（电气工程专业论文）智能家居控制系统及相关产品的研究与开发.pdf

摘要 智能家属利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线 电技术，将与家居生活相关的各种设备有机的结合在一起，通过网络化的管理， 让家属生活更优质、高效、舒适、安全。 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，并使其得到广泛应用。近年来，国家已在“小康型城乡 住宅科技产业工程项目实旋方案”中，明确将建设智能化小康示范小区列入国家 重点的发展方向，这必然促使智能化从智能大厦建设向智能化住宅小区，乃至向 家庭智能化的方向发展。 为了抢占市场的先机，追踪国外技术，作为建筑电器附件的领头企业杭州 鸿雁电器有限公司直致力于智能家居产品项目的研究和开发。作者作为项目的 负责人，领导了这一领域产品的研究和开发工作。本论文以目前国际上比较典型 的美国的x 一1 0 协议的智能家居系统和同本的h b s 智能家居系统为研究对象，利用 自编的软件，采用逆工程的方式，对其系统技术特点、工作原理、网络的拓扑结 构、系统的传输协议、软硬件设计等进行了全面的剖芋斤，深入了解了智能家居控 制领域的先进技术和机理，并在此基础上，结合作者多年的研究经验，开发出了 符合h b s 协议的智能家居控制系统。同时根据智能家居的发展趋势和国内的市场 需要，增加了基于p s t n 的远程监控系统和安防系统，使产品功能更加完善。 以本论文研究内容为核心的智能家居控制系统产品曾获得科技部中小企业 技术创新基金的支持，并先后获得过浙江省科技进步二等奖、杭州市科技进步二 等奖、杭州市新产品新技术一等奖等。实践证明，本文研究的内容不仅很好的消 化和吸收了国外的先进技术，而且在技术和应用有了新的突破，更好的满足了国 内市场的需求，具有广阔的前景。 关键溺：智能家屠、x i o 、 b s 、远程监控、安防 a b s t r a c t t a k j n ga d v a n t a g e o fa d v a n c e sj nn e t w o r kc o m m u n i c a t j o n t e c h n o o g me l e c t r i c a i a u t o m a t i o nt e c h n o i o g y c o m p u t e rt e c h n 0 i o g ya n dw i r e l e s s t e c h n 0 i o gy t h ei n t e 【i i g e n t h o m es e i e n 桶c a l l yi n t e g r a t 郎v a 打o u s 箍蝣n g sf e f a t e dt oh o m el 许e ，a n dc r e a t e sah i g h e r c i a s s ，m o r ee 仟l c i e n t ，c o m f o r t a b l ea n ds a f eh o m ei 什eb ym e a n s0 fn e t w o r km a n a g e m e n t v 酬o u si n l e | | i g e n th o m es o i 洲o n sh a v eb e e np u lf o m a r ds u c c e s s i v e i ya n dw j d e i ya p 洲e d i nm a n yc o m p a r a 靠v e | yd e v e j o p e dc o u n t e ss u c ha su s a ，c a n a d a ，e u ，a u s t r a h aa n d s o m es o u t h e a s tc o u n t r i e s j nt h el a t e s ty e a r s ，c h i n ah a sa i s 0s p e c i f i c a yi i s t e dl h e c o n s t r u c t i o no fm o d e li n l e l l j g e n tc o m m u n i t ya sak e yd e v e l o p i n gd i r e c t j o ni nt h e e n 9 l n e e 订n gp r o i e c te e c u t o ns o l u “o n sf o rs c e n t 箍c & t b c h n o i o g c a ii n d u s t r yo n r e l a t j v e i y c o f o r t a b f eu r b a na n dr u r a ir e s i d e n c e ，w h i c hw s u r e f yi e a dt h e i n l e g e n t f z ei n d u s t wd e v e i o p i n gf r o mc o n s t r u c t i o nd fi n l e i g e n tm a n s i o nl ol h a to f i n t e q e m r e s i d e n c ec o m m u n t v | a n di n t e i i i g e mh o m e nt h ei o n 9r u n 1 no r d e rt op r e o c c u p y 廿1 em a r k e ta n dc a t c hu pw i t | 1t h eu p - t o d a t et e c h n o l o g i c a l d e v e i o p m e n t ，h a n g z h o uh o n gy a n 日e c t r j c a ia p p i i a n c e sc 0 ，l t d ，t h ec h i n e s ef l a g s h i p e n t e f p n s e o nb u i i d i n ge i e c t r i c a i a p p i i a n c e s ， h a sc o m m i n e di l s e 盯t or e s e a r c ha n d d e v e i o p m e n lo fi n t e 川g e n th o m ep r o d u c l s b e i n gt h ep r o j e c tp r - n c i pa j t h ea u t h o rt a k e s c h a r g ed ft h er e s e a f c h j n ga n dd e v e l o p j n gw o r kj nt h j ss u b j e c ta r e a p u i n 9f h ex 一1 0 p r o t o c