（通信与信息系统专业论文）基于bacnet的智能家居系统无线网关研究与设计.pdf

武汉理1 ：大学硕士学位论文 摘要 智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设 施通过家庭网络连接到一起的系统，能为人们提供更为便利舒适的生活环境。 b a c n e t 标准最根本目的是要给楼宇自动控制系统提供一种实现互操作的方法。 基于b a c n e t 协议的智能家居网络就可以很方便的使用所有符合这一协议的设 备和接口，使整个系统的适应性、移植性、可裁减性大大提高。 本文通过对几种无线通讯方式的比较了解到z i g b e e 架构简单而且价格低 廉、低功耗等，尽管传输速率不高，但针对感测与控制应用，z i g b e e 具有很大 的发展潜力。因此决定使用z i g b e e 作为本次设计的无线传输方案。 本文结合无线网关系统在智能家居系统中的实际需求，提出了一种 b a c n e t z i g b e e 无线网关的设计方案。主要的工作有： ( 1 ) 讨论了国际上流行的多种智能家庭网络协议的特点，得出b a c n e t 协 议是最适用于开发智能家庭网络的协议标准； ( 2 ) 通过对比的方法分析了h o m e r f ，i r d a ，h i p e r l a n ，蓝牙以及z i g b e e 无线技术各自特点及应用领域，阐明了选用z i g b e e 无线技术作为智能家居的组 网技术原因及优势： ( 3 ) 从整体上对智能家居无线网络接入系统开发中需要用到的b a c n e t 协 议和z i g b e e 协议进行了详细的分析。b a c n e t z i g b e e 无线网关作为一个网关， 不仅需要在上层识别b a c n e t 对象和z i g b e e 对象，而且在下层需要实现与 b a c n e t 链路和z i g b e e 链路的互连。因此，本文着重分析了b a c n e t 协议对象和 z i g b e e 数据链路层与物理层协议； ( 4 ) 在硬件上，以既满足设计要求，又能简化设计的原则选择芯片；通过 对芯片内部结构的分析，提出了硬件设计的方案： ( 5 ) 在软件上，通过c 语言开发整个系统的软件模块和协议栈模块：软件 设计的方法采用模块的方式，把系统要执行的工作分为几个部分，各个部分分 开设计，最后采用主程序调用的方式。 关键词：智能家居，b a c n e t ，z i g b e e 。无线网关 武汉理工丈学硕士学位论文 a b s t r a c t s m a r th o m es y s t e m sa r ea d o p t e db ya l ld o m e s t i cf a c i l i t i e sc o n n e c t e dt oah o m e n e t w o r ks y s t e mw i mc o m p u t e r s e m b e d d e ds y s t e m sa n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t e c h n o l o g y t h e yc a np r o v i d ep e o p l ew i t hm o r ec o n v e n i e n ta n dc o m f o r t a b l el i v i n g e n v i r o n m e n t t h em o s tf u n d a m e n t a lp u r p o s eo fb a c n e ts t a n d a r di st og i v ea b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e mt op r o v i d ei n t e r o p e r a b l ew a y t h es m a r th o m en e t w o r kb a s e do n b a c n e ta g r e e m e n tc a nb ev e r yc o n v e m e n tt ou s ew i t ht h ea g r e e m e n to fa l lt h e e q u i p m e n ta n di n t e r f a c e ，i m p r o v et h ea d a p t a b i l i t y , t r a n s p l a n t a t i o na n df l e x i b i l i t yo f t h es y s t e ma saw h o l e b a s e do ns e v e r a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sc o m p a r i s o n ，z i g b e es t r u c t u r eh a s m a n yc h a r a c t e r ss u c ha ss i m p l ea n di n e x p e n s i v e ，l o w - p o w e ra n ds oo n a l t h o u g ht h e t r a n s m i s s