（通信与信息系统专业论文）基于cebus的家庭智能网络及控制系统的研究与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于c e b u s 的家庭智能网络及控制系统的研究与实现 摘要 住宅建设和发展是人类永恒的主题，用新技术提升住宅功能一直是人类的 追求，因此家庭网络是近年来发展起来的新领域。家庭网络系统构成了智能化 家庭设备系统提高了家庭生活、学习、工作、娱乐的品质，是数字化家庭的 发展方向。 家庭网络的发展初期各公司自定义标准，导致不同公司的产品不兼容，从 而极大地阻碍了市场的开拓和技术的进步，近十年来制定和遵循统一标准已经 成为不可逆转的共识，家庭网络也由此进入高速发展的阶段。 本文对国际上具有一定影响几种家庭网络标准进行研究，并对其中的电子 消费总线，即c e b u s 总线进行了深入的分析和研究，并在此基础上提出了基于 c e b u s 家庭网络模型。 本文针对c e b u s 通信协议，采用住宅中必备的2 2 0 v 或3 8 0 v 电力线为通 信介质，针对电力线载波中存在的问题，设计了一套适合我国家庭网络的电力 线通信系统，并完成了硬件和软件的设计。此家庭网络系统被广大家庭采用后， 会极大的方便人民的生活，提高人们的生活质量。 关键词消费电子总线家庭网络协议电力线载波 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s t u d ya n di m p l e m e n to f t h es m a r th o m e n e t w o r kb a s e do nt h ec e b u s a b s t r a c t t h ed w e l l i n gc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n ta r em a n k i n d se t e r n a lt h e m e s ，i th a s t h eh u m a np u r s u i ta l lt h et i m et op r o m o t et h ef u n c t i o no ft h eh o u s ew i t ht h en e w t e c h n o l o g y , a n dt h e r e f o r ef a m i l y sn e t w o r ki san e w f i e l dd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s f a m i l y sn e t w o r ks y s t e mf o r m st h ei n t e l l i g e n tf a m i l y se q u i p m e n ts y s t e m ，w h i c hh a s i m p r o v e dt h eq u a l i t yo ff a m i l yl i f e ，s t u d y i n g ，w o r k i n ga n da m u s e m e n t i ti st h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o no f t h ed i i g i t i z e df a m i l y e v e r yc o m p a n y ss e l f - d e f i n i n gs t a n d a r di ni n i t i a ls t a g eo ff a m i l y sn e t w o r k ， c a u s et h ep r o d u c t so fd i f f e r e n tc o m p a n i e sn o tt ob ec o m p a t i b l e ，t h u sh i n d e r e dt h e o p e n - u po ft h em a r k e ta n dt h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g yg r e a t l y i th a sb e c o m ea i r r e v e r s i b l ec o m m o nu n d e r s t a n d i n g st om a d ea n df o l l o w e dt h eu n i t yo fs t a n d a r di n t h ep a s tt e ny e a r s t h e r e f o r et h ef a m i l y 。