（测试计量技术及仪器专业论文）智能家居中的通信系统应用研究.pdf

摘要 舒适的居住环境一直是人类追求的目标。随着电子信息技术的飞速发展，从收音机、 电视机、电话到计算机、i n t e r n e t 网络甚至正在全国推广的数字电视，每一新事物的出 现都给我们的日常生活带来了舒适和方便。随着科技的进一步发展，人们对自身的居住环 境提出了更高的要求，家庭网络化、智能化已经成为2 1 世纪家居发展的新方向。 当前对于智能家居的研究已经成为行业关注的热点，其牵扯的市场之大，前景之广阔， 备受业界瞩目，各大厂商公司和组织纷纷提出自己的智能家居设计方案，投入使用的产品 也是多种多样。然而由于目前关于智能家居网络的设计及应用方式形式各异一现场总线、 以太网、电力线等等各种网络连接方式并存，使得各厂家的产品间存在严重的兼容性和通 用性问题。不同厂家的产品在软件协议和硬件接1 3 上没有统一的标准，致使绝大多数的智 能家居产品不具有互连接性和易维护性，造成资源和人力的巨大浪费。 本文首先分析了现存各种流行的智能家居网络通信系统，通过笔者长时间的调查研 究，深入剖析了现存的各种智能家居通信系统，较深入的了解了各种智能家居通信系统的 结构及原理，指出了各种现行家居通信系统各自的优势和不足。并且通过对各家居通信网 络的分析，清晰的看到家居网络环境下以太网在与其他总线接入方式的对比中，以其出色 的兼容性，易用性，可维护性及其最广泛的普及范围脱颖而出，成为形成行业统一标准的 希望所在。 结合调查研究的结果，本文以通用以太网为基础，提出并设计了一种建立在以太网基 础之上的，可以与目前现存的i n t e r n e t 进行无缝连接的，主要由c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为主控制 器，r t l 8 0 1 9 a s 作为以太网接口芯片组成的智能家居节点单元。通过在m c u 中写入针对家 居内部网络改写的t c p i p 网络通信协议扣在远程计算机上编写的家电应用软件，从而实 现了一个对家庭内部电器的远程控制的最小系统。并且通过编写与通用以太网络相兼容的 t c p i p 网络协议，主要完成了协议与硬件接1 ：7 的以太网标准化_ t - - 作以及进行了对商用以 太网因为数据碰撞所造成的传输不确定性的初步改进。 关键字：工业以太网，现场总线，智能家居网络通信系统，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，r t l 8 0 1 9 a s ，t c p i p 协议 a b s t r a c t c o m f o r t a b l el i v i n ge n v i r o n m e n th a sb e e nag o a lp u r s u e db ym a n k i n d w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , f r o mr a d i o s ，t e l e v i s i o ns e t s ，t e l e p h o n e st o c o m p u t e r s ，t oe v e nn a t i o n a lp r o m o t i o no fd i g i t a lt e l e v i s i o n ，t h ee m e r g e n c eo fn e wt h i n g se a c h g i v e st h ec o m f o r ta n dc o n v e n i e n c et oo u rd a i l yl i v e s a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e c h n i q u e ，p e o p l eh a v eh i g h e rr e q u e s t st ot h e i rl i v i n ge n v k o n m e n t n e t w o r ka n di n t e l l i g e n c ei n f a m i l y h a s b e c o m e t h e n e w d i r e c t i o n f o r t h e d e v e l o p m e n t o f 2 1 s tc e n t u r y h o m e a tp r e s e n t ，t h es m a r th o m ei n d u s t r yr e s e a r c hh a sb e c o m et h ef o c u so f a r e n f i o nb e c a u s eo f i t sl a r g e rs c a l eo ft h em a r k e t ，i t sw i d e rp r o s p e c t s t h em a j o rm a n u f a c t u r e r s ，c o m p a n i e sa n d o r g a n i z a t i o n sh a v ep u tt h e i rs m a r th o m ed e s i g n ，u s