i o nr a t ei sn o th i g h ，i th a sg r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n ti n s e n s i n ga n d c o n t r o la p p l i c a t i o n s t h e r e f o r et h ep a p e rc h o o s e st ou s et h ez i g b e ea st h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns c h e m e t h ep a p e rc o m b i n e st h ea c t u a ld e m a n do fw i r e l e s sg a t e w a ys y s t e mi nt h es m a r t h o m es y s t e m st op r o p o s ead e s i g ns c h e m ao nb a c n e t z i g b e ew i r e l e s sg a t e w a y t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) d i s c u s s i n gt h ef e a t u r e so fav a r i e t yo fi n t e r n a t i o n a lp o pi n t e l l i g e n th o m e n e t w o r kp r o t o c o l s ，a n dc o m i n gt ot h ec o n c l u s i o nt h a tb a c n e ta g r e e m e n ti st h em o s t s u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n th o m en e t w o r kp r o t o c o ls t a n d a r d s ； ( 2 ) b yc o m p a r i n gt h eo w nc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so fh o m e r f ，i r d a ， h i p e r l a n ，b l u e t o o t hw i r e l e s st e c h n o l o g ya n dz i g b e e ，s t a t i n gt h et e c h n i c a lr e a s o n s a n da d v a n t a g e so fs e l e c t i o nw i t ht h ez i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g ya st h ei n t e l l i g e n t h o m en e t w o r k ； ( 3 ) t h i sa r t i c l ei sa n a l y s e dd e t a i l e d l yf r o mr e q u i r i n gt h a tz i g b e ea n db a c n e t p r o t o c o lo nt h ew h o l et h ei n t e l l i g e n th o m ew i r e l e s sn e t w o r ka c c e s ss y s t e m s b a c n e t z i g b e ew i r e l e s sg a t e w a ya sag a t e w a y ，n o to n l yn e e d st od i s t i n g u i s ht h eb a c n e t o b j e c ta n dt h ez i g b e eo b j e c ti nt h eu p p e rf o r m a t i o n ，m o r e o v e rn e e d st or e a l i z ea n d 玎 武汉理工大学硕士学位论文 t h eb a c n e tt oz i g b e el i n ki n t e r c o n n e c t i o ni nt h el o w e rl e v e l t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r w i l lf o c u so na n a l y z i n gt h eb a c n e tp r o t o c o lo b j e c t sa n dz i g b e ed a t al i n kl a y e ra n d p h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l ； ( 4 ) i nt h eh a r d w a r e ，t h a ti s ，b yn a m e l ys a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，c