（控制理论与控制工程专业论文）基于公用电话网（pstn）家庭自动化系统的研究.pdf

硕士论文 mo d 。 ，j 刘 fo n 力 a ti on 抚 hno fo gy withc o m p u 谕 助dn e two 比 桂 军 恤。 l o gy not o ul y p ro m o t esthe d e v e 1 o p m e n t ofth e e c o n o n ” cb u t al s o s pe eds up the d ev e l o p m 印t of伽 h o 欢 iea u to 住 坦 ti onsyst e 们 。 即 。 d y.t h e ai m讨bui l d i n g h o m e auto 双 口 ti ons y s t e mistom ee t the n 食 刃 s ofm odern in fo 扣 阴 ti ons 州ety withresp ect toaut o n 以 忱 月 d 即 仕 加i c pro山日 ts . on th eb as i sof th es tu d yandana 1 y si sinhome aut o m a t 1 on c u rr e n t s tatu sof d e v el o p ll 比 ” t h o 刃 q e anda b ro ad， u s ln gpublic s w i tchedte】 e p h o n e netwo rk(p s t n ) asth e sy s te m a d c c o n ” ” u r 口 c 妞onn e 诩o rk ， 啡歇 d l n g pc asthe s y s t e mad c c o n ll d i p l a 场 叮 川 ， 胡d h ow toc o n s tl u c t a le wcost ， s i m p lyo p e ra o o n ， 即d fa s t h o r o e a u t o n 篮 吐 l oniss tu d i ed. a 五 留 如a y 左 n gind e tall about th eo v er 川 1 加 配d on of th esyst e ll l ， ad es i gnl l l gp l an ofth e s y s t 的atic in t e rf 出 犯m odu leofh aj 心 w are isp ro v l d ed. w 址 l e the p ro b l em is 即al y z edin此 d es i gnin gp 双 兄 es s ， 山 ec onc re t eso hi d on isat so pr o v i d ed. t b 即 the public户o n e c o n u 刀 u n l c ation 贻代 目 i z ed， 山 e。 艺 口 sr 苗 s si on ofl o n g . 烧 口 ge c o n tl l si gnalanda ” to it 口 d c 习 l a n ” si gnaiofthe home e l ectri a 习 a p p li ances is a c 苗 e v 曰， the sec画tyofth e s ys 记 misal s o studi ed， 助dthe sc h e m eisp r o po涨 劝 . r n al l ym a n age m e n t ds lla 七 瞬 of th esys l e ln d es i g n i l g isstodi ed， inclu d i n g c alld for o a 】 eri n d enti fi cati o n 山ia . b ase and w o rks l a te of h o r n e el ectrical a p p li a n c e s data 七 a s e . r 。 心y ，5 o n u n a o z e w h o l e s u bj ect r 璐 已 江 c h ， 抽v e p u t fo r 丙 肛 d th e d 的d e n c y 喇s ti n g inthe s y s t elna 石 c d es i gn叨 d i m p 阳 v e 刃 d e n t d in ， 沈 i o n ， an d h asl ook edin tothe di s ta 叮 cetothe wo tk fof thefu加肥. k e y 钾 此山:h o ii lea u t o m a t i o n p s t nt a p 1 d a ta b as e mode m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 洲 07 年了 月 10 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 加 叮 年 7 月 “ 日 硕士论文墓于公用电 话网 ( p s t n ) 家庭自 动化系统的研究 1绪论 1 。 