i n ga l lk i n d so fp r o d u c t s ，b u tb e c a u s eo ft h e i n t e l l i g e n th o m en e t w o r kd e s i g na n da p p l i c a t i o no fv a r i o u sm e t h o d s f i e l db u s ，e t h e m e t ，t h e e l e c t r i c i t yl i n eo ff o r c ea n ds oo n ，w h i c hm a k e st h e s ep r o d u c t sh a v em a n yp r o b l e m s ，s u c ha s c o m p a t i b i l i t ya n dv e r s a t i l i t y d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s p r o d u c t sa r ed i f f e r e n ti nt h es o f t w a r e p r o t o c o la n dh a r d w a r ei n t e r f a c e s o ，m o s to ft h es m a r t h o m ep r o d u c t sd on o th a v em u t u a l c o n n e c t i v i t ya n de a s y m a i n t e n a n c e ，w h i c hr e s u l t si nt h et r e m e n d o u sw a s t eo fr e s o u r c e sa n d m a n p o w e r b u tc o m p a r e d 谢t 1 1t h eo t h e rb u s ，e t h e m e th a se x c e l l e n tc o m p a t i b i l i t y , e a s eo fu s e ， m a i n t a i n a b i l i t ya n dt h em o s t e x t e n s i v eu n i v e r s a ls c o p e a l lo ft h e s em a k ee t h e m e tb e c o m et h e n e w h o p eo f u n i f i e di n d u s t r ys t a n d a r d s t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e de a c hk i n d o fp o p u l a rs m a r t h o m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e x t a n tr e c e n t l y t h r o u g ht h el o n gt i m er e s e a r c ha n dt h et h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go fe a c hk i n d o f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ns m a r t - h o m en o w a d a y s ，i n c l u d i n gt h e i rs t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e s ，t h e p a p e rp o i n t so u te a c hj ( i n d o fp r e s e n ts m a r v h o m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r e s p e c t i v e s u p e r i o r i t i e sa n dt h e i ri n s u f f i c i e n c i e s a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d yr e s u l t ，t h i sp a p e r , b a s e do ne t h e m e t ，c o m e su p w i t had e s i g np r o g r a mb u i l to nt h eb a s i so f e t b e m e t t h i sk i n do fs m a r t h o m en o d e sw h i c hc a n b ec o m p a t i b l ew i t hi n t e r n e te x i s t e di sc o m p o s e do ft h ec 8 0 5 1 f 0 2 0a sm em a i nc o n t r o l l e ra n d t h er t l 8 