Local Operating Network (LON)

LON (Local Operating Network) ist ein Standard zur Verwaltung komplexer Gebäudeautomatisierungssysteme. Geräte verschiedener Hersteller können damit über einen Feldbus untereinander verbunden und über ein dezentrales Kontrollnetzwerk gesteuert werden.

Übersicht

Die als LonWorks in Kombination mit verschiedener Software vermarktete Plattform wurde von Echelon in 1990 entwickelt und seit 2008 vom LonMark International Consortium vertrieben und organisiert. Endgeräte können nur von lizenzierten Partnern produziert werden, da die Partizipation und Authentifizierung in einem Lon Netzwerk ausschließlich über einen speziellen, proprietären Microcontroller (Neuron-Chip) möglich ist. Die LonWorks Plattform bietet neben einem robusten Kommunikationsprotokoll (LonTalk) mit den LonWorks Network Services ein Framework an, mit dem die Steuerung des Netzwerks, die Speicherung und Verwaltung von Daten und die Interoperabilität mit anderen Heimautomatisierungsstandards umgesetzt werden kann. Alternativ dazu existieren Implementationen ähnlicher Middleware-Lösungen von anderen Herstellern wie NLStart, Niagara oder Honeywell.

Lon wird häufig zur Steuerung von Beleuchtung, Heiz- und Ventilationssystemen, sowie zur Kontrolle von Sicherheitstechnik wie Kameras, Brandschutzsystemen oder elektronischen Türen genutzt. Komplexe Netzwerke zur Automatisierung im öffentlichen Nahverkehr oder in der Produktion von Elektronikteilen lassen sich ebenfalls mit Lon realisieren, da viele hochspezifische Geräte unterschiedlicher Hersteller zur Integration in Lon Netzwerke angeboten werden. Hohe Lizenzgebühren für Hard- und Software schließen einen Einsatz von LonWorks für Heimanwender dabei jedoch eher aus.

Hardware

Neuron Chip

Neuron Chip 3150

Als LonWorks-Netzwerkknoten-Controller werden spezialisierte Hybrid-Mikroschaltungen namens Neuron verwendet. Der Neuron-Chip ist ein komplettes System auf einem Chip.

Jeder Chip verfugt eine eindetige 48 bit läng ID-Nummer, Speicher der EEPROM(512 bit), RAM Speicher mit 1-3 KB, 10 kByte ROM enthält, es besteht zudem noch die Möglichkeit in einigen Chipmodellen (wie z.B Neuron 3150 Chip) einen externe Speicher einzuschliessen.

Der Neuron-Chip enthält drei CPUs:

• Der Media Access Processor (MAC) ist für das Senden und Empfangen von Nachrichten im Netzwerk verantwortlich. Außerdem wird überprüft, ob die CRC und das Nachrichtenziel korrekt sind.
• Der Netzwerkprozessor ist für die mittleren Schichten des Protokolls verantwortlich. Aufgaben wie Paketweiterleitung, Zieladressierung, Ende-zu-Ende-Bestätigungen, Wiederholungsversuche, Erkennung doppelter Nachrichten usw.
• Der Anwendungsprozessor ausführt benutzerdefinierte Anwendung. Das Neuron kann eine Verbindung zu einem anderen Prozessor herstellen und diesen High-End-Prozessor die Anwendung ausführen lassen, während das Neuron die Kommunikation abwickelt.

Es gibt mehrere Gründe für die Verwendung von mehreren Prozessoren, einschließlich niedriger Prozessorkosten, Leistung und Entkopplung des Netzwerkverkehrs von der Anwendungsverarbeitung. Wenn die Anwendung mit separaten Prozessoren sehr ausgelastet ist, kann der Netzwerkprozessor weiterhin Nachrichten senden und empfangen. Wenn das Netzwerk sehr ausgelastet ist, kann die Anwendung die lokalen Steuerungsalgorithmen weiterhin verarbeiten.

