local Operating Network局部操作网)是由美国Echelon公司在1991年推出的局部操作网络控制系统，该技术可以为集散式监控系统提供很强的实现手段。与当前已有的几种现场总线技术相比，LON网有其特有的突出优点:统一性、开放性以及互操作性。

Lon works 技术具有完整的开发控制网络系统平台，包括所有设计、配置安装和维护控制网络所需的硬件和软件。Lon works网络的基本单元是节点，一个网络节点包括神经元芯片(Neuron Chip)、电源、收发器和有监控设备接口的I/O电路。神经元芯片提供有完整的系统资源，内部集成有3个CPU，其中一个用于执行用户编写的应用程序，另外两个完成网络任务。Neuron芯片有11个I/O引脚，可通过编程提供34种不同的I/O对象接口。芯片还带有通信端口，可通过收发器与网络上的其他节点通信。

经过十余年的发展，LonWorks现场总线技术在工业控制、交通运输、电力输送、建筑智能化领域都得到了广泛应用。目前全球已有超过四千万个基于LonWorks控制技术的设备在运行。

在建筑领域，LonWorks技术广泛应用于楼宇自动化各个子系统——安全防范、照明、电梯、供热及通风空调等系统的监测和控制。这样，不同厂家的不同种设备可以通过同一个通用的控制网络连接起来进行环境监测、设备监视、末端控制和数据集中处理，方便快捷地进行各个设备与系统的集成，大大降低系统的购置、运行、维护与扩展的费用。

无疑，更快地学习到LonWorks现场总线技术的基本理论，了解其在楼宇自控领域的最新发展和应用，掌握并且熟练使用这门技术，将会使学生在今后能更快适应所从事的工作。

3 LonWorks现场总线技术实验室建设

3.1 建设背景

学院自1999年建成了楼宇自控 LonWorks现场总线技术实验室。以美国Echelon公司的Lon Builder开发系统作为实验平台。面向本科学生开设实验和课程设计教学。所开设的实验项目主要是LonWorks网络底层设备(控制节点)的开发;简单组网实验。同时，以建筑物自动化系统作为研究对象开设了相应的课程设计。

随着计算机控制技术、LonWorks现场总线技术和通讯技术的飞速发展，原有的Lon Builder开发系统软硬件已显得过时。并且由于扩招的压力，一套开发系统已不能满足教学需要。因此，学院又于2005年开始对Lon Works现场总线技术实验室进行了二期建设。

3.2 考虑因素及特色

此次实验室建设中，考虑了以下三方面内容。

(1)在实验室的软硬件更新上积极与企业进行合作。学院参加了美国Echelon公司的EIP项目(Educational Institute Project，大学教育项目)，从而以较优惠的价格购进了一批最先进的LonWorks网络开发系统软硬件，并成为Echelon公司全球350家EIP成员单位之一。这样的校企合作不仅使得学校能够获得实际工程中应用的最先进的设备，也使后续实验室建设、设备技术支持上有所保证。同时，企业也能通过学校推广其技术，培养应用型人才。

(2)充分利用学院已有的教学资源。学院于2005年建成了初具规模的建筑智能化实验研究中心。中心拥有楼宇自控系统、建筑物火灾报警消防系统、电梯控制系统、建筑物供配电系统、变风量(VAV)空调系统、保安监控系统等楼宇自动化子系统，能够提供大量真实生动的控制对象。这些子系统可以与LonWorks现场总线技术进行充分结合，为学生进行智能建筑自动化、计算机控制系统等课程的实践学习和搭建实验平台提供方便。

(3)实验设备的改造与利用。由于LonWorks现场总线技术是通用和开放的控制技术，仅仅对控制技术和方法进行介绍而没有控制背景和控制对象，将使得实践教学变得干涩无味，学生也不易将所学的知识和技术应用。为此，改造了自动控制原理和PLC的实验设备，将这些设备的控制对象与LonWorks设备结合。同时，也开发出LonWorks控制节点。这样让学生在有控制背景和控制对象的基础上学习控制技术与控制方法，使他们对计算机控制系统课程和LonWorks现场总线技术有更快更深的理解，并将所学知识应用到实际中去。

3.3 设备构成

实验室设备构成分为LonWorks网络系统开发工具部分和控制对象部分。

Lon Works网络系统开发工具以 NodeBuilder开发工具为基础。NodeBuilder开发工具是一套用于开发Neuron芯片和智能收发器应用程序的软、硬件开发平台。它包括在Windows下运行的全套设备开发软件和用于测试、仿真的硬件平台。其中的LTM-10A平台提供了应用程序的简单仿真环境，支持原始的应用程序开发和测试。此外还配有Gizmo4 I/O调试板。它可以与LTM-l0A开发平台连接，或是直接插人嵌人式控制模块，从而开发原型设备或I/O电路，也可开发用于检测，运行NodeBuilder范例程序的特别功能设备。同时，Gizmo4上也包含了一个原型区域，可供安装自己开发的硬件原型设备，或是在调试板上扩展硬件。用于与计算机相连的U10网络接口设备是一个低成本的、高性能的LonWorks网络接口。