1课题背景 ， 随着科技的进步以及人们对生活质量要求的不断提高， 人们对家电的控制也在逐 渐追求自 动化及远程化。 信息技术和网络技术的发展为家用电器居家环境集中控制和 远程控制提供了 可能， 将信息技术和家电控制技术相融合， 能在更大程度上实现家庭 生活的信息化和自 动化。 由于我国电 信事业的飞速发展， 通信基础设施日 臻完善，固 定电话、 移动电话用户总数越来越多， pstn ( 公用电话网) 如同神经系统一样分布于 全球并延伸到世界每个角落。 如果能够把p s tn ( 公用电话网) 、 计算机技术以 及自 动 控制技术结合起来， 建立一个远程家庭控制系统，既可以节约投资、降低成本， 又方 便 推 广 ， 具 有 较 强 的 实 用 性 .“ 汀 户 自 动化在各行各业、 各个领域都发挥了 其巨大的作用， 同时也走入了 我们的家庭， 随着电子技术的发展，家庭自动化时代的来临，消费电子产品 ( c ons 伽er e l e c t r o n i c s )已 与资 讯 ( c 伽 训t e r ) 、通讯 ( c o 皿u n i c a t i o n ) 两项产品的 技术结合 在一起， 成为目 前所通称的3c产品， 并使家用电子电 器产品 迈向 家庭自 动化的方向。 随着全球经济的不断发展， 我国的市场经济也飞速发展， 人们生活水平不断提高。 家庭自 动化系统在美国以及国际市场都具有广阔的前景，在中国市场也是快速形成 期， 这些提高 人类生活 质量的 产品 将构成世界范围内 后pc时 代的 新兴it市场11 。 目前关于家庭自 动化伍 omeaut 姻atio n)的称谓很多，诸如:智能家居(s m ar七 h o 口 e ) 、电子家庭( e l e c t r o n i c h 伽e ) 、 e 一恤e数字家园( d i g i t a l f 彻i l y ) 、家庭网 络 ( h o 口 enet / n e t . o r k sforh o m e ) 、网络家居( n et劝rk ho配) 、智能化家庭 ( intenige nth o 口 e ) 等几十种， 尽管名称各异， 但它们的含义和所要完成的功能大体 是相同的 12 。 将先 进的 计算机技 术、 网 络通讯技术和一些己 经很 普及的 设备 有机地结 合起来，可实现家庭中的各种设备( 如照明系统、环境控制、安防系统、管理系统) 通过家庭网络连接到一起。一方面，它可以让用户有更方便的手段来管理家庭设备， 比如， 通过公用电 话网、 无线遥控设备、 互联网或者语音识别等方式控制和监测家用 设备;另一方面， 它还可以 帮助用户实现家庭安全防护，随时监控家中的安全状况， 达到无人值守的安全保护功能， 从而使用户不必像以前一样担心家中发生失窃和一些 意外事故。 与普通家居环境相比， 家庭自 动化系统不仅具有传统的居住功能， 提供舒 适、安全、 宜人的家庭生活空间， 还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工 具， 提供全方位的信息交互功能， 帮助家庭与外部保持信息交流畅通， 优化人们的生 活方式，帮助人们有效安排时间， 增强家居生活的安全性。 二十一世纪是高速变革的信息时代， 社会的信息化唤起了人们对住宅智能化及家 l 绪论 硕士论文 庭智能化的要求，智能住宅己成为中国房地产市场的主流。计算机行业和家电行业、 电信行业、 安防监控行业的互相渗透、 互相融合， 使信息时代直接勾勒于家居生活己 成为现实。 同时也在不断地扩展家庭自 动化系统的 功能， 登如网络接入、 防盗报警系 统、 消防报警系统、 电视对讲、 远程报警、 紧急求助、 室内电器自 控管理、 网上购物、 视频点播、 网上教育等。 我国目 前也在家庭自 动化系统方面进行不断的研究， 建设部 要求根据不同消费者的需要，推动家居数字化、建筑智能化技术及产品的发展，到 2010年全国 大中 城市中6 既的住宅要实现家庭自 动化、 智能化。 由 此可见， 中国 智能 家居市 场潜力巨 大 13 . 1 . 2目 前国内 外研究现状和趋势 随着电信事业的不断发展， 公用电话网已 经遍及各个角落， 因此， 通过公共交换 电话网构建家庭控制系统成为研究人员的首选。早在 1 9 84 年，美国联合科技公司 ( u n i t e dt e c hno l o g i e sbui l d i n gs y s t e m ) 在康乃迪克州 ( c o nne c t i c u t )哈佛市 (harford)的c i ty placebui l din g 中就己 经应用到了电 话网 络建立智能型住宅， 与此同时， 也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。 发展至今， 家庭自 动化 ( home aut 伽ati on)已 经结合先进的计算机技术、网络通讯技术、 综合布线技术， 将与家居 生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、 安全、有效。 