a r la l s o s i m p l i f rt h ed e s i g nt h ep r i n c i p l ec h o i c ec h i p t h r o u g ht ot h ec h i pi n t e r n a ls t r u c t u r e a n a l y s i s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h eh a r d w a r ed e s i g n sp l a n ； ( 5 ) i nt h es o f t w a r e ，t h ecl a n g u a g eh a sb e e nd e v e l o p e dt h r o u g ht h ew h o l e s y s t e ms o f t w a r em o d u l e sa n dp r o t o c o ls t a c km o d u l e s ；t h em e t h o do fs o f t w a r ed e s i g n u s e dm o d u l e ，t h ew o r kw h i c hm u s tc a r r yo u tt h es y s t e md i v i d e si n t os e v e r a lp a r t s ， e a c hp a r ts e p a r a t e st h ed e s i g n ，a n df i n a l l yc a l lb yt h em a i np r o g r a m k e yw o r d s ：s m a r th o u s e ，b a c n e t ，z i g b e e ，w i r e l e s sg a t e w a y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：坐s 、1 0 武汉理工大学硕士学 奇= 论文 1 1 本文的研究背景 第1 章绪论 随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技 术、网络技术和传感控制技术的迅猛发展，促使家庭生活实现生活现代化，居 住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到了人们生活的方方面面，改变 了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也正是在这种形势下 应运而生的。 智能家居，或称智能住宅，在英文中常用s m a r th o m e 。与智能家居的含义 近似的还有家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、电子家庭( e l e c t r o n i ch o m e 、e h o m e ) 、 数字家庭( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭网络( h o m en e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 、网络家居 ( n e t w o r k h o m e ) 、智能家庭建筑( i n t e l l i g e n th o m e b u i l d i n g ) 。在香港、台湾等地区 还有数码家庭、数码家居等说法。智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络 通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒 适、安全、便利、环保的居住环境 z l 。 随着b l u e t o o t h 、z i g b e e 、u w b 、w l a n 、w i m a x 这样的一系列无线技术 标准的涌现而将成为现实。这些针对无线个人网( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 的无线技术标准，传输距离由近到远，使得无线空间可以 “无限 延伸到人们工作生活的每一个角落。现代无线通信技术、计算机技术 和自动控制技术的发展，使得人们可以通过无线接口来实现系统与传感器之间 的交互，极大地方便了人们的生活，使人们能够脱离各种缆线的羁绊。人们可 以随时随地自由接入i n t e r n e t 享受更多的业务和服务，可以在远离家庭的时候了 解家里的安全情况，甚至可以控制家里的电饭锅开始做饭，洗衣机开始洗衣。 这样的生活目标已经呈现在眼前，它的具体实现便是无线网络技术、计算机技 术和传感控制技术融合而成的现代无线智能家居控制网络。它把与家居生活有 关的各种子系统有机的结合在一起，由原来的被动静止结构转变为具有能动智 能的工具，提供全方位的信息交换功能，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，甚至 武汉理工大学硕七学位论文 为各种能源费用节约资金1 3 j 。 随着网络技术和通信技术的突飞猛进，人们不仅对家居的自动化和信息化 程度要求越来越高而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便 性提出了更高的要求。