sn e t w o r ke n t e r st h eh i g h s p e e ds t a g ef o r d e v e l o p m e n t i n t h i st e x t ，t h e r ea r es e v e r a lk i n d so fh o m en e t w o r ks t a n d a r d so fac e r t a i n i n f l u e n c et oc a r r yo nr e s e a r c hi nt h ew o r l d ，a n dc o n s u m eb u s e st ot h ee l e c t r o na m o n g t h e m ，n a m e l yc e b u sb u sh a sc a r d e do nd e e pa n a l y s i sa n ds t u d y , a n dh a sp r o p o s e di t b e c a u s eo f t h en e t w o r km o d e lo f c e b u sf a m i l yo nt h i sb a s i s i nt h i st e x tc e b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li ss e l e c t e d ，a n di n d i s p e n s a b l e2 2 0 v o r3 8 0 vp o w e rl i n ei sm a d eu s eo ft of o r mt h ec o m m u n i c a t i o nm e d i u ma d o p ti nt h e h o u s e w h i c hc a nr e s o l v et h eq u e s t i o nt h a te x i s ti nt h es i g n a _ 1c 州e ro fp o w e rl i n e ， w h i c hh a v ed e s i g n e das e to fp o w e rf i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st h a ts u i t st h eh o m e n e t w o r ko fo u rn a t i o n a l ，a n di th a v ef m i s h e dt h ed e s i g n so ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e w h e nt h i s s y s t e mi sa d o p t e di nt h em a s s e so ff a m i l y , i tw i l lg r e a t l y f a c i l i t a t et h el i f eo fp e o p l e ，a n di m p r o v ep e o p l e sl i f eq u a l i t y k e yw o r d sc e b u s ，h o m en e t w o r k ，p r o t o c o l ，p o w e rc a r r i e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 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谢意。 学位论文作者签名：鞠勃 日期：伊叼f 、弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学町以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为一i 同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 家庭网络系统指的是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信 息化平台，是在家庭范围内，实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、 自动化设备、照明设备、保安( 监控) 装置及水、电、气、热表设备、家庭求 助报警等设备互联和管理，以及数据和多媒体信息共事的系统。家庭网络系统 构成了智能化家庭设备系统，提高了家庭生活、学习、工作、娱乐的品质，是 数字化家庭的发展方向。 国外智能住宅1 1 , 2 1 和家庭网络的概念始于七十年代。家庭网络发展初期各公 司自定标准，导致产品互不兼容，极大地阻碍了市场的开拓和技术的进步。近 十年来，制定并遵循统一标准已成为不可逆转的共识。家庭智能网络由此进入 高速发展阶段。 家庭智自眦，就是由家电控制系统、家庭服务系统、家庭安全防护系统三 大块组成的家庭智能化控制系统，将电视机、冰箱、空调、洗农机等家庭用电 器，电话、电脑、i n t e m e t 互联网，水表、电表、煤气表及各种安全防护报警器 连接为一体，实现家电控制、娱乐、交流和信息共享等全方位的智能化的一种 新技术。它不但能实现对家用电气设备的自动控制和调节，而且能通过网络实 现与外部信息的交换。系统通过家庭总线技术，把家庭中各种家用电器、家庭 保安装置和各种计量设备连接到一起组成一个家庭内部网络，再把这个网络通 过电话网络与外界相连，能够实现在本地或异地对家庭进行集中的监视、控制 和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。 