0 1 9 a se t h e m e ta d a p t e rc h i pa sai n t e r f a c et oe t h e m e t t h r o u g hr e w r i t i n gi m p r o v e d t c pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l st om c ua n dp r o g r a m m i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r ei n r e m o t ec o m p u t e r , i tr e a l i z e st h es m a l l e s ts y s t e mo fh o u s e h o l da p p l i a n c e sr e m o t ec o n t r 0 1 m o r e o v e r , t h r o u g hp r o g r a m m i n gt h es i m p l i f i e dn e t w o r kp r o t o c o lc o m p a t i b l ew i t l lt h eg e n e r i c e t h e r n e t ，i tc o m p l e t e st h es t a n d a r d i z a t i o no ft h eh a r d w a r ei n t e r f a c ea n ds o f t w a r ep r o t o c o l ，a l s o a t t e m p t st h ei n i t i a li m p r o v e m e n tt od a t at r a n s m i s s i o nu n c e r t a i n t yo fb u s i n e s se t h e r n e tc a u s e d b yc o l l i s i o n k e y w o r d ：i n d u s t r i a le t h e m e t ，f i e l db u s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ns m a r t - h o m e ， c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，r t l 8 0 1 9 a s ，t c p i p p r o t o c o l 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：2 以舌锌 导师签名：强若手 日期：7d f ，巧 致谢 在论文完成之际，我首先要向我的导师张浩平副教授表示衷心的感谢。论文从选题， 设计到撰写，定稿过程中，自始至终都得到了张老师的细心指导和帮助从2 0 0 4 年考入 南京林业大学，攻读工程硕士以来，我从导师身上，不仅学到了很多相关的专业知识，而 且学到了治学的态度和为人的道理，使我终身受益 在三年的硕士研究生学习过程中，张老师在生活上、学习上给予我极大的关怀和帮助 在指导我们的研究方向的时候，他始终细心的参与讨论和研究，给我们提出宝贵的意见 他渊博的学识，精湛的专业知识、求实的科研精神、严谨的治学态度，诚信的为人风尚 踏实的工作作风，无论是治学还是为人，都是我终身学习的榜样在此，我要向他表达我 崇高的敬意和真挚的感谢 衷心感谢信息学院的刘云飞院长，封维忠副教授以及信息学院其他老师和其他相关专 业老师们对我的关心舜口培养感谢他们在学习和生活上给我的帮助，他们的教导使我受益 非浅 感谢刘立博同学，陈满同学在我的课题研究中给予的无私帮助 感谢师弟师妹给予我的帮助，感谢家人及宿舍舍友的支持和关心 再次对帮助过我的人致以深深的谢意。 1 1 课题来源和意义 第一章绪论 舒适的居住环境二- 直是人类追求的目标。随着电子信息技术的飞速发展，从收音机、 电视机、电话到计算机、i n t e r n e t 网络甚至正在全国推广的数字电视，每一新事物的出 现都给我们的日常生活带来了舒适和方便。家庭网络化、智能化已经成为2 1 世纪家居发 展的新方向试想一下，如果可以通过i n t e r n e t ，在网络上了解到家里的情况，比如冰 箱里面食物准备是否充足，室内温度是否适中，是否需要打开空调，那么就可以在下班后 为您准备好了。然后到家之后，通过自动门禁系统进入家里，家里的照明系统自动按照你 的要求打开；同时，录像机已经按照你的要求自动将电视台白天播放的你喜爱的节目录制 下来等你欣赏。这是一个多么理想的场景。这些场景的实现都离不开智能家庭网络。 智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质( 如电力线、双绞线、同轴电缆、 无线电、红外等) 将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实 现资源共享；对外能通过网关与外部网( 如e t h e r n e t 、i s d n 、3 d d w 等) 互连进行信息交 换的家居网络系统 4 9 1 。 