20 世纪80年代初， 随 着大量采用电子技术的家用电器面市， 开始出 现了住宅电 子化( he， h 伽ee l e c t ronics) 的概念， 80 年代中期， 将家用电 器、通讯设备与安保 防灾设备各自独立的功能综合为一体，形成了家居自动化概念( ha，h ome automat i on) ，80年代末，由于通信与信息技术的 发展，出现了 对住宅中 各种通信、 家电、 安保设备通过总线技术进行监视、 控制与管理的商用系统， 这在美国称为智慧 屋( 帕， 衍se h ome)，在欧洲称为时髦屋(s h ， 5 二 arth ome)。当时日本正处于房产市 场低迷时期，日 本建设省在推进智能建筑概念时， 抓住用于住宅的总线技术的契机， 提出了 家 庭总 线系 统概念( h 略， h 恤 e bus s y st 动 网 。 而随 着 技术的 继 续发展 和生 物识别技术的实用化普及， 智能化家居的概念才真正体现了其本意， 在好莱坞科幻大 片中看到的那种高度智能化的家居系统正在走进我们的生活。 美国麻省理工学院的实验室正在研究 “ 智能房间” ，通过生物传感器探测人的行 为来自 动控制和调节居住系统，日 本松下公司正在把“ 数码家庭” 的概念应用到养老 院， 养老院的所有房间都与局域网 相连， 装备多种测量仪器、 触摸式显示屏、 数码摄 像机等。 这样每个居住者的体温、 血压等多项数据被传送到护理中心， 实现远程医疗 护理。日本大型住宅公司m lsa wah o 施 为解决购房者对房屋防盗系统的不满意，新近 硕士论文墓于公用电 话网伊s t n ) 家庭自 动化系统的研究 推出“ 保全住宅” ，该住宅内部采用指纹辩识门禁系统，另设有隐藏式防盗室。当遇 到小偷闯入门时屋主可躲进去紧急避难， 防盗室设有两 道厚重的门， 其中内门只要从 里面上锁后， 外部无法靠人力打开。 防盗室内 装设电话专线，电话线埋在地下; 另外 还可在屋内放置一个机器人，可以根据歹徒恐吓的声音来做出反应，并发出求救声， 实现报警功能。 目 前最有名的家庭自 动化系统为美国的x-10。美国己经有超过 400万个家庭安 装了 这类家庭自 动化系统， 其销售己 经超过1 亿个， 设计户型为单位别墅， 应用多为 旧房改造.欧洲、日 本、 澳大利亚、 加拿大等先进地区 及国家纷纷提出了e h s 、 e i b 、 b a t i 朋5 等家居网 络的协议。由于c a n 、 p r o f ibus、 ff、 lon works 等现场总线的产生 及其在实践中的成功应用， 促进了 家居网 络的发展. 澳大利亚的austrol on公司， 加 拿大的c a ba公司， c i r c ons y st阅公司， 韩国的h 刘n 如i aut onet公司， 德国的而clus 公司， 瑞典的t a c 公司，比利时的dti s a 公司， 美国的a 飞t 公司， h o 口 e y 孔n公司 等都对家居网络进行了开发。韩国三星公司也在中国和韩国同时推出其智能家居系 统， 通过机顶盒和网 络， 将家居自 动化控制、 信息家电 、 安防设备以 及娱乐和信息中 心这四部分集成为一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。 从八十年代起我国才开始关注家庭自 动化领域， 但是发展比较迅速， 九十年代迅 速崛起， 特别是近几年在北京、 上海、 广州等大城市，已 经建成了数栋具有相当水平 的智能化住宅小区。 我国十分重视住宅智能化的发展，联想的“ 超居室电脑” ， 康佳、 创维等的数字电 视， 海信的机顶盒， 北京九州易居科技有限公司推出的网络视频监控 esc 胭 和家居安防系统esa fe，清华同方的e 一恤e 数字家园、海尔的 、 家庭” 、科 隆的“ 现代家居信息服务集散控制系统” 等都已经陆续推出。网络化、 智能化正在席 卷着社会的每一个角落。 智能住宅在我国的初次出现是在1 9 97年。 在建设部“ 盯跨世纪住宅小区方案竞 赛活动” 中， 上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“ 智能住宅示范工程气 开了全国智能住宅小区之先河141 。 1 9 99年， 建设部勘察设计司、 建设部住宅产业化办 公室联合组织实施全国 住宅小区智能化技术示范工程。 同时通过示范， 探索出一套关 于住宅小区智能 化技术示范工程建设的设计、 施工等方面的 经验， 并以点带面， 在全 国有计划地全面推广。 该示范工程的正式启动， 标志着我国智能化住宅小区的建设进 入了新的发展阶段阎 。 目 前国内的智能家居产品应用技术基本上都是从发 达国家引进的， 由国内自 主开 发的技术不多， 因 此， 尚未形成一定的国家标准， 但随 着信息技术的不断发展，国内 也已经有一些企业推出了自己的产品，其中 主要有: ( 1 ) 海尔的 “ e 家庭” 2 0 00年9 月海尔提出了气 家庭”的概念，并且计划陆续推出以下的 “ e 家庭” 3 绪论 硕士论文 产品: 家庭无线网络、 整体智能厨房、整体卫浴、 智能上网 设备、ebook 、掌上智能 设备、指纹/ 瞳孔识别系统、 t a b l etpc等产品。 