Innerhalb des Neurons gibt es 4 Speicherbilder:

• Das Systembild enthält das Protokoll, das Betriebssystem, die E / A-Bibliotheken usw.
• Das Kommunikationsbild enthält die Kommunikationsparameter wie Medientyp, Geschwindigkeit usw. Die Neuronen verwenden standardmäßig differentielles Twisted Pair mit der höchsten Datenrate, die mit dem verfügbaren Takt verfügbar ist.
• Das Netzwerkbild enthält die logische Adresse und die Bindungsinformationen des Geräts, einschließlich des Zielknotens, mit dem gesprochen werden soll, der zu verwendenden Nachrichtentypen usw. In der Regel wird dieses Bild zur Installationszeit von einem Netzwerkverwaltungstool geändert.
• Das Anwendungsbild enthält die benutzerdefinierten Steuerungsalgorithmen des Benutzers.

Damit Neuronen kommunizieren können, müssen mindestens die System- und Kommunikationsabbilder vorhanden sein.

Insgesamt ist die Hardware so gestaltet, dass keine zentrale Steurung benötigt wird, sondern die Knoten auf Nachrichten - Telegramme der anderen Knoten Reagieren.

LON Talk Protokoll

LonTalk ist ein von der Echelon Corporation entwickeltes Protokoll, das für Überwachungs- und Steuerungsaufgaben für Netzwerkgeräte optimiert ist, die über verschiedene Kommunikationsumgebungen wie Twisted Pair, Stromleitungen, Glasfasern und Funkfrequenzen interagieren.

Das LonTalk-Protokoll ist nicht auf eine bestimmte Implementierung der physischen Schicht angewiesen und ermöglicht die Datenübertragung über eine Vielzahl von Kommunikationskanälen unter Verwendung verschiedener Codierungsmethoden. Beispielsweise wird das Differentialcodierungsverfahren für verdrillte Paare verwendet, und die FSK-Modulation wird für den Betrieb an Segmenten von Spannungsleitungen und bei Hochfrequenzen verwendet.

Jeder LonWorks-Knoten arbeitet mit einer physischen Schicht in einem von zwei Modi - direkt oder speziell. Im direkten Modus werden Informationen in codierter Form übertragen (z. B. unter Verwendung einer differentiellen Manchester-Codierung von Bits), und in einem speziellen Modus werden Daten sequentiell und ohne Codierung übertragen. Darüber hinaus wird in beiden Modi jedes Paket von einem 16-Bit-CRC-Code begleitet. Dies ermöglicht es, bei der Übertragung von Bits eine bestimmte Implementierung des Übertragungsmediums nicht zu berücksichtigen. Im Direktmodus übernimmt der Neuron-Mikrocontroller die Kontrolle über die Datenübertragungsrate, die Länge der Paket-Header und die Codierung. In einem speziellen Modus werden diese Aufgaben von dem Transceiver ausgeführt, der zum Verbinden verschiedener physikalischer Protokolle verwendet wird.

Es implementiert die volle Funktionalität des 7-Layer-OSI-Protokollstandards. Kleine Netzwerke müssen nicht alle Dienste nutzen, aber wenn das Netzwerk wächst, können die Funktionen erweitert werden, ohne dass Software oder Firmware aktualisiert werden müssen.