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统p 6 3 9 1 。利用先进的计算机技术、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。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居 住功能，提供舒适安全、高品位且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，甚至为各种能源 费用节约资金。总的来说，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f 3 5 】。 随着目前“无处不在的网络”隅】和“可穿戴计算”【3 】的发展，智能家庭网络和智能家 居已经有了一些新的发展趋势：由过去的单纯对家庭设备进行互联发展为家庭设备的远程 控制；由过去的家居内部安全控制发展到家居远程实时监控；由过去的智能家庭网络功能 以控制为主发展到以多媒体、娱乐应用为主。随着中国加入世界贸易组织，国外一系列的 先进技术和理念都进入中国。因此无论对于中国信息产业的发展还是对于中国家电行业的 振兴，研究智能家庭网络都是十分具有战略意义的。 1 2 智能家居网络技术的现状 随着目前信息技术的进步，各种家电设备能通过网络互联已经成为现实。2 l 世纪的 智能家庭网络研究正呈现出许多新的特点： 智能家庭网络向分布式发展。分布式网络结构能够实现各个节点之间的信息共享，并 且节点之间地位平等，可以任意通信。某一个节点出现了问题，不会影响整个系统的运行。 从现已投入实用的系统来看，分布式结构将是未来智能家庭网络发展的主要方向。同时， a d h o c l 7 。5 3 1 网络的广泛应用也将会给智能家庭网络带来深刻的影响。从现已投入使用的系 统来看，分布式结构将是未来智能家庭网络发展的主要方向。 智能家庭网络不能只局限于将家中的各种电气设备联系起来，还应该能和i n t e r n e t 互联、通信。具有通过i n t e r n e t 进行远程访问、控制和监控功能的家庭网络才能使人们 真正的享受到“无处不在的网络”所带来的惊喜和魅力。 设备接口规范和即插即用性。如果将众多的不同厂商、不同品牌的电气设备，使用最 小的成本互联起来，提出一个可行的通用接口标准是非常重要的。这个标准需要兼顾通信 速率、现有标准以及成本等方面的考虑，而即插即用性能更应该是这个标准的重要特性。 安全性和可靠性。智能家庭网络系统必须做到安全和可靠，否则就会偏离其为用户带 来方便舒适生活的初衷。系统的安全性主要是指家庭内部信息不会轻易为外界获取，特别 是当与互联网连接时，信息安全性更显突出；另外安全性也要求系统能够抵御和防止外界 或者内部各种非法信息的入侵。可靠性是指系统运行的稳定性以及控制和报警信号的正确 性，这将牵涉到系统硬件和软件两方面的设计和实现。 1 3 本课题研究的内容和主要目标 1 3 1 研究内容 智能家居是一个新兴的领域，对它的研究现在还处在初级阶段，但是全球对智能家居 产品的需求是巨大的。近年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但迄今为止， 分析以上所有流行的家居通信系统可以发现，这一领域的国际标准尚未成熟，因此，有必 要对家居网络做进一步的研究，为家居网络标准的早日建立的打下一定的基础。本课题的 主要研究内容为； 在仔细分析现有的各种智能家居网络通信系统的基础上，总结研究适合智能家电使用 的网络组成形式、网络协议和硬件连接方式，选择合适的网络连接方式加以改进( 本文选 择以太网+ t c p i p 协议) ，设计出可以在家居内部网络运行的，可以较便捷的与i n t e r n e t 2 互联以实现家电远程控制的家电节点单元，并且使得其安装调试简单方便，牵扯到几方面 的设计： m c u 中协议栈的功能设置，主要包含网络层和传输层的剪裁及设计。例如如何满 足家电控制命令的需要且与现存的i n t e r n e t 达到最佳的无缝连接，并且对家居网络内部 的家电节点进行有效控制。同时考虑数据收发过程中的稳定性，以及满足家电节点对于软 件数据实时性方面的要求。 应用层协议的编写，即发送控制命令的p c 端界面及数据处理程序以及电器端请 求、应答及控制程序，控制字格式的约定及各种控制命令的具体实现方式的设定。 选择合适的硬件组成，完成智能家电控制节点的硬件设计。目的是使得设计出的智 能家电节点在硬件实时性方面满足远程访问控制家居网络内部节点这一核心功能的要求， 并且使得此节点的构成方式尽可能成本低廉，实现方便。 1 3 2 课题的主要目标 本课题的主要目标是设计出适合普通家电节点使用的协议层次即符合家电传输数据 特点的数据包结构和控制类型，并且完成对家电节点硬件部分的设计运行，初步实现控制 者位于外网可以较快速稳定的访问及控制内网电器节点的功能，即实现一个智能家居网络 的最小化系统。且此系统使用与现存网络标准兼容的接口及协议，可以与i n t e r n e t 达到 无缝连接。 此系统应具有以下特点： ( 1 ) 性能价格比高，系统通用性较强。 ( 2 ) 与目前以太网兼容的的网络接口、协议和数据格式。 ( 3 ) 易于扩充、方便安装。 