海尔的气 家庭”以 海尔电脑为控制 中心， 各种网络家电为终端设备， 以 海尔移动电话为移动数字控制中 心。 在技术方面， 海尔与微软合作，利用微软的形n d o 份 s m e 技术和海尔的网络家电技术，使 ae 家庭” 已具雏形。 2 0 05年， 海尔ae家庭” 推出了一系列网络产品， 在国内首先实现了产业 化， 包括环境检测系统、 灯光窗帘控制系统、多媒体娱乐系统、 医疗监护系统、 可视 对讲系统、 安防报警系统、 家电 控制系统以 及故障反馈系统。 海尔依据一定行业标准 研发的气 家庭”可以利用网络、手机、固定电话、pd人 多种手段与信息设备互动， 其高速、 同 步及无辐射的 无线 通讯方式， 实现了 信息的 共享、 互 联和 互通 tal 。 到目 前 为止， 海尔 气 家庭”己 经在北京、上海、广州、天津、青岛、 沈阳等大中城市建立 了样板房、体验中心和示范工程4 00多家。 ( 2)清华同方的e 一ome 数字家园 清华同方智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的家庭自 动化系统， 遵循国 际技术标准， 采用嵌入式软、 硬件技术， 提供网络、网络节点及末端设备等全系列家 庭自 动化产品。其智能家居控制系统主要有下面三个部分: a 系列:遵循eib 协议的家庭控制产品，使用于中高档住宅; b 系列:遵循x 一 10协议的家 庭控制产品， 无需布线，使用于中档住宅; 易家三代:配电箱集中安装式家庭控制产品. 系统可以提供的功能有: 智能调光、家电管理、 远程控制、 家政保安、 环境设置 和窗帘控制等功能。清华同方的e 一 h 伽e 数字家园主要是在智能大厦、智能小区的建 设中， 提供完整的系统解决方案， 产品以功能模块开发为主， 采用国外成熟的智能家 居标准之上9l 。 ( 3)科隆的 “ 现代家居信息服务集散控制系统” 科隆集团推出的“ 现代家居信息服务集散控制系统” ， 有效地集成了 家电智能控 制、家电远程故障诊断及维护、远程互联网 控制和家庭娱乐诸项功能。 1 . 3本文研究的目 的 和惫义 在知识经济迅速崛起的信息时代， 随着人们生活水平的不断提高， 人们对居住环 境的要求越来越高， 不再满足一 个简单的居住空间， 希望能够向更加舒适、 方便，安 全， 甚至是自 动化方向发展。 因此， 安全的、 人性化的智能住宅能够很好地满足人们 的要求。随着科技飞速发展， 信息技术日 新月异，智能家居是未来家居的发展趋势， 也是人们追求的目 标和研究人员正努力解决的问题， 具有良 好的发展前景， 而且其功 能也可以 不断的加强完善， 使未来的智能家居更人性化、 更易操作、 更有实用性。 它 硕士论文羞于公用电话网任 喀 t n 家庭自 动化系统的研究 能够给用户提供安全、 舒适和便利的生活环境。 智能化、 信息化的浪潮正在席卷世界 的每个角落。 英国、 法国、 德国等国家已 经建成了智能化住宅小区， 而且还在继续发 展和完善。 国内 ， 对智能化住宅的 研究也己 经兴 起， 而且有部分智能 化小区己 经在使 用当中. 由 于智能家居系统现在还缺乏一个统一明确的国际标准， 因此很多公司开发的产 品使用的 都是自 己 的组网 技术和信息交换协议， 有的核心技术没有对外公开， 技术复 杂，不易掌握，因 此，限制了 其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术， 相关第三方产品缺乏， 各个接入设备之间不能兼容， 互操作性差， 用户扩展功能不方 便， 限制了 其进一步的发展， 以及系统的维护， 还有就是系统成本太高， 普通用户难 以承受， 所以也没有得到广泛的使用。 目 前智能化住宅中大部分都涉及到家居布线技术， 需要在卧室、 客厅和各楼道口 安装相应的设备， 而且还需要组建一个小区局域网， 因此， 它们只适合于现在新建的 高档小区或者是别墅区， 对于现在己 建的老住宅和普通家庭用户实用性不大。 针对上 述情况，本论文提出一种基于很普遍的公用电 话网 ( pstn)建立的家庭自 动化系统， 并对系统的构建 进行了技术研究. 用户可以 通过固定电 话、 移动电话随时随地监测和 控制家里的情况， 还具有家居安全防护功能，具有很强的实用性。只要有电话网络， 不管是在离家多远的地方， 甚至是国外， 只要打个电话回家就可以轻松又方便地操控 家里的电器， 也可以随时随地了 解到家里发生的任何异常情况。 综合上述因素， 研究 基于 公 用电 话网 的 家 庭自 动化系统具 有较强的实 用性， 应 用前景 十分 广泛1531. 1 . 4本文结构安排 第1 章绪论， 主要介绍了本课题提出的背景， 目 前国内外的研究现状及其以后的 发展趋势，然后从实际情况出发，分析了本课题研究的目的和意义。 第2 章介绍了 系统通信知识，为后面研究系统通信实现做准备。 第3 章为家庭自 动化系统的功能 与结构介绍。 