这些要求的实现都离不开家庭内部的网络，只有建立智 能家庭网络才能真正满足家庭自动化和信息化的要求，有效地提高家庭的生活 质量，任何其它分立式的结构都达不到这种要求。因此对智能家庭网络的研究 具有十分重要的意义、智能家庭网络已成为信息产业中一个跨世纪的研究热点。 智能建筑的系统集成中，会采用不同厂家的设备。而设备厂商采用多种多 样的应用软件及通讯协议给用户系统集成及管理使用带来诸多不便。所以制定 一个统一的通讯协议标准，各厂家共同遵守，使建筑物内的各子系统更加标准 化地集成，就成为十分迫切急需解决的问题。b a c n e t 是一种为楼宇自动控制网 络所制定的数据通信协议。b a c n e t 标准最根本的目的是要提供楼宇自动控制系 统实现互操作的方法。各生产厂家按照这一标准开发与楼宇自控网兼容的设备 和接口，最终达到不同生产厂家的设备可在这一标准通讯协议下相互交换数据 的目的。 1 2 国内外智能家居网络发展现状 智能家居系统又称为智能家庭局域网，是适应现代化家庭生活而形成的多 样化的网络结构。智能家居的概念首先是由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以 及东南亚等经济比较发达的国家提出的。 世界上第一幢智能建筑1 9 8 4 年在美国康涅迪格州出现，当时只是对一座旧 式大楼进行了一定程度的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等 设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服 务。自从世界上第一幢智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利 亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居 的基本功能是网络接入系统、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁系 统、煤气泄露探测系统、远程抄表水表、电表、煤气表系统、紧急求助系统、 远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管理及开发系统、集中供冷热系 统、住宅网上购物系统、语音与传真服务系统、网上教育系统、股票操作系统、 视频点播系统、付费电视系统、有线电视系统等等，各种新鲜的名词逐渐成为 了智能家居中的组成部分。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广 2 武汉理工久学硕 ：学位论文 泛应用。 智能家居系统已由开始时以p c 为控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关为核 一t l , 的嵌入式系统领域。而智能家居系统物理层的接口标准和数据传输协议则是 大部分国内外学术机构和厂商关注的问题。这种“未来之家”家庭智能化系统， 市场真正启动尚需时日。目前在新加坡有近3 0 个社区近5 0 0 0 户的家庭采用了 “家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系 统”，现在已经有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。三星已经开 始在中、韩两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一个全面的，面 向宽带互联网的家居控制网络。 由于智能家居的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日， 但并未能阻止企业去争食智能家居市场。总体来看，国外的技术已经日趋成熟 并达到了相当的水平。在标准方面，国际市场也是各行其道，未能统一，主要 包括两大集团，以索尼、英特尔、微软、飞利浦、惠普、诺基亚等1 7 家巨子发 起的数字家庭联盟d l n a ，该组织会员企业达到1 6 0 家：以及另一个由松下、 索尼、n e c 、东芝、三菱、三洋、日立等1 4 家日本企业组成的u o p f 组织。 中国境内的家居智能控制系统产品很多，据估计有数百个品种，小至三五 个人的小公司，大至几千人的国企，都有人涉足家居智能化产品的研发和生产。 于是，中国就产生了几百个互不兼容的标准，至今还没有一个能够占领国内市 场1 0 的家居智能控制系统产品。随着市场竞争的加剧，大部分中小企业会被 迫退出这个市场，但他们已安装在各地的小区内的产品将变成“孤儿 ，受害者 当然是业主或用户。这将是一种十分可怕的情景。因此，2 0 0 5 年6 月以联想牵 头的“闪联 和以海尔为首的“家佳 ，同时被信息产业部确定为行业推荐性标 准，拉开了数字家庭竞争的序幕。由此可见，在技术没有太大瓶颈的今天，推 进标准化进程是家居智能化的必由之路，也是当务之急。 1 3 基于b a c n e t 智能家居的优势 在基于网络通信技术的楼宇自控系统中，通信协议是楼宇自控系统集成技 术的关键。楼宇自控网络通信协议发展至今，出现了许多不同的协议，例如， b a c n e t ，l o n w o r k s ，c a b ，e i b 等。