3 第二章对当前常用智能家居通信系统的研究 要进行智能家居通信系统的自主开发，首先要对目前国内外存在的智能家居通信系统 进行透彻的研究，这也是本文的目标之一。通过分析各种方案的优点和存在的缺陷，从而 为提出自行设计的家居通信系统理清头绪和思路。国际上对于智能家居通信系统的开发已 成为新一轮研究的热点，当前几种流行的国内外常用智能家居通信网络系统定义及其特点 如下： x 1 0 的定义 x 1 0 是智能家居通信系统中，历史最长且使用最简单的一种。它于1 9 7 8 年诞生于 美国，至今仍是美国家庭自动化的主导系统。x - l o 协议是一种国际通用的智能家居电力 载波协议，它以电力线为转输介质实现对用电设备进行智能远程控制。 卜l o 智能家居系统是指基于x - l o 协议，由发射器发出x - 1 0 控制信号，通过现有电 力线网转输x 一1 0 信号到接收器，然后由接收器再对各灯具、用电器等用电设备进行控制 的系统。 x - l o 的组成特点及原理概述 x - l o 系统以电力线为传输介质。系统由三部分组成，即发射器，接收器，系统保障 设备三部分。发射器通过电力线发射控制信号给接收器，由接收器对被控器件进行远程控 制。系统保障设备主要是由于电力线干扰问题，故而用来检测和解决电子线噪音问题的一 些设备，主要目的是保障x 一1 0 信号在电力线上转输的稳定与有效强度，从而保障x - i o 系统运作正常。 x 一1 0 是利用既有的电力线网路来控制家中的电子电器产品所研发的通信系统，也是 全球第一个将家庭自动化产品商业化成功的技术。x - 1 0 是利用6 0 h z ( 或5 0 h z ) 电力为载 波，1 2 0 k h z 的脉冲为调变波，借调变技术来传送讯息所发展出的数据控制技术，并由此 制订出一套控制规则【2 4 l 。在x 一1 0 网络中，有用于控制器的t r a n s m i t t e r 模组、接受指 令用的r e c e i v e r 模组及双向传输的t w o - w a y 模组( 除发出指令外还可回应确认信号，可 提高系统的可靠性) 。指令主要分为三部分：第一部分为起始码，接下来则是h o u s ec o d e ， 最后是k e yc o d e 。h o u s ec o d e 有a 到p ( 在指令中以卜f 代表) 等1 6 组编码，k e yc o d e 有1 到1 6 ( 在指令中以卜f 代表) 等1 6 组编码，因此总共可以使用的被控制电器节点共 有2 5 6 个。x 一1 0 控制器依据定义好的指令发出信息到电力线网络上，以此进行家电的控 制。 x 一1 0 通信系统的使用现状 作为家庭自动化的众多技术中历史最悠久的产物，x _ 1 0 技术在美国的发展已经2 5 4 年的历史了，到目前为止美国的卜1 0 用户已经达到1 0 0 0 万以上，x - 1 0 控制规格已成为 当今美国家庭自动化控制规格的主要领导者。其产品已超过5 0 0 0 多种，不论是基本的灯 光控制、保全系统、家庭剧院、温度或动作感测与电脑相关界面与控制等等的产品皆已具 备。它在美国市场占有率最高，目前约有超过4 0 0 万个家庭在使用它l 。目前应用x i o 技术的产品在我国还不多，国内的x l o 技术剐刚起步。 x - 1 0 通信系统的优缺点 作为最老资格的家居通信网络系统，x - i o 的优缺点明显，它的优点是：物理线路和 协议实现简单，这是因为它直接利用住宅电力线作为控制总线，通过电力线将各控制器与 各功能接口器相连并实现程序控制。安装方便，不必再穿墙打孔，更有利于改交结构空问。 用户可自己动手安装，价格也比较低廉。 而作为与i n t e r n e t 互联的家庭网络，卜l o 的缺点也非常明显：反应速度慢( 经有关 机构测试，其在6 0 h z 供电系统中，其传送一个指令需时0 8 8 3 秒【2 】) ；抗干扰能力较差 ( 因为信号在电力线中传送，所以干扰是难以避免的) ；控制方向单一，电器问缺少互操 作性，x _ 1 0 具有的单一方向的控制性，即只能由发射器发送控制数据到接收器，这也是 它的一大缺陷；x 一1 0 的局限性还在于，x - i o 系统在兴起时是以家庭内网作为考虑的中心， 并未想到与i n t e r n e t 之间的互联，故而在目前与外部网络连接时，x - 1 0 系统必须通过昂 贵复杂的协议转换器接入外网，技术复杂且不容易实现，进而造成成本难以接受。 综上所述，x - 1 0 作为一种元老级的智能家居通信系统在目前网络化大潮形势下，先 天的缺陷暴露无遗，使用x 一1 0 作为与互联网相连的智能家居网络系统，对它的配置安装 及维护将会非常繁琐。 2 2c e b u s c e b u s 的定义 c e b u s 是美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 4 年4 月组织开发的家庭网络标准，子1 9 9 2 年正式推出了c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i cb u s ) ，定为e i a - 6 0 0 标准m 。c e b u s 是一种 完全开放式的家庭网络标准，它定义了几乎所有传输介质中信号的传输标准，符合标准的 电气产品均可以直接互联互通。 