随着计算机技术和通讯技术的高速发展，特别是近年来i n t e m e t 的飞速发 展，人们对居家的要求已不仅仅是空间的大小和环境的优美，而是对生活的安 全性、舒适性、通讯方式、信息服务和家庭智能化等方面提出了更高的要求。 计算机技术、通讯网络技术和自动化技术将进入家庭，满足人们对高度安全性、 生活舒适性、通信快捷性的需求，给用户营造一个安全、舒适、开放的生活环 境。 具体的说，智能化服务于人们的家居生活，它应具备网络高速接入功能， 使家居办公符合在家办公的需求；家居自动化可实现家电设备的联动控制和异 地远程控制等：家居娱乐包括v o d 自动点播、远程教学、交互式电子游戏等： 家属安全监控如火警、煤气泄露、幼儿和老人求救、远程医疗与监护、防盗报 警等；家居管理方面，如远程四表传送收费；家居商务，如网上购物、网上商 东北大学硕士学位论文第一章前言 务联系等。 所以，家庭网络技术无论对于个人还是家庭以至于公司都至关重要。勿庸 置疑，谁掌握家庭网络的技术标准，谁就能在这飞速发展的巨大市场中独占 鳌头，谁就能为广大民众刨造更大的便利。 1 2 家庭网络的连接技术 1 2 1 有线家庭网络连接技术 有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的可靠性强，传输速率高，而缺 点在于网络体积庞大，灵活性差，且布线复杂，主要应用于早期点对点网络和星 型网络的拓扑结构中【l 。 1 2 1 1 双绞线或同辅电缆( 以太网) 基于铜介质的双绞线和嗣轴电缆能够实现信号的双向传输，有着较高的可靠 性，因而被广泛地应用在商业企业中，成为办公室计算机和打印机网络的标准选 择。建立这样的网络需要大量的五类电缆( c a t 5 ) ，造价昂贵，不易安装。在某 些家庭网络的中使用了以太网的形式，但由于成本太高和安装维护困难的问题， 极少有人愿意采用这样的方案来实现家庭网络的连接。 1 2 1 2 铜介质双绞线( 电话线) 利用家庭已有的电话线来实现家庭网络的连接是一个经济实惠的方案。在一 定的条件下，三类电缆( c a t 3 ) 的传输速率可以达到1 m b p s ，而且，据估计， 不久的将来它的传输速率可以达到1 0 m 。虽然这一技术充分利用了现有的资源， 但是线路在灵活性和带宽方面的限制阻碍了它的进一步推广。通常一般的家庭罩 没有足够的l u 1 1 接口，要在每一个房间或者电话、计算机和其它设备能够触 及的地方安装插座也会带来了技术上和成本上的问题。而且，由于电话线路并非 为高速数据传输而设计，其衰减和阻抗特性也不能很好地控制。 1 2 1 3 交流电力线 交流电力线可以连接整个房屋的每一个角落，而且不象某些无线电波或者红 外线，难以穿过钢筋混凝土地墙壁和地板，很早就作为家庭网络的连接的媒介。 但是，由于电力线本身的噪声和信号输送能力有限，这种技术不适合数据的高速 传输，而且越f 没有任何标准来保证设备之间的互操作性。 东北大学硕士学位论文 第一章前言 务联系等。 所以，家庭网络技术无论对于个人还是家庭以至于公司都至关重要。勿庸 置疑，谁掌握家庭网络的技术标准，谁就能在这一飞速发展的巨大市场中独占 鳌头，谁就能为广大民众刨造更大的便利。 1 2 家庭网络的连接技术 1 2 1 有线家庭网络连接技术 有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的可靠性强，传输速率高，而缺 点在于网络体积庞大，灵活性差，且市线复杂，主要应用于早期点对点网络和星 型网络的拓扑结构中”j 。 l2 11 双绞线或同轴电缆( 以太网) 基于铜介质的双绞线和同轴电缆能够实现信号的双向传输，有着较高的可靠 性，因而被广泛地应用在商业企业中，成为办公窜计算机和打印机网络的标准选 择。建立这样的网络需要大量的五类电缆( c a t 5 ) ，造价昂贵，不易安装。在某 些家庭网络的中使用了以太网的形式，但由于成本太高和安装维护圃难的问题， 极少有人愿意采用这样的方案来实现家庭网络的连接。 12 ，1 2 铜介质双绞线( 电话线) 利用家庭已有的电话线来实现家庭网络的连接是一个经济实惠的方案。在一 定的条件下，三类电缆( c a t 3 ) 的传输速率可以达到1 m b p s ，而且，据估计， 不久的将来它的传输速率可以达到1 0 m 。虽然这一技术充分利用了现有的资源， 但是线路在灵活性和带宽方面的限制阻碍了它的进一步推广。通常一般的家庭里 没有足够的r j l l 接口，要在每一个房日j 或者电话、计算机和其它设各能够触 及的地方安装插座也会带来了技术上和成本上的问题。而且，由于电话线路并非 为高速数据传输而设计，其衰减和阻抗特性也不能很好地控制。 1 ，2 1 ，3 交流电力线 交流电力线可以连接整个房屋的每一个角落，而且不象某些无线电波或者红 外线，难以穿过钢筋混凝土地墙壁和地板，很早就作为家庭网络的连接的媒介。 但是，由于电力线本身的噪声和信号输送能力有限，这种技术不适合数据的高速 传输，而且也没有任何标准来保证设备之问的互操作性。 传输，而且也没有任何标准来保证设备之问的互操作性。 东北大学硕士学位论文第一章前言 1 2 2 无线家庭网络连接技术 比较有线网络而言，无线网络为可移动设备连入家庭网络提供了便利，连入 家庭网络的设备的位簧相对灵活，但是数据的传输的可靠性相对来说较差，而且 通讯的范围往往受到居室的限制。 