所有这些协议不外乎分为专用( p r o p r i e t a r y ) 和开放( o p e n ) 两种。在市场和技术竞争的机制下，楼宇自控系统中的通信协议 武汉理工人学硕士学位论文 已从由各生产厂商单独制定专用的通信协议，逐步被具有丌放性的标准协议所 代替。楼宇自控系统将向着标准更加统一，更加开放的方向发展。b a c n e t 是楼 宇自控领域中的开放性标准，现已成为建筑智能化系统领域中唯一的i s o 标准 ( i s o1 6 4 8 4 5 ) 。它是楼宇自控领域先进技术的体现，并以其先进的技术、完善 的体系结构和开放的理念成为了该领域最新的发展方向。 b a c n e t 作为一种开放的数据通信协议，它能为家居系统提供统一的平台， 为家居设备提供一种标准的交互语言，实现了家居设备的互操作，从根本上解 决了设备的整合问题。以下将对b a c n e t 协议如何满足智能家居系统各个方面的 要求进行分析l 引。 ( 1 ) 在以往的智能家居中，很多子系统由于集成困难往往独立自成系统， 这样不但加大了智能家居系统施工布线和人员管理的成本，而且隔断了各个子 系统之间的联系，大大降低了智能家居的互操作性、智能性、可靠性和安全性。 由于b a c n e t 协议的目的就是为了提高楼字设备的互操作性，因此它定义了2 3 种标准对象及属性，提供6 大类服务。按b a c n e t 标准制造成的产品有严格的一 致性等级，并为b a c n e t 产品提供严格的一致性测试，从而保证不同厂商产品 的互操作性得以实现。所以在基于b a c n e t 的智能家居中，只要符合b a c n e t 标 准的设备都能集成进来，各类设备能够相互通信，相互配合，相互协调，达到 真正的智能化。 ( 2 ) b a c n e t 注意到协议的发展，允许不同厂商的产品内部结构和算法各 不相同，仅要求设备接口保持一致，使该协议保持了良好的开放性。同时，由 于b a c n e t 协议具有完善、统一的数据表示和交换方法，从而使得各设备之间 很容易实现信息的交换和操作行为的协调一致。由于b a c n e t 协议是开放的国际 标准协议，这就使得集成商在构建b a c n e t 智能家居时，可以根据不同家庭的实 际需要选择不同的b a c n e t 厂商的产品，而不用向某一家在该领域处于垄断地位 的厂商购买。这样不仅可以实现家居设备的多元化，家居系统的个性化的剪裁 定制，还可以选择价廉物美的b a c n e t 设备来降低智能家居系统的成本。此外任 何b a c n e t 智能家居的开发商可以自由( 在遵从b a c n e t 协议的前提下) 开发具有 互操作性的b a c n e t 设备用于家居之中，而不用像l o n w o r k s 的产品一样必须使 用某一家公司的专用芯片。 ( 3 ) 智能家居所涉及的家电和设备种类繁多结构复杂，既存在着音响、可 视电话等高速率数据设备，冰箱、洗衣机、p d a 等中速率数据设备，同时还存 4 武汉理工大学硕士学位论文 在三表抄送、防火防盗报警等低速率数据设备。b a c n e t 标准是为暖气、通风、 空调、制冷控制设备所设计的，同时它也为其它楼宇控制系统的集成提供了基 本原则，例如照明、保安、消防系统等。b a c n e t 标准当然也适用于智能家居系 统。b a c n e t 标准中定义的一组标准的对象和服务可以不加修改地被应用，实现 起来简单明了。家居中的每一个网络设备都称之为一个“对象”( o b j e c t ) 的实体 ( e n t i t y ) ，这是一个具有网络访问特征的集合模型。每个对象又用些“属性 ( p r o p e r t y ) 来描述，这些属性表示了设备的硬件、软件以及操作的各个方面。在 不需要了解设备内部设计或配置细节的情况下，对象提供了识别和访问设备信 息的方法。b a c n e t 标准不仅规定了广泛的应用对象的类型以及它们的属性，它 还具有良好的可扩充性。一旦智能家居中需要加入其它特殊类型的设备，就可 以自定义新的b a c n e t 对象来抽象家居设备，并为该设备的通信功能添加新的服 务，从而很方便的将不同的家居设备集成到智能家居系统中。 ( 4 ) 为实现家居设备的网络功能，每台设各或者要拥有通讯模块，或者要 有能够与具备通信模块的控制器相连接的接口。b a c n e t 标准定义了抽象的、面 向对象的表示法，用来描述楼宇设备间的通信，以便于在楼字中使用数字控制 技术。通信功能是通过读写某些对象的属性，或利用协议提供的其它“服务” ( s e r v i c e ) 来完成的。尽管该标准规定了一套详尽的服务，但是一旦需要，也同样 允许利用开发工具增加新的服务。对于已经拥有通讯模块的家居设备，可以通 过b a c n e t 网关与b a c n e t 网络连接。b a c n e t 网关负责b a c n e t 协议和其它通信 协议之间的转换。对于没有通讯模块的家居设备，产商可以自己研发基于b a c n e t 协议的控制器来控制此设备，因为b a c n e t 控制器有网络通信功能，此设备也就 被接入了b a c n e t 网络，而具有网络功能。 ( 5 ) 家居系统中的各种设备可能有不同的通讯模块，因此需要不同的数据 链路和物理传输介质。b a c n e t 遵循了i s o 的“分层”通信体系结构的概念，因 此使用不同的网络访问方法和物理介质可以交换相同的报文。