c e b u s 的组成特点及原理概述 c e b u s 是点对点网络，它不需要系统控制器，使用c s m a c d c r 1 7 6 3 】方法来控制其节点 对电力线媒介的访问。c s m a c d c r 是对以太网协议c s l a c d 矗5 1 的一种改进。这种协议使 得几个节点争用媒体，发生冲突时，其中必有一个优先级较高的节点能够发送成功，且其 数据的完整性不受本次冲突的影响。 c e b u s 采用简化的i s o o s i ! l o 1 7 l 模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用层， 如图i - i 所示。物理层使用7 种不同媒介，包括电力线、双绞线、同轴电缆等，可以满足 不同应用场合需要。c e b u s 的网络完全面向报文分组( p a c k e t ) 。c e b u s 的协议模型如下图。 层 阕 管 理 c e b u s 嗣络穰攫 应用层 筮警蓝筮 一络腰 鼓据链谶屡 电力线。双娥线，弼齄电 缝。射敷广镥，红井线。 光并 v 钱 图2 - ic e b u s 采用的协议模型 c e b u s 的应用层通过c a l ( c o m m o na p p l i c a t i o nl a n g u a g e s 4 1 ) 和应用程序连接，设备 之间可以互相访问，从而知道一个设备所有的资源，工作状态，并可控制该设备。c a l 是 c e b u s 专为设备之间相互通信而设计的应用层面向对象语言。c e b u s 的应用层包括三个子 层：消息传递子层，负责传递四种类型的消息。c a l 予层，解释执行c a l 语言；用户子层， 根据c a l 语言执行的结果来控制设备的运行。 c e b u s 的数据链路层保证正确收发数据帧。发送的数据帧有几类：要求响应和无响应 的；带地址和不带地址的；广播和非广播的。此外，数据帧有高、正常、低三个优先级， 可以满足不同信息对时间的要求。 网络层的主要功能是为了连接不同的物理媒体，例如，连接在双绞线和电力线上的设 备之间要传递信息，就必须通过网络层来转发。 c e b u s 通信系统的使用现状 目前，在国外，特别是北美和欧洲，在此方面的研究和应用已开始进入实用阶段，美国 的一些公司还在不断推出有关的芯片和产品，用于信息网、军事、工业和家庭自动化。而 在国内，基于光缆、电缆和双绞线为通讯介质的通讯产品的研究开发的成果和应用已很多， 但在此方面的研究和应用还处于起步阶段。目前，国内的浙江大学系统工程研究所等几家 机构已经开发了基于电力线通信的c e b u s 智能家电系统【6 j 。 c e b u s 通信系统的优缺点 c e b u s 通信系统的优点： 系统协议的标准化。任何符合c e b u s 标准的电器产品都可以直接互连及通信。 控制力及功能强。c e b u s 组成的系统，寻址能力超过4 0 亿【l i ，足可以与互联网相比 美，且自身的控制功能十分丰富。 6 一鲫一蝴一一一萋|一一一一一 采用有效协议，避免冲突发生c e b u s 使用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨 协议机制c s m a c d c r ，消除了c e b u s 网络上面发生冲突的可能，使得数据传输的稳定性大 大提高。 c e b u s 通信系统的缺点： 成本昂贵。由于c e b u s 协议规范和接口技术都比较复杂，使成本居高不下，因此使用 c e b u s 产品的用户相对较少，c e b u s 在中国的应用也不多见。 数据速率低。由于c e b u s 对信道的传输速率标准定义得太低( 1 0 k b p s ) ，无法满足逐 渐飞速发展的网络多媒体应用的需求。 特有的编写语言限制。虽然c e b u s 的c a l 语言的面向对象特性使它很容易在p c 上应 用，但对于分布在家庭各个角落的微控制器来说，c a l 不像c 语言等其他语言有众多的编 译链接厂商的支持，故而并不方便编写调试。 对于c e b u s 在与i n t e r n e t 连接时，也需要加入协议转换设备进行二者之间的协议转 换，由此带来的成本和安装维护等问题也是c e b u s 通信系统面临的问题之一。 2 3e i b e i b 的定义 e i b 是欧洲安装总线协会e l b a ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u sa s s o c i a t i o n ) 推出的 用于电气安装领域的智能控制网络。它是为电气接线装置专业打造的智能化控制系统 e i b 总线系统作为欧洲安装总线标准，利用一条双绞线作为控制总线，取代了传统数量繁 多的导线，使各个家庭系统实现智能化，并成为一个完整的总线系统 5 6 1 。 e i b 总线系统是一个面向使用者、体现个性的系统，又是一个面向管理者的系统。使 用者可根据个人的需要任意修改系统的功能，达到自己所需要的效果，并可通过操作传感 器来控制系统的动作。 e i b 的组成特点及原理概述 e i b 系统采用分布式结构，主要使用双绞线作为传输介质。通信协议使用物理层、数 据链路层、网络层、传输层和应用层。