首先 概述了家庭自 动化系统总体功 能， 然后 分析了 家庭设备自 动控制子系统、 家庭安全防 范子系统以 及家庭内部联网方 式， 最后对现在常用的系统外部网络进行比 较分析， 提出了利用公用电话网作为系统 外部网络。 第4 章为系 统硬件接口 模块开发 研究。 在满足第2 章中提到的家庭设备控制子系 统、 家庭安全防范 系统功能需求的 基础上， 完成了系统硬件接口 模块的设计， 并对过 程中出 现的问题进行了分析研究，而且给出了解决方案。 第5 章为系统公用电话网通信实现研究. 首先对电 话编程接口 -t a p i 基本知识 进行了介绍，然后对系统公用电话网 通信实现进行了 详细的研究，给出了t api 编程 绪论硕士论文 的实现流程， 最后还对系统的安全性问题进行了 探讨， 并 给出了实现方案。 第6 章为系统管理数据库设计开发。 分析了数据库设计的目标， 对系统管理数据 库的 组成进行开发， 完成了系统管理数据库数据表的 设计， 主要包括来电 信息管理数 据库和家庭设备工作状态管理数据库。 第7 章为结论和展望， 对课题的工作进行了 总结， 井 指出了本文在 构建家庭自 动 化系统技术研究中一些不足和需要改进的地方，最后对以后的工作做了展望. 硕士论文墓于公用电话网护s t n ) 家庭自 动化系统的研究 2系统通信知识 2.1公共交换电 话网 ( 玲川)棍迷 所谓公用电话网 ( ps勺 平 一 一 于 u b l i c s 份 i t c ht e l e pho n e n e t 贾 o r k ) ，即我们日常生 活中常用的电话网， pstn 是一种以 模拟技术为基础的电 路交换网络.在众多的广域 网互连技术中， 通过pstn进行互连所要求的通信费用最低，而且它分布广泛，只是 其传输速率及数据传输量相比i nte r n e t 较差， 但是它仍然得到了广泛的应用， 比如， 远程控制、拨号上网、工业控制上数据的传输等。 通过咫t n 可以实现的访问有:拨 号上i nte rne t /intr ane t/l an; 两个或多个l a n 之间的网络互连; 和其它广域网技术 的互连。尽管邓tn在进行数据传输时存在这样或那样的问题，但这仍是一种不可替 代的 联网 介 质， 特 别 是ben co r e 发明 的 建 立 在p stn 基 础 之 上 的璐l 技术 和产品 的 应用拓展了pstn的 发展和应用空间， 使得联网速度可达到9 勘p s 52mbps之间。 pstn提供的是一个模拟的专有通道， 通道之间经由 若干个电话交换机连接而成， 当两个主机或路由器设备需要通过p s t n 连接时，在两端的网络接入侧 ( 即用户回路 侧)必须使用调制解调器 ( mod 朗)实现信号的模/ 数、数/ 模转换。从051 七层模型 的角度来看， pstn可以 看成是物理层的一个简单的延伸， 没有向用户提供流量控制、 差错控制等服务。 通过pstn可以 进行网络互联， pstn 的入网方式比较简便灵活，比 如，通过普通拨号电话线入网，只要在通信双方原有的电话线上并接 如d 恤，再将 m odem与相应的上网设备相连即可; 通过租用电话专线入网， 与普通拨号电话线方式 相比， 租用电话专线可以提供更高的通信速率和数据传输质量， 但相应的费用也较前 一种方式高。 当决定使用专线方式时， 用户必须向所在地的电信局提出申请，由电信 局负责架设和开通;经普通拨号或租用专用电话线方式由ps侧转接入公共数据交换 网 ( x . 25 或frame 一elay等)的 入网方式，利用该方式实现与远地的连接是一种较 好的 远程方式， 它可以 提 供良 好的 可靠性和较高的 传输 速率 门 。 如图2 . 1 所示，是一个通过ps侧连接两个局域网的网络互连的实例。在这两个 局域网中， 各有一个路由 器， 每个路由 器均有一个串行端口 与勘d 胭相连， m o dem 再 与ps翎相连，从而实现了 这两个局域网的互连。 由于p s tn分布的广泛性， 它已 经被应用于各个方面， 例如， 在远程医疗体系中， 就有利用器t n 传输心电 信号来完成对病人进行实时监护; 在智能家居系统中，pstn 是其不可或缺的一条传输通道，可以通过pstn 进行远程家电 遥控、远程灯光控制、 智能抄表、以及远程数据的传输。它在数据通信领域中发挥着重要的作用。 系统通信知识硕士论文 图2 . 1通过咫t n 实现的网络互连 2 . 2数据通信 终端与计算机之间的通信或计算机与计算机之间的通信， 通常称之为数据通信。 通信的三个基本要素是:通信设备 ( 包括交换和通信设备) 、信道 ( 包括通信介质) 和通信规程 协议) 。数据通信发送方称为信源，接收方称之为信宿。连接信源和信 宿的通道称为通信信道， 或称通信线路。 数据通信与电话通信不同，由于在通信过程 中没有人直接参加， 因而必须通过遵守相同的传输控制规程 ( 或通信协议规程) 才可 能使通信双方协调、稳定、可靠地工作。 2 . 2.1 通信系统的 基本模型 要实现数据通信， 通信设备必须成为由软硬件组合成的通信系统。 对任何一个通 信系统都可以 借助通信系统模型来对它进行抽象描述，该模型如图2 . 2 所示。 在图2 . 