1 2 2 1i e e e8 0 2 1 1 b i e e e8 0 2 1 1 b 是i e e e8 0 2 1l ( 无线局域网协议) 的扩展之一，i e e e8 0 2 1 1 b 的 最大传输速率为1 1 m b p s ，i e e e8 0 2 1 1 a 的最大传输速率为5 4 m b p s 。i e e e8 0 2 1 1 b 是建立在1 e e e8 0 2 “的基础上，在规定的2 4 g h z 频带上使数据传输速率提高 到l l m b p s 的新技术。当传输线路噪音较大时，传输速率会降到5 5 m b p s 以下， 以确保通信的高可靠性。在普通办公环境中，i e e e8 0 2 1 l b 网卡和访问点间可在 1 0 0 米的距离内进行通讯，如果在空旷的室外，这一距离可达3 0 0 米。此外，用 户在多访问点上不用动手即可创建遍及全部门的无线网络。i e e e8 0 2 1 1 b 的速度 和范围几乎可以满足用户运行大量占用带宽的网络操作，就像在有线局域网j = ：一 样。 1 2 2 2h o m e r f 技术 h o m e r f 是在家庭范围内的无线数字通信开放工业标准。h o m e r f 借用了 8 0 2 1 1 中支持t c p i p 传输的协议，它定义的工作频段为2 4 g h z ，是不需许可证 的公用无线频段。收发信机最大功率为l o o m w ，有效范围5 0 米。h o m e r f 支持 同步网和异步网，在同步网内部可支持六部无绳电话互连，在异步网内部可支持 更多的数据设备互连。为了支持两种数据类型的传输，s w a p 协议在h o m e r f 帧中定义了不同的期问，当一个网络成员稳定在一个特殊的频率上后，它便丌始 侦听从控制节点发出的信令信号。同步之后，无线接收设备则将话音传输和数据 传输在时间上分丌。在帧的中问期间，数据的发送和接收采用c s m a c a 协议， 这类似于8 0 2 1 1 的m a c 层。在帧尾，它利用t d m a 协议来处理语音传输，为 了实现t d m a 数据的优先重传，以的保存的帧头部分就有可能被丢掉或被扰乱。 h o m e r f 支持高质量的语音与数据传输，但它的带宽相对较窄。虽然h o m e r f 的数据速率比蓝牙高，但蓝牙提供更便宜的芯片，从丽吸引了更大的市场。 1 2 2 3h i p e r l a n 2 技术 h 1 p e r l a n 是作为一个欧洲标准提出来的。它能通过a p 采用与i e e e 8 0 2 1 l 相类似的方式支持集中式接入。h i p e r l a n 2 允许在同一个子网中的越区切换又 东北大学硕士学位论文第一章前言 允许在一个异构网络中基于i p 的越区切换，可以实现与以太网等相互进行无缝 操作。 h i p e r l a n 2 使用一种新的类似于面向语音的蜂窝网络的协议体系结构，它 有三个最基本的层：物理层、d l c 层和会聚层。h i p e r l a n 2 目标是以很高的 数据速率为室内和可能的室外应用提供i p 和a t m 类型服务，它期望能支持面向 连接和无连接的两种服务。目前h i p e r l a n 2 依旧在发展之中。 i 2 2 4 蓝雾技术 蓝牙是短距离无线语音和数据通信的开放标准，最初的发展是为了替换在全 球运行的个人区域互连网络中的电缆。主要应用在综合语音和数据业务上，其中 使用了嵌入机制来支持语音通信。蓝牙的拓扑结构为分散的a dh o c 拓扑，在分 散的a dh o c 环境下，大量小规模的网络可支持一些终端的共存性或互操作性。 在同一时间内，终端可选择与多个网络相关联，接入方法即可用于小型独立的 a dh o c 小区，也可借助蓝牙技术与大型的语音和数据网络完成信息的交互。蓝牙 标准的显著特征为其有一个完整的协议栈，从而允许不同的应用在不同的设备间 通信。蓝牙接入机制为面向语音的全新系统，采用的某些技术与c s m a c a ， c d m a 或t d m a 有关，它的介质接入的机制为快速f h c d m a t d d 系统，并 可通过轮询来建立链路。 p 外2 2 0 v 【“力线 隔离橙按 控制埘扳 手持操作器 矗面嘉一一用! ：搀卑 计算机 电话 一 家电系统 嘲络接口 家庭嘲戈 撤警系统 温拉系统 灯) t 系统 三衷远传 幽1 1 基丁c e b u s 的家庭网络结构幽 f i g 1 1s t r u c t u r eo f h o m en e t w o r kb a s e do nt h ec e b u s 东北大学硕士学位论文第一章前言 家庭网络结构示意图见图1 1 ，家庭智能网络一般包括两种类型的子网：高 速信息网和低速控制网。高速信息网是以通讯和设备共享为目的家庭计算机网 络，以及以家庭娱乐为目的的多媒体宽带网络。其标准r 益成熟，本文不加以 叙述。低速网( 低于l o k b s ) 是以家庭自动化为目的，以现场总线为基础的自 动化控制网络。自动化控制子网所提供的服务与应用在智能住宅中最为普遍， 最有实用价值。控制网络接口形式多样，且不断涌现的新标准仍处于探索和规 范之中，成为家庭智能网络领域中最活跃、最热门的研究内容之一。 