1. In der Physische Schicht wird eine Vorhersage-Methode verwendet, um mit Kollisionen (Konfliktsituationen) umzugehen, die auf einer Rationalisierung des Zugriffs auf den Kanal unter Berücksichtigung der erwarteten Belastung des Kanals basieren. Der sendende Knoten erhält immer mit einer zufälligen Verzögerung im Bereich von 0 bis zu einem bestimmten Wert w Zugriff auf den Kanal, der eine Funktion der Anzahl der ausstehenden Aufgaben ist, die zur Ausführung anstehen. Die Auflösung von Kollisionen auf dieser Unterebene erfolgt nach folgenden Regeln:
   • Wenn nach zwei aufeinanderfolgenden Versuchen, ein Paket mit Priorität zu senden, eine Kollision auftritt, wird das nächste Paket ohne Priorität gesendet.
   • Wenn eine Kollision erkannt wird, muss der sendende Knoten die Anzahl der ausstehenden Aufgaben erhöhen.
   • Wenn nach 255 aufeinanderfolgenden Versuchen, ein Paket zu übertragen, eine Kollision auftritt, wird die Aufgabe entfernt.
2. Funktionen der Datenverbindungsschicht verwenden eine einfache Rahmencodierung und einen unkomplizierten Fehlererkennungsmechanismus ohne Wiederherstellung aufgrund einer erneuten Übertragung. Die Kanalkapazität hängt von einer Reihe von Faktoren ab: Übertragungsrate, mittlere Zugriffszeit, Paketgröße usw.
3. Die Transportschicht stellt eine zuverlässige Paketübertragung zu einem Teilnehmer oder einer Gruppe von Teilnehmern bereit. Für die Kommunikation mit der Sitzungsebene auf der LonTalk-Transportschicht werden die folgenden funktionalen Anforderungen unterstützt: Senden eines Telegramms, Empfangen eines Telegramms, Bestätigen des Abschlusses der Übertragung.
4. Die Sitzungsschicht ist für die Implementierung eines einfachen Anforderungs- / Antwortmechanismus für den Zugriff auf entfernte Datenserver verantwortlich und stellt die Implementierung nur einer Funktion sicher - Anforderung / Antwort. In diesem Fall wartet jede Anfrage auf eine Antwort. Die Anforderungs- / Antwortfunktionen können für Anwendungsaufgaben verwendet werden, die nach dem Client-Server-Prinzip arbeiten.
5. Auf Transport ist der Mechanismus zum Steuern des autorisierten Zugriffs aktiviert: Eine Anforderung, die keinen Zugriff auf die Daten des aktuellen Knotens hat, wird nicht bedient.
6. & 7. Die Anwendungs- und Darstellungsschicht bildet die Grundlage für die Kompatibilität von LonTalk-Protokollknoten. Eine der wichtigsten Aufgaben, die auf dieser Ebene gelöst werden, ist die Übertragung von fremden Telegrammen an LonTalk. Diese Funktion wird verwendet, um Gateways zwischen Domänen zu organisieren und über LonTalk zu anderen Protokollen zu gelangen. LonWorks verwendet CSMA / CD (Modified Carrier Sense Random Access). Um die Netzwerkbelastung zu verringern, wird ein ereignisbasierter Messaging-Mechanismus verwendet. Um den Intranetverkehr zu verringern, können Sie die Netzwerksegmentierung mithilfe von Routern verschiedener Hersteller verwenden.

SNVTs

SNVTs (Standard-Netzwerkvariablentypen) ist eines der Schlüsselkonzepte von Interoperabilitätssystemen. Die Standardisierung der Variablen verwendet, um die physikalischen Konzepte und Dinge in LonWorks zu beschreiben. Die Liste der Standardtyp wird von den Organisation LonMark International erstellt.

Zum Beispiel, das Thermostat thermische SNVT mit expectedly eine Zahl zwischen von Null und 65.535 erzeugen. Dies entspricht einer Temperatur zwischen -274 und 6279,5 Grad Celsius.

Dadurcch wird der Austausch von Nachrichten ermöglicht. Sobald sich eine SNVT ändert, wird das im Netz bekanntgegeben. Wenn sich beispielsweise dieTemperatur am Temperatursensor ändert, sendet dieser die Standard Netzwerkvariable „SNVT_temp“ an den Aktor (z.B,„Heizungsventil“) um dort eine Änderung zu bewirken.

Software

LON Network Services

Praktisch alle aktuellen Tools basieren auf der Plattform LNS des Technologieanbieters Echelon. Mit einem Netzwerkmanagementtool erfolgen die Planung des Netzes und die Definition der Verknüpfung der Knoten miteinander. Es erlaubt eine Diagnose des Netzes und stellt Informationen für Visualisierungssysteme zur Verfügung.

Das LNS bietet Verzeichnis-, Installations-, Verwaltungs-, Überwachungs- und Steuerungsdienste, die für offene LonWorks-Netzwerke erforderlich sind. Das ist ein Client-Server-Betriebssystem mit einem einzelnen LNS-Server, der viele interoperierende Clientanwendungen unterstützt. Der LNS Server kann als eigenständige Anwendung auf einem mit dem Netzwerk verbundenen PC oder auf demselben PC wie das Netzwerkverwaltungstool ausgeführt werden. Remote-Clients können sich beim LNS-Server anmelden, um auf die gemeinsam genutzte LNS-Datenbank zuzugreifen.