2 中， 信息源产生的待交换信息可用数据d 来表示， 而d 通常是一个随时 间变化的信号武 习 ， 它作为发信机的输入信号。由 于信号d( t) 不适合在传输媒体中 传 送，因此，必须由发信机将它转换成适合于传输媒体传送的发送信号s( t) ，当该信号 通过传输媒体进行传送时， 信号将会受到来自 各种噪声源的干扰， 从而引起畸变和失 真，因而在接收端收信机收到的信号是戏 t) ，它可能不同 于发送信号成 t) 。 收信机将 依据叮 习 和传输媒体的特性， 把巾j 转换成输出数据d 或信号d ，(t ) ，当 然转换后的数 据d 或信号d ，(t)只是输入数据d 或信号武 口 的 近似值或估计值. 最后， 受信者将从输 出数据d 或信号d ，(t ) 中 识别出 被交换的 信息191 。 硕士论文荃于公用电话网( p s t n ) 家庭自 动化系统的研究 输入数据 d 或信号斌 约 发送信号j 0接收信号叹 幻 输入数据d 吸 或信号d(t) 信息源发信机传输媒体受信者 噪声n ( t ) 噪声源 图2 . 2通信系统的一般模型 2 . 2.2教据通信系 统的 主要构成 现代数据通信系统实际上是一个计算机网络， 是由 数据传输系统和数据处理系统 两部分组成的。 数据传输系统也称为通信子系统或通信子网， 其主要任务是实现不同 数据终端设备之间的数据传输: 而数据处理系统也称为资源子系统或资源子网， 它由 许多数据终端设备组成。 这些终端设备作为信息的源和宿， 其中的计算机主要用于数 据的收集和处理。 2 . 2.2 . 1效据传抽系统 为了 将一个数据终端设备发出的数据传送到指定目 标， 不仅要经过很长的传输线 路， 而且需要进行调制解调、 多路复用以 及交换等处理。 这种数据传输系统主要由下 面几部分组成。 ( 1) 传输线路 也称为传输信道。 它是信息的传输路径， 是由 各种类型的传输介质和有关的中间 通信设备组成的。 传输介质可以是有线的， 如同轴电缆、 光纤、 双绞线等; 也可是无 线的。 如微波、 无线电、红外线等。 (2 ) 调制解调器 ( m o d 曰 m ) 数据通信系统主要由数据电路和两侧的数据终端设备所组成。在 仃u的系列建 议中， 数据终端设备(dt e ) 泛指智能终端( 各类计算机系统、 服务器) 或简单终端设备( 如- 打印机) ， 内 含数据通信( 或传物控制单元. 数据电 路包含传输介质及两端的数据电路 终接设备( d c e ) 。 数据电路位于d t e 一d c e之间，为数据通信提供数字传输信道。 d t e 产生的数 据信号可能有不同的形式，但都表现为数字脉冲信号。 d c e是d l 飞与传输信道之间 的接口设备，其主要作用是信号变换。当传输信道为模拟信道时。】 ) c e为调制解调 器( mode m ) 。 发送方d ce 将d t e 送来的数字信号进行调制变成模拟信号送往信道或 进行相反的变换。当传输信道是数字信道时， d c e实际是数字接口 适配器，其中包 含数据服务单元与信道服务单元， 前者执行码型和电平转换、 定时、 信号再生和同步 等功能;后者则执行信道均衡、信号整形和环路检测等功能。 9 系统通信知识硕士论文 (3 ) 多路复用器 为了 提高传输信道的利用率， 使多 个终端设备共用一条物理信道来传输信息而采 用的设备。多路复用器的具体作用有二:一是将多个源数据终端所发出的多路信号， 有序地纳入一条物理信道中 进行传输， 即进行所谓的多路到一路的转换; 二是将从一 条物理信道中 传送来的多路信号， 分别送入对应的目 标数据终端设备， 亦即进行一路 到多路的转换。 (4)交换器 在任意两个要进行通信的终端之间先建立暂时性连接， 然后通过该连接把源终端 发出的信息转接至目 标终端， 通信结束后再拆除连接。 交换器就是用来实现这种暂时 连接并传输信息的设备. 2 . 2 . 2 . 2数据处理系统 数据处理系统是由 计算机类设备构成的， 主要包括: 终端设备和计算机系统。 前 者是用户与数据传输系统之间的接口， 用户通过它来取得数据通信系统的服务， 其基 本功能是向系统中的计算机系统发送信息及接收来自 计算机系统的信息: 后者的主要 职责是进行数据的收集和处理， 是数据处理的核心， 同时也兼顾某些数据通信任务和 一些管理工作因 ， 如图2. 3 所示。 图23数据通信系统 2 . 2.3数据通信基本过程 数据从发送端出发到数据被接收端接收的整个过程称为通信过程。 每次通信包含 两项内 容， 即传输数据和通信控制。 通信控制主要执行各种辅助操作， 并不交换数据， 但这种辅助操作对交换数据是必不可少的。 数据通信通常被划分为五个阶段， 每个阶段包括一组操作， 这样的一组操作就作 为通信功能，数据通信的五个基本阶段对应五个主要的通信功能。 第一阶段: 建立通信线路， 用户将要通信的对方地址信息告诉交换机， 交换机查 询该地址终端，若对方同意通信，则由交换机建立双方通信的物理信道。 硕士论文基于公用电话网( 此t n ) 家庭自 动化系统的研究 第二阶段: 建立数据传输链路通信双方建立同步联系， 使用权双方设备处于正确 收发状态，通信双方相互核对地址。 