1 3 家庭网络设计需解决的问题】 1 3 1 兼容性 符合一定标准的设备之间通讯不必依赖它的生产厂商，使各个厂商的产品 可以无障碍地进行通信。如果各个厂商沿用各自的标准，不仅会给居民使耳j 造 成不便，而且会严重阻碍市场的开拓和家庭网络技术的发展。 1 3 2 安全性和可靠性 家庭网络适用于家庭各装置之问的通信，所以家庭网络的设计不仅要保障 居民的人身安全，也要考虑到在任何故障和使用不当的场合设备的安全和可靠 应用，所以为雄高可靠性，一般家庭网络应采取没有中央控制的分布式结构a 1 3 3 易操作性 家庭网络是在千家力_ 户中使用的，考虑到使用者的年龄、职业、经历以及 受教育程度等差异，应该使营通使用者不用经过专门培训或了解有关知识进行 使用，要求系统的操作必须简单、方便，而且可靠，以适应不同使用人群的需 要。 1 3 4 经济性 家庭网络作为一种网络系统应用最为广泛，而一种家庭网络的设计能否被 广大的用户所接收，价格因素是最重要的因素之一。低廉的价格才能使其适用 于任何一个普通的家庭用户。而且在家庭的使用过程中也不会因为增加一个设 备花费太多金钱。价格因素在经济欠发达的国家和地区显得尤为重要。 东北犬学硕士学位论文 第二章c e b u s 协议标准研究 第二章c e b u s 协议标准研究 2 1 标准概况 国外家庭网络( 总线) 的概念始于二十世纪七十年代。开始时各公司自定 标准，各自为政，不同公司的产品互不兼容，导致市场的开拓和技术进步的步 伐极为缓慢。近十年来，遵循统一标准己成为业内的共识。目前，国际上有影 响的家庭网络标准有：美国x 一1 0 、l o n w o r k s 和消费总线c e b u s 、同本家庭总 线h b s 、欧洲标准安装总线e i b 和e h s 、澳洲奇胜c l i p s a l 公司的c b u s 等， 它们都各有侧重，有的总线仅仪限于灯光控制。这些标准所采用的传输媒介虽 然不尽相同，但无一例外都采用了控制网络的技术，并制订一个统一的通信协 议( c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，通过该通信协议，网络系统中的各个设备便可实 现资源的共享。这里介绍几个较具规模及知名度的家庭网络标准，e i b 、x 1 0 、 l o n w o r k s 和c e b u s 。 2 1 1e i b 协议 欧洲安装总线 6 , 7 1 ( e i b ，e u r o p e a ni n s t a l l i n gb u s ) 是一个在欧洲占主导地位 的楼宇自动化( b a ) 和家庭自动化( h a ) 标准，e i a 是e i b 的管理机构，目前 在全球已经拥有1 1 0 多家生产厂商。美国消费电子制造协会( c e m a ，c o n s u m e r e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 批准e i b 为家庭网络标准( e i a 。7 7 6 ) 。e i b 采用双绞线、电力线、同轴电缆、无线作为其通信介质。在很多场合，主要还是 使用双绞线和电力线。使用双绞线时，每个物理段可长达1 0 0 0 m ，传输速率为 7 6 k b p s ；使用电力线时，最大传输距离为6 0 0 m 。e i b 网络也是一个完全对等( p e e r t op e e r ) 的分布式网络。网络上的每个设备具有相等的地位。e i b 通信协议遵循 o s i 七层模型。在介质访问子层，e i b 采用带碰撞避免的载波侦听多路访问 ( c s m a c a ，c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 协议。网 络层主要用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。传输层支持面向连接 和面向非连接的两种服务。e i b 网络中，最基本的单元是总线耦合单元( b c u ， b u s c o u p l e u n i t ) 和应用单元( a u ，a p p l i c a t i o n u n i t ) 。b c u 中固化了e i b 的部 分通信协议，以便设备与总线交互。在b c u 的基础上，用户可以根据不同的应用 选择不同的a u 。e i b 一出现，国际上很多知名公司都推出了符合e i b 规范的相关 产品。但是，e i b 较低的传输速率影响了它的适用范围。 东北大学硕士学位论文第二章c 髓u s 协议标准研觅 2 1 2x 1 0 协议 x 1 0 【8 , 9 1 是p i c oe l e c t r o n i c sl t d 公司在1 9 7 6 年提出的，是利用既有电源线路 对电子设备进行远程控制的通信协议。2 ( - 1 0 采用电力线作为其网络通信介质， 系统中的各个设备直接挂在电力线上就可以帽互通信。所以x 1 0 系统不需要另 外再敷设信号线，这为系统组网带来了很大的方便。x - 1 0 系统主要由发送器和 接收器组成，发送器和接收器都有地址。x 1 0 的地址分为房间地址和设备地址。 房间地址有1 6 个，设备地址也有1 6 个，所以x 1 0 最多可以有2 5 6 个设备。发 送器和接收嚣的控制关系是由其地址来决定的。