b a c n e t 网络对底 层传输链路具有多选择的包容性，b a c n e t 协议将目前流行的几种数据链路技术 作为自己的底层传输技术，如e t h e m e t 、a r c n e t 和m s t p ，不但使得网络的 实现成本降低，而且有利于性能的提高，并且还可以与t c p i p 网络共享传输链 路。因此b a c n e t 智能家居可以根据传输速度和吞吐量的要求，采用相宜的开销 来配置b a c n e t 网络，在网络层整合几乎所有的家居设备( 这些设备的通信模块 是基于b a c n e t 所支持的数据链路技术) 。不但如此，即使某些家居设备使用特 武汉理工人学硕士学位论文 殊的网络介质完成通信功能，也可以用b a c n e t 网关来连接该设备和b a c n e t 网 络1 5 1 。 ( 6 ) b a c n e t 协议可靠性好，支持性好。它确立了不必考虑生产厂家、各种兼 容系统在不依赖任何专用芯片的情况下，相互通信的基本规则。它面向底层设 备，为底层设备通信提供了良好的可靠性，并且具备技术先进和易于实现的特 点。在智能家居中，b a c n e t 标准只是规定了家居设备( 家用电器和自控设备) 之间要进行“对话 所必须遵守的规则，并不涉及如何实现这些规则，各厂商 可以用不断进步的技术来开发，从而使得整个领域的技术不断进步【酬。 1 4 本文研究内容和论文结构安排 1 4 1 本文的主要研究内容 本文基于对当前智能家居中控制和互联网络的技术和标准发展现状的研究 和分析，结合当前发展迅速的短距离无线技术标准和特点，指出了标准化的无 线接口控制需要一个无线技术标准的支持，而正在发展中的z i g b e e 技术正是应 这种需求而提出的一种低成本低速率无线互连标准，是一种适用于家居网络控 制的无线网络标准，将其引入到基于b a c n e t 的智能家居网络中是一项具有原创 性的工作，也是一项有十分应用价值的工作。本文就讨论了将智能家居系统无 线接入b a c n e t 网络的设计原理，提供了一种以z i g b e e 总线形式配合 z i g b e e b a c n e t 网关与b a c n e t 协议进行交互的思路并加以具体实现。这项工作 的完成无疑进一步扩展了b a c n e t 的应用范围，提高了b a c n e t 的适应性，也为 用户提供了更加方便的使用接口，具有理论和实用的双重价值。 1 4 2 论文结构安排 本论文章节分为5 章，每个章节的内容介绍如下： 第1 章绪论部分对智能家居的功能和发展趋势进行了概述，对智能家居网 路b a c n e t 协议进行了介绍，最后介绍了研究内容和论文结构安排； 第2 章对智能家居无线网关的相关技术进行了研究，对目前的几种无线技 术做了对照比较，并解释为什么选择z i g b e e 无线技术作为本文的研究内容，并 对它进行了重点阐述； 第3 章从总体上阐述了网关系统的结构，详细地按各个模块阐述了系统的 6 武汉理工大学硕士学位论文 设计以及系统电源的设计； 第4 章从软件方面详细介绍了b a c n e t z i g b e e 无线网关的实现方案。介绍 了开发b a c n e t z i g b e e 无线网关软件的c 5 1 语言环境，介绍了无线网关中各个 模块的功能和软件实现，以及系统队列管理层的软件实现； 第5 章对本文研究内容进行了总结，指出该网关系统的优缺点，并对未来 所需要做的工作提出展望。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章系统原理分析 智能家居又称数字家庭，通俗地说，它利用先进的计算机、嵌入式系统、 i n t e m e t 互联网和无线网络通信技术，将家中的各种家用电器设备以及各种照明 设备、环境控制、安防系统等连接到一起，是3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、 c o n s u m e re l e c t f i c s ) 技术的一种极大的融合。在智能家居系统中，选择运行 b a c n e t 协议，但在b a c n e t 协议制定时，并没有涉及无线服务的接入问题。本 章将通过讨论，选择一种无线通信协议z i g b e e 协议，实现智能家居无线网 关。 2 1b a c n e t 智能楼宇自控网络数据通信协议 2 1 1b a c n e t 基本特点 b a c n e t 经过十多年的发展，现已广泛应用于楼宇自控系统。其主要原因是 b a c n e t 具有诸多特点1 7 】： ( 1 ) 专用于楼宇自控系统，具有高效的特点 b a c n e t 是由来自楼宇自控领域的专家为楼宇自控网络专门开发的标准，它 有许多为楼宇自控系统所特有的特性和功能，如按时间进行不同操作的时间安 排表，分级操作命令，报警和事件处理机制，等等。这些特性都是其他标准( 如 l o n w o r k s ) 所不具有的。 ( 2 ) 完全开放，实现互操作，技术先进 b a c n e t 是一个学会组织标准，被许多标准组织接收为标准。它不属于任何 商业公司，没有使用授权问题。按照此标准生产的楼宇自控设备的运行、维护、 升级不需要受控于原来的设备厂商。