e i b 是一个安全分散的全分布式系统，在这个系统 中没有主从的设置，所有的现场设备包括面板按钮、开关驱动器、调光驱动器，定时器 等都是系统中的一个节点 e i b 元件大多是标准d i n 导划 】安装方式的模块化元件，可以直接安装在配电箱中， 检修和维护都非常方便，积木式的系统构建方式，使它在满足功能的不断变化上非常适应。 当根据需求设计和选择的应用程序被下载入全部元件模块中去之后，各个元件就可以完全 独立地进行工作。当有集中管理的需求时，作为中央管理单元的计算机也是作为总线系统 中的一个节点参与工作。 e i b 和其它现场总线协议一样，采用的是串行异步的传输方式，e i b 传输速率最大值 为9 6 k b s ，相当于每秒4 0 - 5 0 份报文。e i b 的传输是按事件控制的，也就是说，当事件 7 真正发生时和需要传输信息时才将报文发送到总线上。为了提高可靠性和达到最大传输速 率，e i b 应用了c s m a c a l 5 8 1 ( 具有避免冲突的载波侦听多路访问) ，通过这种总线访问技 术，使得在多个总线元件同时发送信号时就不会发生信号丢失现象，而且e i b 有自己的优 先权定义以保证信号按照一定的次序先后传送。 为了保证系统中各个元件之间准确无误地进行信息交换，e i b 引入了“地址”的概念。 在e i b 协议标准中，定义了两种类型的地址：物理地址和组地址。物理地址时用来标识每 一个元件的身份。有了物理地址，元件可以很方便地进行标识，并通过总线下载自己被赋 予的应用程序。和物理地址的唯一性不同，每一个元件可以被赋予一个或多个组地址。事 实上，组地址是用来进行通讯用的。当一个元件要实现某个目的而发出电信号后，在整个 拓扑上的元件，只要其组地址和总线上传输的电信号中包含的组地址相同，它就能响应这 个信号中包含的动作指令。利用组地址的概念，可以轻易实现传统电气安装技术中很难实 现的“一控多”和“多控一”任务。 e i b 通信系统的使用现状 e i b 通信系统受到西门子，a b b 等公司的支持，问世十多年，共生产了4 0 0 0 多种功能 元件，e i b 成为目前事实上的欧洲标准。2 0 0 1 年，e i b 技术开始被引人中国，而国内对e i b 的研究也取得了一定成果【13 1 。 e i b 通信系统的优缺点 e i b 有自身的优点： 设计和功能的模块化。e i b 系统的模块化结构使得其设计灵活、安装和功能的扩充筒 便易行，也为日后的升级或者各种因素造成的软件功能变化提供了便利条件。 开放性和标准化。进行e i b 系统设计、编程和调试的工具软件e t s l 5 s j ( e i bt o o l s o f t w a r e ) 并不是由某一家厂商开发和提供的，而是由中立的协会e i b a 开发和销售的， 各个厂商按照标准的格式开发每个元件的数据库，而这些数据库通常是可以通过互联网免 费获得的。 数据的稳定性。e i b 系统采用的传输方式中应用了c s m a c a ( 载波侦听多路访问冲 突避免) 技术，它使得多个元件同时发送总线信号时不会发生信号因冲突而丢失的现象。 然而作为与i n t e r n e t 互联的家庭智能网络，e i b 也有其较为明显的缺陷； 线路的独特性。e i b 通信系统独特之处在于需要有专门的线路( e i b 双绞线1 5 6 ) 和总 线上使用的器件为之配合( 例如在其拓扑结构中用于过滤组地址以减少冗余信号消耗信道 带宽的目的而采用的线路耦合器1 5 6 5 s 1 ) ，使用专线及设备是e i b 通信系统缺点之一，也增 加了e i b 通信系统的成本。 传输速率低。e i b 采用的是串行异步的传输方式，传输速率只有9 6 k b p s 。这与目前 大多以mb p s 为单位的总线数据传输率相比不得不说是其缺陷之一。 另外，e i b 在与i n t e r n e t 连接时也需要加入专门的协议转换设备进行协议的转换， 由此带来的增加成本和安装费用等问题就不可避免的成为e i b 通信系统与其它大多数系 统一样的无法忽略的劣势。e i b 网络与i n t e r n e t 的无缝连接啊同样无法实现。 简言之，e i b 的标准化和灵活性是它最突出的优势。而e i b 对于通信线路的特殊要求， 加上e i b 传输速率的限制，高昂的成本，以及在与i n t e r n e t 连接时需加入专门的协议转 换设备这些不利因素也限制了e i b 作为智能家居采用的网络与i n t e r n e t 互联的可行性。 l o n w o r k s 的定义 l o n w o r k s 协议是美国e c h e l o n 公司开发并与m o t o r o l a 和东芝公司共同倡导的现场总 线技术嘲。l o n w o r k s 性质上是点对点双向通信的单层分布式控制网络。它追求网络的全 面控制，包含了传感器总线、设备总线和现场总线三层意义。l o n w o r k s 技术组成包括硬 件部分和神经元【2 “6 4 1 ( n e u r o n ) 芯片和软件部分的通信协议l o n t a l k t z “6 4 l 。 l o n w o r k s 的组成特点及原理概述 l o n w o r k s 网络的基本单元是节点，网络节点也是监控模块，利用一根总线可将系统 所有的监控模块连接起来，每个监控模块是由神经元芯片、电源、一个通过媒介通信收发 器和被监控设备接口的i o 电路组成。