根据不同需要，发送器有多种 类型，有的可以进行灯光亮度调节，有的可实现定时控制等。是智能型家庭网 络系统中被广泛采用的技术，主要是因为价格便宜及部分消费者可自行装设。 其缺点是仅能传送有限的控制命令；各设备脚只能进行单向通信；通信速率较 低( 不超过1 0 k b s ) ：抗干扰性能差，这点在我国表现尤为明显。另外x ，1 0 的寻 址空间小、对模拟量支持不够也限制了它的可扩展性和应用范围。 2 1 3l o n w o r k s 协议 l o n w o r k s t l 0 1 1 1 是由美舀一家名为e c h e l o nc o r p 的公司在1 9 9 3 年所推出的 家庭自动化控制规格，e i a 于1 9 9 8 年提出了基于该技术的家庭控制网络标准 ( e i a 7 0 9 ) 。最初应用于楼宇自动化领域，随后迅速扩展到其它各个行业的控制 领域。它提供了一个低层通信网络局部操作网络( l o n ) ，其通信协议称 为l o n t a l k 。局部操作网络协议是为l o n w o r k s 中通信所设的框架，支持i s o 组 织制定的o s i 参考模型的七层协议，并可使简短的控科信息在各种介质中非常 可靠地传输。 l o n t a l k 协议是直接面向对象的网络协议，具体实现即采用网络变量的形 式。又由于硬件芯片的支持，使它实现了实时性和接口的直观、简洁等现场总 线的应用要求。与其它通信系统相比，复杂性和费用都较低。l o n w o r k s 网络是 一种分布式的智能控制网络，其拓扑结构灵活方便，不需要集中控制器。各节 点是相互独立的，可以做到任何个节点发生故障时都不会影响整个网络工作， 从而提高了系统的可靠性和可维护性。 l o n w o r k s 的产品一般包括神经元芯片、收发器和控制模块、网络接口产品 模块以及开发平台。其中，神经元芯片是l o n w o r k s 节点的心脏，它与使用的 通信介质而定的发射接收器一起构成了适合不同媒体的节点；网络接口产品模 块可以使非神经元芯片的节点与l o n 网络通信：丌发工具平台包括l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r ，提供了网络开发的基本r 具和网络协议分析工具。 l o n w o r k s 的支持率可达1 2 5 m b s ，网上可以连接3 2 k b 个设备节点，通过 东北大学硕士学位论文第二章c e b u s 协议标准研究 使用网桥、路由器等手段可以组成较大型的网络系统。其支持媒体有电力线 ( p l ) 、双绞线( t p ) 、红外线( 1 r ) 、无线电( r f ) 、电缆线( c x ) 、光纤( f o ) ，并丌发 了支持多媒体的接受传送( t r a n s c e i v e r ) 。媒体访问控带t 采用p r e d i c t i v e p p e r s i s t e n t c s m a 算法，使网络在负载较重的情况下仍能以接近最大吞吐率进行工作。 l o n t a l k 提供了使用区、子网和结点的分层逻辑寻址方式，提高了寻址效率。 l o n w o r k s 提供了功能强大的开发系统，为系统设计及节点开发提供了集成刀：发 环境和工具。l o n w o r k s 目前主要市场还是在工、商业界，无法深入家庭市场， 其主要原因是因为价格高光电开关的体积太大而且通常需要专业人员协助装 设。 2 1 4c e b u s 协议 1 9 8 4 年，美国电子工业协会( e i a ，e l e c t r o n i c si n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 认为 x 1 0 家庭自动化控制规格并不能满足现代生活的需要，因而结合其大型规模之 会员厂商，在1 9 9 0 年制定出另外一套家庭自动化控制规格的初步草案，并命名 为c e b u s l j “”j ( c o n s u m e re l e c t r o n i cb u s ) ，于1 9 9 2 年首次发布其第一个版本 i s 6 0 ( i n t e r i ms t a n d a r d ) ，并于1 9 9 3 年和1 9 9 4 年将其修改为e i a a n i s 标准，即 开放标准( e i a - 6 0 0 ) 。c e b u s 是由a n s u e i a 发布的主要用于控制的网络标准， 并从1 9 9 5 年开始向国际标准过渡。在c e b u s 步出实验室走向市场时，改由一 个名为c i c ( ；c e b u si n d u s t r yc o u n c i l ) 的非营利机构来主持该技术。c e b u s 是 点对点网络，它不需要系统控制嚣。 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，其寻址能力超过 4 0 亿，足可以与互联网相媲美。c e b u s 的抗干扰能力比x l o 强，控制功能也 f + 分丰富，成为x 1 0 的最大挑战者。但由于c e b u s 接口技术比较复杂，价钱 也比较昂贵，这就需要大家今后不断努力简化技术，降低成本，不久c e b u s 将 成为最具影响力和竞争力的网络家电标准。 