第三阶段:传送能信控制信号和传送数据. 第四 阶段:数据传输结束双方通过通信控制信息确认此次通信结束。 第五阶段:由通信双方之一通知交换机通信结束，可以切断物理连接. 2 . 2.4橄 据通信的 交换 技术 通常数据通信有以下几种交换方式: (l ) 电路交换 电 路交换是指两台计算机或终端在相互通信时， 始终使用同一条实际的物理链路 进行信息 传输， 且不允许其它计算机或终端同时共享该电 路。 所有电 路交换的基本处 理过程都包括呼叫建立、通话 ( 信息传送) 、 连接释放三个阶段。 (2 ) 报文交换 报文交换是发送者以 报文为单位进行发送， 交换节点按报文存储转发， 每次转发 一个相邻的链路二 直到目 标节点收到为止。 (3 ) 分组交换 分组交换是把长的 报文分成若千个较短的报文组， 以报文组为单位进行交换， 它 与报文交换方式不同的是交换单位要包括分组编号， 各组报文要按不同的 路径进行传 输。 分组交换网 ( pspdn ) 是以c c n 丁x.25建议为基础的，所以又称为x-25 网。 它采用存储- 转发方式， 将用户送来的报文分成具有一定长度的数据段，并在每个数 据段上加上控制信息， 构成一个带有地址的分组组合群体， 在网上传输。 . 分组交换网 最突出的 优点是在一条电路上同时可开放多条虚通路， 为多个用户同时使用， 网络具 有动态路由选择功能和先进的误码检错功能，但网络性能较差。 (4)帧中继网 帧中继网是从分组交换技术发展起来的。 帧中继网技术是把不同长度的用户数据 组均包封在较大的 帧中 继帧内，加上寻址和控制信息后在网上传输。 其功能特点为: 帧中继网处理效率高 帧中继网传送的基本单元为帧， 帧的长度是可变的。 帧中继特别适合于封装局 域网的数据单元，减少了分段与重组的处理开销。 帧中继在数据链路层完成动态复用、 帧透明传输和差错检测。 提高了网 络吞吐 量，降低了网络时延。 帧中继技术提供了一套有效的带宽管理和阻塞控制机制， 使用户能合理传送超 出约定带宽的突发性数据，充分利用网络资源。 系统通信知识硕士论文 帧中继现可提供给用户的接入速率在吞 众 h ls 2048 n 几 1 5 ，也可达45m bl s 。 2 。 3肠对臼 目 前最广泛使用的数据传输信道就是模拟电 话线路。 计算机所能 处理的 数字信号 不能进入这样的信道， 而必须通过一个中间设备一一 m odo n ， 它用来实现数字信号到 模拟信号和模拟信号到数字信号的相互转换。 m odem 是最重要的d ce 设备之一。 m od曰 ”是 “ 调制解调器” 英文的缩写， m浏曰 叮从发送方串 行接收数据，然后经 过调制， 将数字信号转换为模拟信号， 最后通过电话网络传送到接收方。 接收方也需 要通过m od曰 m从电话线将信号解调，将模拟信号转换为数字信号，然后串行发送给 接收方。 即mod曰 叮实现了计算机数据与通过电话线传输的数据之间的转换， 如图2 .4 所示: 图2 . 4肠de. 的典型用法 2 . 氏1 肠 记 e. 的分类 m ode m通常有以 下几种分类。 (1 ) 按功能分类 可以分为单一mod。 吐 、二合一f以及三合一 v o icd 肠 叼 仃 mo d e m。 单一med曰 吐只能完成一般意义上的调制解调功能。 二合一r 七 心 modeni 除此功能外， 还能完成传真机的大部分功能。 而三合一v o icd 叽 叼 心 mo d e m除了传真和数据传输 之外，还具有传送语音的功能。 ( 2)按外观分类 可以分为内置式m司恤 和外置式mede m。 内置式m团e m是一块计算机适配卡， 占用一个计算机扩展槽，内置式m odo n的优点主要有:价格相对便宜，灵活性好， 可以 设置为c o m 3 和c o m 4口， 缺点是没有状态指示灯。 外置式modo n有自己 独立的外壳，要通过串行电缆与计算机的串口 接口 进行连 接，要通过变压器把2 2 0 v的电压转变为g v或者1 2 v ，不占用计算机扩展槽，同时 提供有利于排错和调试串口 通信程序功用的状态指示灯， 但是价格较高。 根据本系统 的需要，本论文中所选的是具有d a d 材 v 0 i c b 下 戌 幻 m o d e m功能的外置式m ode m 一一月叩种 e c 5 6 5 8 v。 (3 ) 按工作方式分类 硕士论文荃于公用电话网( p s t n ) 家庭自 动化系统的研究 可以分为频带调制解调器和基带调制解调器护 频带调制解调器利用数字基带信号对模拟信号进行调制， 信道工作频率在音频信 号范围内 (3加一 . 3 取 刃 h z ) ，但其传输速率较低，一般在3 (x)b i 亦到28.8 kbi 口 5 之间。 基带调制解调器对数据信号进行信道编码， 使数据信号变为适应信道传送的基带 信号其 传输信道一般为 实线， 且 传输速率 较高。 一般从以 k 玩 确到z m 玩 口 台 . (4)按传输速率分类 m ode ln 的传输速率，指的是 m od。 叮每秒钟传送的数据量大小。通常所说的 14，收b i 口 5 ， 336 k b i 确等， 指的 就 是m 冈。 .