l o n w o r k s 支持多种物理介质，适用于双绞线、电 力线、光缆、射频、红外线等，并可在同一网络中混合使用。l o n w o r k s 协议支持多种拓 扑结构，可以选用任意形式的网络拓扑结构，组网方式灵活。 l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面 有较好的性能。l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，它包括一个固化的高级通信协议 l o n t a l k ，三个微处理器，一个多任务操作系统和灵活的输入输出方式。l o n t a l k 协议 提供了o s i 参考模型所定义的全部七层协议，其中1 - 6 层协议固化在神经元芯片中，只有 第七层应用层是根据应用对象自行定义，大大节约了开发时间和成本投入。神经元芯片为 超大规模集成电路，其内部的三个c p u ，分别控制通讯和应用程序的执行。神经元芯片可 以直接或通过收发器连成控制网络。收发器有不同的类型，以支持不同的通讯介质。内部 具有完善的l o n t a l k 通讯协议。 l o n w o r k s 节点利用固化在自身神经元芯片中的l o n t a l k 协议发送数据包至l o n w o r k s 网络中，网络中的接收节点利用自身的l o n t a l k 协议分析数据包，接收指令，从而完成控 制操作等功能。为楼宇自动化、智能家居等应用提供了较好的控制网络。 l o n w o r k s 通信系统的使用现状 目前国内外对l o n w o r k s 智能家居通信系统研究较多，各种基于l o n w o r k s 的产品也已 经推出。l o n w o r k s 在楼字自动化领域获得了广泛的应用。世界上有2 万多家0 e m 厂商生 产l o n w o r k s 相关产品，其中种类已达6 0 0 0 多种。目前世界上已安装有1 0 0 0 多万个 l o n w o r k s 节点，l o n t a l k 协议也被接纳为欧洲c e n t c 2 4 7 、c e n t c 2 0 5 的一部分喇。 自1 9 9 6 年以来，l o n w o r k s 也开始在国内获得大量的应用。在建设部的支持下，国内 一些研究所和企业开始陆续开发出基于l o n w o r k s 的楼宇自动化控制系统，并在一些新建 9 智能大厦和建设部智能化小区试点工程中得到应用刚。 l o n w o r k s 通信系统的优缺点 l o n w o r k s 作为一种开放式的交互网络，其优点如下： 协议的标准化。由于l o n t a l k 协议的绝大部分是固化在芯片内部的，所以用户不必担 心它的一致性。这样用户可以不必花费大量的时间，来建立其内部的协议标准。正是由于 l o n r o r k s 的这一特性，使得它可以以很小的代价，适应于各种不同的应用场合。 良好的实时性。在l o n t a l k 协议中网络流量的预测和避免拥塞的方法，使得在最坏情 况下的响应时间得到了控制。为报文提供优先级的方式，可以大大提高高优先级报文的响 应时间，其支持高达1 2 5 m b p s 的传输速率，并可支持各种实时的应用。 设计的模式化。l o n t a l k 协议的高层应用层协议的数据称为网络变量。它可以是任 何单个的数据项，也可以是结构数据。应用程序的设计者只需使用关键字“n e t w o r k ”来 定义这些变量，那么在网络中的任何节点都可与之相联系。这意味着应用程序设计者不必 关心缓冲管理、报文初始化、报文分析和错误处理等。 节点的独立性。l o n w o r k s 技术为对等式通讯网络，各节点地位均等，无主节点。各 个界点之间可以相互操作，控制灵活多变。 作为与i n t e r n e t 互联的家庭网络，l o n w o r k s 也有其自身的缺点： 开放性值得怀疑。l o n w o r k s 依赖于e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片，虽然其宣称l o n w o r k s 具有完全的开放性，但是它的开放性仍不免令人感到担心，只有其使用不依赖于硬件的独 立通讯协议，才有可能具有完全的开放性。实质上被垄断经营的n e u r o n 芯片是否具有真 正意义上的开放性还值得思考。 单一芯片的限制。n e u r o n 的容量以及由n e u r o n 芯片限制的存储结构和l o n w o r k s 的 设计所带来的性能缺陷，限制了l o n w o r k s 应用逻辑段的规模和范围，同时限制了逻辑段 之间的互动操作甚至数据传输速度。尽管l o n 宣称其网络速度达到1 2 5 m ( b a u d ) ，但实际 上只在短距离内以及专用网络上的电脑间能够达到这一速度。而目前l o n w o r k s 在装置控 制器间实际通讯速度很低，只有不到0 1 kb a u d i l 4 】。 另外，l o n w o r k s 在与i n t e r n e t 互联时需要进行协议的转换，必然要加入专门针对于 l o n