2 2c e b u s 协议的研究 消费电子总线( c e b u s ) 是e i a 为消费电子产品制定的一种通讯和产品互 操作性的标准，该标准的制定主要是定位于家庭，但并不局限于家庭，定义了在家 用电器之间通讯所使用的通讯介质和协议，使得遵循同样标准的家用电器设备， 如冰箱、洗衣机、微波炉、电视和电灯等可以即插即用，并能共同工作，实现家庭 自动化。 c e b u s 是一个较完整的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体中信号的 传输标准，一共涵盖七种通信介质：电力线( p l ) 、射频线( r f ) 、红外线“r ) 、 东北大学硕士学位论文第二章c e b u s 协议标准研究 同轴电缆( c x ) 、双绞线( t p ) 、光纤( f o ) 以及音频视频线( a v ) ，其中 茸选是电力线。同时不同的媒介能满足不同设备对通讯量的要求，例如对于低 速的控制信号可以走电源线和红外线，对于大量的和实时的视频数据信号可以 走同轴电缆，这样就使得控制信号和数据信号分开，提高了数据传输的快速性 和可靠性。 c e b u s 也是依照o s l 模式，不过仅包含7 层中的4 层：物理层( p h y s i c a l l a y e r ) 、数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 、网络层( n e t w o r kl a y e r ) 及应用层 ( a p p l i c a t i o nl a y e 0 ，至于大多数传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 、会话层( s e s s i o nl a y e r ) 、 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 的功能，都被附加在网络层及应用层中。另外。c e b u s 还对o s l 有所扩展，增加了系统管理层l s m ，它的主要功能是站点的初始化、 监视站点协议功能及整个网络性能。 i s o 开放系统模型c e b u s 网络模型 i 塾| 2 1i s o 开放系统模型和e i a 。6 0 0 天系 f i g 2 ir e l a t i o n s h i po fi s om o d e lt oe i a 6 0 0m o d e l 各层之阳j 通过一系列服务原语来定义。服务原语分为两类：对等服务原语 和层间服务原语。对等服务原语是指在不同节点等同实体之唰信息传递。这些 服务原语又被称为数据服务原语。层间服务原语用于从一屡到另一层传递状态 信息。此原语也被称为状态服务原语。各层间关系和主要原语见图2 2 。 东北大学硕士学位论文 第二幸c e b u s 协议标准研究 一应用程序 | 。 应用层 田 tj r 岫。删。酊 两络层 j l l l d a t ar e q l i n d c o n f 1， l l a c k _ d a r 嘲，m 挑 逻辑链路控制了层 l 数据链路层 m a - d a t ar e q m d c o n f 1r m _ a c k - d a t a 州j “献 介质访问控制于层 l p h _ c c _ s t a t u sr e q i n d c 1r p h c i d a t a 他州“” 符峙编码予层 物理层 十 j r “_ s i a t e r 叫“ 介质依较物理，层 图2 2c e b u s 构架和主要原语 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f c e b u sa n dt h es e r v ep r i m i t i v e 2 2 1 物理层 尽管物理媒介不属于物理层，但通常介绍物理层时郡把和它联系紧密的物 理媒介一起描述，本文仅以电力线为代表介绍物理层。物理层功能划分见图2 3 。 数据链路层 s e 子层( 物理层) m d p 子层( 物理层) 物理介质 幽2 3 物理层功能划分 f i g 2 3f u n c t i o n a ld i v i s i o no f t h ep h y s i c a ll a y e r 东北大学硕士学位论文 第二章c e b u s 协议标准研究 物理层”6 j 是网络分层结构中最底层，其跨接数据链路层和物理介质。其功 能是执行实际传输并接收符号组成数据链路层数据帧发送端的数据链路层顺 序地向下发送符号到物理层，在物理层被编码为适合介质传输的电子信号。物 理层在互连网络节点的物理介质建立信道并发送代表数据符号的电子信号到信 道。接收端物理层接收来自信道的电子信号解码井向上发送到数据链路层。 物理层按功能可以分为两类：符号编码子层( s e ) 和介质依赖物理予层 ( m d p ) 。s e 予层为发送和接收进行编码和解码，对某些介质还提供差错检测。 m d p 子层完成电子信号豹发送和接收，并完成与物理层接口。 2 2 1 1m d p 子层 m d p 子层包含电器特性、收发器硬件特性( 延时、容限等) 介质物理特性 和其它机械特性。