Da API-Netzwerke als Peer-to-Peer-Netzwerk arbeiten und eine andere Datenbankstruktur verwenden (im Vergleich zu Client-Server), sind die Netzwerke nicht kompatibel. Dies bedeutet, dass API-Produkte nicht mit einem LNS-Tool in Betrieb genommen werden können und umgekehrt.

NodeBuilder

Für die Entwicklung der LON Knoten selber wird von Echelon die Software NodeBuilder angeboten. Mit dieser Software erfolgt die Applikationserstellung unter der Programmiersprache Neuron-C. Diese Programmiersprache verfügt über spezielle Erweiterungen für das LON Kommunikationsmodell und erlaubt eine Implementierung von Steuerungsanwendungen.

Netzwerk

Ein LON Netzwerk lässt sich grundsätzlich dezentral organisieren, die meisten Implementationen nutzen jedoch einen Server zur Statuskontrolle, Authentifizierung neuer Geräte, als Brücke zur Interoperabilität mit anderen Heimautomatisierungsstandards und zur Datenspeicherung. Dezentrale Netzwerke lassen sich dabei über die LonWorks Interoperable Self-Installation mit bis zu 200 Geräten vollautomatisch über die integrierten Neuron-Chips konfigurieren, Client-Server Architekturen benötigen zur Installation ein Framework wie die LonWorks Network Services.

Die Verbindung der Geräte untereinander erfolgt dabei über entsprechend spezifizierte Kabel wie Ethernet, Powerline oder Fiber. Bestimmte Varianten von LonWorks sind jedoch auch über Radio oder Wifi realisierbar.

Ein LON Netz wird unterteilt in Domain, Subnet und Node. Eine Domain stellt einen Bereich dar, in dem sich maximal 255 Subnets (Teilnetze) befinden dürfen. Ein Subnet wiederum darf aus maximal 127 Nodes (LON-Knoten) bestehen. Somit kann eine Domain aus maximal 32.385 LON-Knoten bestehen. Bei Bedarf können mehrere Domains verbunden werden. Prinzipiell können aber nur Knoten innerhalb einer Domain miteinander direkt kommunizieren. Jeder Knoten besitzt in einem Netzwerk eine eindeutige logische Adresse. Diese ist in die drei genannte Hierarchiestufen gegliedert: Domain-ID, Subnet-ID und Node-ID.

Organisationen

LonMark International

LonMark International ist eine unabhängige Organisation von Unternehmen, Organisationen und Einzelpersonen, die sich für die Entwicklung, Herstellung und Verwendung interoperabler LonWorks-Produkte und -Netzwerke einsetzen, mit Sitz in San Jose, Kalifornien, USA.

Der Verband kooperiert mit vielen Organisationen und Unternehmen, unterstützt diese bei der Entwicklung neuer Produkte und überwacht die Einhaltung der Protokoll- und Kompatibilitätsregeln. Derzeit arbeitet LONMARK International daran, ISO-Standards für verschiedene Aspekte des Protokolls festzulegen.

LonMark Deutschland

LonMark Deutschland e. V. ist die Interessengemeinschaft der Unternehmen und Institutionen, die im deutschsprachigen Raum mit der LON-Technologie arbeiten.

Ziel von LonMark Deutschland ist es, die Verbreitung der LON-Technologie zu fördern und Technologie und Anwendungen weiter zu entwickeln

Referenzen

LonWorks Integration Guide (Spezifikation des LonWorks Standards und Informationen zu Installation, Topologie, und Geräten)

LonWorks Network Guide (Details zu Lon Netzwerken, Verkabelung und Geräten)

Grundlagen der LON-Technologie (Informationen zu SNVTs und Neuron Chip Struktur)

Introduction to the LonWorks Platform (Details zu Lon Netzwerkaufbau)

LonWorks Software

LonMark International