的 传输速率， 传输速率以玩 口 5 为 单创1 0jo 2.3.2肠 月 e.工作状态切换 在h ay es公司建立at 命 令之前， d t e与m 曰曰 盯 之间 是通过硬件电 路来实现直 接控制的。 rs一 32接口中的t 火 d和r 火 d仅仅用于发送和接收数据， 这使得d t e一 方面需要完成许多与线路有关的工作， 诸如振铃检测等; 另一方面， 随着技术的发展， m o d em 要能自 动选择合适的传输速率， 而d te 需要知道当 前的 通信速率， 有限的硬 件信号越来越不适应m 目ern 的 进一步发展.- 一 ar 命令的建立使得d te 从以 上杂务中解脱出来， 振铃检测、 载波检测、 速率选 择等都可以由modeln 来完成。 此时， t 汇 d和r x d不仅仅是传输数据， 还传送a l ， 命 令。d t e发送命令到modeln ， m o d 恤 执行后通过r x d返回结果给d ll ，e .这些命令 和返回结果码都符合rs一 232c 数据格式。 mod。 刃由at 命令和几个特定5寄存器的 状态确定d te 发出的是命令还是数据。 与此相对应， m ode m 的 状态也可以分为命令状态和在线状态。除了 拨号占 据短 暂的时间外， m odo n总是处于其中 一种状态。 当m浏e m启动后， 首先处于命令状态， 连接后进入在线状态。 在命令状态下， mod。 吐以灯 命令形式接收命令， 在在线状态 下， mod。 ，与远端系统通信。 这时m od。 肚不再尝试对发送来的数据进行解释， 而是 直 接 将 其 发 送出 去。 这 两 种 状 态 之间 可以 相 互 转 换 【1田 。 ( 1) 命令状态 当m闻。 口处于命令状态时， m仪 le m不是和远端系统通信，而是准备接收命令。 此时m od曰 叮一般都处于挂机状态( 离线命令状态) ， 但也可以处于摘机状态 ( 在线命 令状态) ， mod. 吐接收并解释at 命令。 d t e只有在命令状态才能 对m od。 且 进行控制，包括修改参数、拨号等。 当mod曰 .上电时都处于离线命令状态，连接建立后进入在线状态。此时如果收 到换码序列小 + + ，则mod曰 叮进入在线命令状态。 (2 ) 在线状态 在线状态又称为联机状态或数据状态。 当通信双方握手完成， 建立链路后m ode m l 3 系统通信知识硕士论文 就可以发送和接收数据，此时med曰 叮的状态称为在线状态。从电话线来的数据被传 送到d t e ，在该状态， modem 不再对接收到的数据分析处理，因此，如果此时发送 端发送以at 开始的字符串， 发送端的modeln 不认为是ar 命令， 因而不会对该序列 进行处理，而只是作为一般的数据发送。当载波消失后， m o d 。 卫 自 动返回到命令状 态。 (3 ) 状态转换 命令状态和在线状态可以进行相互转换，转换关系如图2. 5 所示。 建立连接 图2 . 5状态转换 2 . 3.3肠 川 e.的通信标准 和其他 通 信标准一 样， m ode m通信也有自 己 的一套规则 和标准. h a y es公司的 s m 团 rt modem 系列产品己 成为m 侧e m事实上的 标准，几乎所有应用于计算机通信的 m o d e m都 和h a y e s s l l】 团 rt m odc m兼容。 m o d 。 叮 的 传输协议包 括调制协议( m odu l ati皿 n 旧 t oco l s ) 、 差 错控制协 议( e rt o r c on枉 o i r ro t oc o 肠 ) 、 数据压缩协议( d ata c o inpr es slon 乃 阳 幻 c o 1 5) 和文件传输协侧川。 2 . 3.3 ， 1调制协议 mod。 力在通信过程中最基本的功能是实现数字信号到模拟信号的“ 调制” ， 还有 模拟信号到数字信号的“ 解调” 。为实现这一功能，并且使各厂家之间的产品能 够互 换使用，必须满足一定的调制标准，这个标准就是调制协议。 mod曰 叮的调制协议最初主要是以u.s .robot i c s 为代表的x z和以r ock w ell 为代 表的k56 fi 既。 这两种协议互不兼容， 使得56k bmedem 的应用一直受到限制， 直到 i t 【 j( 国际电信联盟)综合二者的优点，将 56k bmode m的调制标准统一为 v. 90， mo d e m的应用才日 益广泛起来。最新推出的56k bm冈曰 肚标准为v 9 2o 调制协议通常在产品外包装盒上就可以看到，常见的有如下几种: ( 1 )v.32调制协议:v. 犯 调制协议是9 6()0 b i tls高速m ode m的标准调制协议。 l 4 硕士论文荃于公用电话网 p s r 阅家庭自 动化系统的研究 ( 2 ) v 3 枷5 调制协议: v 驼玩 5 调制协议是1 今 牡 x) b 叻 高速m oda 叮 的标准调制协议。 它采用网 格编码调制方式 ( t c m). v. 3 2bis与v. 32是兼容的，可后退至u以 刃 b i 口 台 、 9 6( 刃b i 口 5 、， 2 00b l 口 5 和 铭阅b i 口