正是这种开放性特点，b a c n e t 得到了全球 主要楼宇设备厂商的支持，为楼宇系统提供了多种选择，最终为业主和物业管 理降低了成本和运行费用。 ( 3 ) 具有广泛的权威性 该标准1 9 9 5 年6 月正式公布，并在当年就成为美国国家标准，正式编号为 a n s i a s h r a e l 3 5 1 9 9 5 。目前，b a c n e t 已被确定为欧洲标准( c e n ) 并最终正式 3 武汉理工大学硕七学位论文 成为建筑智能化系统领域中的唯一i s o 的正式标准( i s o1 6 4 8 4 5 ) 。b a c n e t 不 仅应用于h v a c & r 设备，还可用于照明、电梯、安全等楼宇自控系统。所以 b a c n e t 还被许多非h v a c & r 产业组织预审和接收。例如，该标准已成为美国 电器制造协会( n e m a ) 标准。 ( 4 ) 具有良好的网络互连特性 b a c n e t 利用其简洁的网络层屏蔽了不同底层的差异，可以使b a c n e t 标准 包含不同的局域网技术，甚至可以利用未来的网络技术。这样不仅提高了网络 互连能力，还提高了网络的性能价格比，使b a c n e t 具有更广泛的应用空间。 ( 5 ) 具有良好的伸缩性 b a c n e t 标准没有规定b a c n e t 网络中设备节点数，这种特性使b a c n e t 网 络可根据实际需要构建规模不等的“b a c n e t 互连网络”。 ( 6 ) 良好的扩展性 b a c n c t 采用了先进的设计和分析方法，提供了良好的扩展机制，可将新技 术纳入其中为其所用，因此它能够满足楼宇业主、系统集成商和用户日益增长 的需求和愿望。例如，为了与i n t e m e t 实现互联，b a c n e t 增补了对i p 技术的运 用，形成了b a c n e t i p ，实现了将b a c n e t 报文发送到i n t e m e t 上的功能。 正是b a c n e t 的这些优点，使它在楼字自控领域中得到了广泛的应用，并逐 渐成为主流标准。我国也对b a c n e t 标准进行了跟踪和研究，在工程项目中进行 了引进和应用。 2 1 2b a c n e t 标准体系结构 b a c n e t 标准是用于楼宇自控网络的数据通信协议，其作用是将各个厂商的 楼宇自控设备集成为一个高效、统一和具有竞争力的自控网络系统。因此，作 为网络，b a c n e t 标准有自己的网络体系结构。 在计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构是最基本的。图2 1 表示了 o s i r m ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ，开发系统互连基本参考模 型) 的网络体系结构及其基本层次的功能【8 1 。 9 武汉理上火学硕士学位论文 用户1 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 管理与用户应用程序的实际接口 一一一。r-。一一一-一- 一一一一 编码、d n l 解密、信息转换 会话管理、传输同步 可靠的端到端报文传输、报文分段 建立点到点通路、路由选择 数据分组、通信介质访问的管理 在物质介质上传输比特流 用户2 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 一l o s i r m 网络体系结构 b a c n e t 作为一种开放性计算机局域网协议，它仍然采用o s i 模型的分层通 信体系结构的概念。在确定分层的层数时，考虑了下列两个因素：第一，o s i 模型的实现需要很高的费用，实际上在绝大部分楼宇自控系统应用中也并不需 要这么多的层次。但是从o s i 的功能性方面考虑，经过简化后o s i 模型仍然是 设计楼宇自控协议的一个很好参考，如果只包含o s i 模型中被选择的层次，其 它各层则去掉，这样减少了报文长度降低了通信处理开销，同时也会节约楼宇 自控工业的生产成本。第二，如果能够充分利用现有的、易用的、广泛使用的 局域网技术，如e t h e m e t ，a r c n e t 和l o n t a l k 甚至是无线网络，不但可以降低 成本，同时也有利于性能的提高。由此s p c 确定b a c n e t 标准协议体系结构为 一个包含四个层次的分层体系结构，这四个层次相对于o s i 模型中的物理层， 数据链路层，网络层和应用层【9 1 。 b a c n e t 的协议层次对应雕j o s i 层次 b a c n e t 应用层 应用层 b a c n e t 网络层 网络层 l s 0 8 8 0 2 2 m s 厂1 甲 ( i e e e 8 0 2 2 ) ( 主从令牌 p t p 数据链路层 顺序、 ( 点对点协议) l o n t a l k e l a - 4 8 5e i a 2 3 2 i s 0 i e e e 8 0 23 1a r c n e l( r s 4 8 5 ) ( r s 2 3 2 ) 物理层 图2 2b a c n e t 体系结构 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 显示了b a c n e t 标准的体系结构，及其所支持的5 种具体的物理层 和数据链路层。