c e b u s 网络协议规定7 种不同的介质，其中所有介质必须都能 表示两种不同物理状态：s u p e r i o r 和i n f e r i o r 。m d p 子层必须能产生和发 送介质上s u p e o r 和i n f e r i o r 状态，而且也能检测介质上s u p e r l 0 r 和 i n f e r i o r 状态，即使在发送状态也要能检测到信道状态。 介质上发送和接收状态必须是双向的，也就是说物理层在发送时必须同时 监控信道。更确切地说，当发送节点f 在发送1 n f e r i o r 时此节点将检测一 个或多个其它节点s u p e r i o r 状态。如果介质保持i n f e r i o r 状念，则发送 i n f e r i o r 的发送节点就会得知其它节点处于i n f e r i o r 状态。根据定义，发 送s u p e r i o r 的节点不知道其它节点i f 在发送的内容。数据符号是以 s u p e r i o r 和i n f e r i o r 状态交替出现的序列通过信道。s u p e r i o r 和 i n f e r i o r 状态特性能使数据链路层执行基于竞争信道访问控制协议。节点开 始发送后，当监听到干扰时就会撤回。几个节点之间的竞争以单个节点的无数 据丢失和最小信道访问延时而解决。 在m d p 子层和s e 子层之间进行通信时，s e 子层请求m d p 子层产生介质 s u p e r i o r 和i n f e r o r 状态。服务原语为ms t a t e r e q u e s t ( s t a t e l 和 m s t a t e i n d i c a t i o n ( s t a t e ) 。m s t a t e r e q u e s t ( s t a t e ) 中“s t a t e ”参数值为 s u p e r i o r 、i n f e r i o r 和t d g g l e 。t o g g l e 表示介质状态将从s u p e r i o r 切换到i n f e r i o r 或者从i n f e r i o r 切换到s u p e r i o r ，但是没有命名实际状 态。在接收和发送时，m d p 子层必须向s e 子层提供目前信道状态，这样才能 使s e 子层在发送期间检测到竞争。ms t a t e i n d i c a t i o n ( s t a t e ) 中“s t a t e ”参数 值为s u p e r i o r 和i n f e r i o r 。s u p e r i o r 和i n f e r i o r 产生和检测直接解析 信号特性( 即频率、振幅、装载条件等等) 。 电力线和无线与上述一般信道访问讨论不同，它们使用两种相反相位( 0l 、 02 ) 的s u p e r i o r 状态。发送帧头用0l 和i n f e r i o r 状态，帧体用01 、0 2 表示。 1 1 查北大学硕士学位论文 第二章c e b u s 协议标准研究 2 2 i 2s e 子层 物理层中s e 子层包括物理层与数据链路层接口、符号编码解码逻辑和直 接控制m d p 子层逻辑( 收发器硬件) 。在一些介质( 如电力线、无线) 中s e 于层代替数据链路层进行差错检测。因此，s e 子层具有物理层逻辑功能。因为 s e 子层根据s u p e r i o r 和i n f e r i o r 介质状念设计，因此可应用于不同的物 理介质也可单独进行说明。s e 子层可与任何使用脉宽符号编码相连。编码和解 码要有时序，因此在s e 子层含有时钟概念。m a c 时钟可从s e 子层获得。 鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，c e b u s 在以电力线作为物理层的传 输介质时，采用扩频载波通讯来实现控制流。 a 86 柚4 潲i i ， 图2 4c e b u s 的线性扫频波形 f i g 2 4t h ef r e q u e n c ys w e p tc a r r i e rw a v e f o r mo f c e b u s 电力线信号利用一系列短促的、可自同步的扫描频率c h i r p s 作为载体每 个c h i r p s 一般持续l o o 邮，它代表了最基本的通信符号时i 日ju s t ( u n i ts y m b o l t i m e ) 。这些c h i r p s 覆盖了1 0 0 4 0 0k h z 的频带，并总是以2 0 0 4 0 0k h z 的频 率开始，以1 0 0 2 0 0k h z 的频率结束。详细介绍见第三章。 s e 编解码采用n r z ( n or e t u r nz e r o ) 编码体制，用脉冲宽度表示信号，4 种信号及其脉冲宽度是：l ( i u s t ) ，0 ( 2u s t ) ，e o f ( 3u s t ) ，e o p f 4 u s t ) 。 表2 1c e b u s 的物理层编码艮度 t a b l e 2 1t h ec o d el e n g t ho f c e b u sp h