NodeBuilder开发工具教学版包括 LonMaker 3 .1 集成工具(标准版)软件，NodeBuilder软件等。

LonMaker集成工具(3.1版本)是一个软件包，它可以用于设计、安装、操作和维护多厂商的、开放的、可互操作的LonWorks网络。它以Echelon公司的LNS网络操作系统为基础，把强大的客户一服务器体系结构和很容易使用的Microsoft Visio用户接口综合起来。这使得LonMaker成为一个完善的，并足以用于设计和启动一个分布式的控制网络的工具。同时它又足以作为一个操作和维护工具。

NodeBuilder软件从属于NodeBuilder开发平台的一部分，由LonMaker工具进行装载。并且提供了编码向导，使设备开发变得简便。在NodeBuilder软件下可以进行Neuron C语言的编写、编译。并且可以将程序的应用映像下载到LTM-l0A开发平台或其他顾客节点，完成程序调试等功能。

此外以Echelon公司的 i . LON 600 LonWorks/IP服务器和i . Lon 100英特网服务器作为底层组网构架设备。i.LON 600 LonWorks/IP服务器是一个遵从 EIA852协议的LonTalk到IP的路由器，它为日常设备的存取访问能够提供一个可靠的、安全的Internet通道，可将Internet或者任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作为本地或者远程传递LonWorks控制信息的通道。i.LON 100 Internet服务器是一个低成本、高性能的网络接口，同时还是一个能够连接LonWorks设备、M-Bus设备和传统设备，并将它们连接到IP网络或者因特网的网络设备。i.LON 100 e2的特点是内置了一个Web服务器，因此可以通过Web的方式访问i.LON 100 e2内置的时序调度、报警处理和数据记录应用程序维护的所有数据点。

控制对象部分主要有:用旧的PLC实验箱改造而成I/O接口实验箱，实验箱上有仿真的电梯滑块、混料灌，选料盘等模型，可以供学生在进行简单LonWorks节点应用程序开发时作为演示模型使用。此外，还有用自控原理实验装置—电机转速控制模型，单容水箱控制模型和温度控制箱组成的控制对象。这些控制模型可以供学生课程设计、毕业设计等实践环节作为较复杂的LonWorks控制网络对象，同时也可以用于进行简单的数字控制算法研究。

4 实验教学情况

4.1 实验实践教学环节设置

实验室建设是为了更好地为教学、科研服务。目前LonWorks现场总线技术实验室面向学院自动化专业、电气工程与自动化专业本科高年级学生开设实验、课程设计教学环节。

在实验环节中主要开设了NodeBuilder开发系统软件使用、单节点开发基础实验、单节点设计及I/O调试板使用综合性实验、网络配置基础实验、网络配置综合性实验、数字控制PID算法研究实验等。

课程设计环节以建筑物自动化系统为设计背景，进行基于LonWorks现场总线技术的电梯子系统、空调子系统、给排水子系统和安防子系统的节点控制、监视和组网设计。学生将用3周时间完成节点控制程序、底层监控网络建构、系统调试运行等方面的设计和调试工作。这样，学生不仅巩固掌握了基本的计算机控制、现场总线技术方面知识，学会了底层控制技术应用，同时，也初步加深了建筑物内自控系统集成和智能建筑方面的知识。

4.2 其他教学实践和科研活动

实验室不仅完成本科教学大纲所规定的实验、实践教学，同时也为学生毕业设计和科技活动提供了场所。学生可以利用实验室对LonWorks现场总线及其在楼宇自控方面的应用进行深人学习。

同时，也认识到建筑自动化及智能建筑对建筑领域所带来的深刻影响，所以应使与建筑设备有关的非电气信息类—如暖通空调、建筑设备与环境工程、机电工程等专业学生—对楼宇自控系统构建与控制方法和技术有所了解。因此，LonWorks现场总线实验室也将对这些专业的学生开设一些初步的理论与实践认识课程，以使他们在未来工作中有更好的专业结合能力。

此外，LonWorks网络技术实验室还承担部分教师的科研工作，这将使实验室资源得到最大的利用。

5 实验室展望

LonWorks网络技术实验室经过近七年的发展目前已初具特色，地完成了本科学生的实验实践教学工作。然而，一个好的专业课程实验室决不能仅仅停留在目前现有的技术水平和教学层次上，特别是像计算机控制与现场总线技术这样飞速发展的技术，新的设计理念、技术和设备迅速涌现。不紧紧跟上技术的发展与实际应用就不能适应当前培养人才的需要。

为此，将继续积极与企业合作，同时注重此项技术与实际工程应用的紧密结合，发展建设一流的专业技术实验室，并将不断改革教学内容，探索新的教学方法，培养出城市建设“用得上、干得好、留得住”的高级专门人才。

参考文献(References)

[1]魏东，陈一民.计算机控制系统课程设计教学环节研究[J].实验室研究与探索，2005(增刊):219-223.

[2]陈志新，李惠升，周渡海，等.自动化专业特色实验室的建设[J].实验室研究与探索，2005(增刊):278-279.

[3]Echelon Corporation. i.LON 100 e2 Quick-Start Guide [Z] . 2004.

[4]Echelon Corporation. i.LON 600 Quick-Start Guide [Z] . 2004.

[5]Echelon Corporation. NodeBuilder3. 1/FT Development Tool Classroom Edition [Z].2004.

[6]杨育红.LON网络控制技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，1999.

[7]王松青. LonWorks与BACnet现场总线技术及其在楼宇自动化系统中的应用[J].低压电器，2004(9):35-39.下载本文