这五种类型的网络分别是：i s o8 8 0 2 - - 3 ( “以太网”) 局域网， a r c n e t 局域网，主从令牌传递( m s t p ) 局域网，点到点( p t p ) 连接，和l o n t a l k 局域网。b a c n e t 选择这些局域网b a c n e t 选择这些局域网技术的原因是从实现 协议的硬件的可用性、数据传输速率、与传统楼宇自控系统的兼容性和设计的 复杂性等几个方面考虑的。 与o s i r m 相比，b a c n e t 标准同样具有低层( 1 3 层) 的功能，以实现楼宇自 控网络的通信传输功能，但b a c n e t 标准的数据链路层和物理层不再是一般化和 概念化的定义，而是给出了具体的定义。并且b a c n e t 标准的网络层功能也经过 了简化，以高效实现b a c n e t 标准的路由。b a c n e t 标准的应用层则跨越了 o s i r m 的传输层、会话层、表示层和应用层，因此b a c n e t 标准的应用层具有 与o s i r m 相应的高层( 4 7 层) 功能，以实现楼宇自控网络中信息的表示、语法 转换、可靠性以及同步等功能。 2 1 3b a c n e t 对象模型 所有b a c n e t 对象均由对象标识符属性来区分。在每个b a c n e t 设备中的对 象均有一个唯一的对象标识符，同时在一个b a c n e t 网络中每个设备均有一个唯 一的设备对象标识符。这样，将一个对象的对象标识符与该设备的设备对象标 识符结合使用，就提供了一种在整个控制网络中区分每个对象的机制。 b a c n e t 标准并不要求设备支持在b a c n e t 标准中定义的所有对象类型。根 据设备一致性类别的定义，属于不同类别的设备所必须支持的对象类型是不同 的。另外，对象类型的属性是可选的。b a c n e t 中定义了对象类型属性列表。列 表项包括属性标识符、属性数据类型和属性一致性代码( o 、w 、r 三者选一) 。 其中，o 表示属性是可选的；r 表示属性是必需的，并且b a c n e t 服务可读取该 属性的内容；w 表示属性是必需的，并且b a c n e t 服务可读写该属性的内容 1 0 , 1 1 】。 目前b a c n e t 定义了2 3 种标准对象类型，任何建筑自动控制产品均可视为 由一个或多个对象类型组成的设备。其中的每一个对象又是一个数据元素集合， 这种数据元素称为“属性l l2 。不同建筑设备制造商设备内部的设计和组态依 然保持专用。对象模型的建立使得其他设备无需了解该设备内部设计细节，就 可以通过该设备中存在的“对象”来操作设备内部的数据结构【1 3 】。表2 1 列出了 在本文中使用到的对象名称和应用场合i l 4 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 一l本文中使用到的b a c n e t 对象及它们的应用场合 对象名称 应用场合 二进制输入开关输入，如描述空调开关 二进制输出控制二进制输出，如继电器输出 数字控制系统参数，利用二进制值对象的当前值来进行逻辑运算 二进制值 判决 日期表按时i 白j 执行特定动作的日期列表，如周末、假期 命令写多个对象属性操作或其他的一系列操作 其属性包含：设备支持的对象和服务信息、设备商和固件版本及 设备 其他设备特征 描述可能处于错误状态的事件( 如“输入超出阙值 ) ，或者其他 设备需要的报警，该对象可直接通知一个设备，也可用通告类 事件登记 ( n o t i f i c a t i o nc l a s s ) 对象通知多个设备用于存放设备所需信息，文 件格式根据需要自行定义 文件用于存放设备所需信息，文件格式根据需要自行定义 组将多个对象的多个属性组合在一起，以方便访问 允许设备中的一个程序开始，停止，装载，卸载，以及报告程序 程序 当前状态等 时间表定义一个按周期执行的操作时间表 2 1 4b a c n e t 服务模型 服务是一个b a c n e t 设备从另一个b a c n e t 设备获得信息，或者命令另一个 设备执行某种动作，或者通知一个或多个设备发生了某种事件的方法和手段。 换句话说，服务控制了b a c n e t 局域网中的活动，并保证报文和命令到达预定设 备【1 5 】。b a c n e t 定义3 5 种应用服务，表2 2 列出了本文中需要用到的1 3 种服务。 1 2 武汉理丁大学硕十学位论文 表2 - 2 本文中用剑的1 3 种b a c n e t 服务 服务名称服务说明 一个客户端的b a c n e t 用户使用基本读文件服务，对某个文 基本读文件 件进行一个“打开一读出一关闭”的操作 一个客户端的b a c n e t 用户使用基本写文件服务，对某个字 基本写文件节流进行一个“打开一写入一关闭的操作，将它写入到文 件的某个位置 一个客户端的b a c n e t 用户使用创建对象服务，创建一个对 创建对象 象的新实例 一个客户端的b a c n e t 用户使用删除对象服务，删除一个已 删除对象 有的对象 一个客户端的b a c n e t 用户使用读属性服务，请求一个 读属性 b a c n e t 对象的一个属性值 一个客户端的b a c n e t 用户使用读属性服务，请求那些满足 条件读属性一个选择标准准则列表的所有b a c n e t 对象的特定属性的值 ( 可能结果是o