o | j n t e i g e n lh o m es y s t e mj nu s aa n dl h eh b si n t e g e n lh o m es y s t e mi nj a p a n t h a lc o m p a r a t i v e i yt y p i c a li nl h ei n t e r n a 廿o n a lm a r k e ta st h es t u d yt a r g e l s u t i i i z j n g s e i f p r o g r a m m e ds o f t w a r ea n da p p i y i n gr e v e r s ee n g i n e er i n gr u l e ，t h i st h e s i sm a d ea c o m p r e h e n s v ea n a i 归f sw i c hr e s p e c t f o s y s t e mf e c h n 0 i o g f c a ff e a f u r e s ，w o r k i n g p h i l o s o p hy ， n e t w o 水 t o p o o g y s t r u c t u r e ， s y s e m t f a n s m s s i d n p r o t o c o a n d s o f t w a r e m a r d w a r ed e s i g ne t c ，a n da ni n d e p t hs t u d yi nt h ea d v a n c e dt e c h n o i o g ya n d p h o s o p h yo fi n t e i g e n th o m ec o n l r o ls y s t e m m o r e o v e r ，o nt h eb a s i so ft h es l u d y ，l h e a u t h o rd e v e j o p e da ni n l e m g e n th o m ec o n t r o is y s t e ma c c o r d a n tw i t hh b sp r o l o c o fb y j n t e q r a “n gh j so w np r e v i o u ss t u d ye x p e n e n c e p s t n b a s e dr e m o t em o n i t o r8 y s t e ma n d s e c u r i t ys y s t e ma r ea d d n i o 几a l i yf u m i s h e da c c o r d i n g1 0 t h ed e v e i o p l n gt r e n da n dl h e d o m e s t i cm a r k e td e m a n d so ni n t e g e n th o m ep r o d u c ts ol h a tt h ep r o d u c tf u n c u o n a i i t yi s f u 广t h e ri m d r d v e d t h ep r o d u c to fi n t e i g e n th o m ec o n t r o is y s l e mc e n t e r e do nt h es t u d yc o n f e n to ft h i st h e s i s w a so n c ec o n f e r r e dw i t ht h et e c h n o l o g i c a ii n n o v a t i o nf u n ds u p p o r ts p e c ia | i y 如rm j d d f e a n ds m a 怕j z e de n f e r p r j s e sf r o mm i n j s 时o fs c j e n c e t e 曲n o j o g y ，a n ds u c c e s s j v e j yt h e s e c o n dp z eo fz he j l a n gs c i e n c ea n dt e c h n o i o g ya w a r d ，t h es e c o n dp z eo fs c i e n c e a n dt e c h n o i o g ya v 旧r da n dt h e 剃r s tp z eo fn e wp r o d u c f n e wt e c h n o i o g ya w a r db y h a n g z h o um u m c j p a ig o v e m m e n t e t c t h ep r a c t i c eh a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h et h e s i s c o n t e n tn o fo n b ，h a sd f g e s t e da n da p p h e df o r e i g na d v a n c e dt e c h n o j o g yw e tb u fa f s o b r o u g h ta b o u tn e wb r e a k t h r o u g hi nt e c h n o l o g ya n da p 刚c a t i o nf o rb e t t e rs e r v i n gt h e d o m e s l i cm a r k e tt h a tw i t hab r o a df o r e g r o u n d k e yw o r d s ：i n l e m g e n th o m e ，x - 1 0 ，h b s ，r e m o t em o n t o r ，s e c u n t y 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 智能家居，也叫智能住宅，英文名称为“s m a r th o m e ”，相似的叫法还有数 字家庭( d i g i t a lf a m i l y ) 、网络家庭、e - h o m e 等等。智能家居是以普通家居设 施为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、自动化和智能化、集系统、结构、 服务、管理、控制于体的高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的家居 环境。 智能家居也是一个过程或者一个系统，它利用先进的网络通讯技术、电力自 动化技术、计算机技术、无线电技术、将与家居生活相关的各种设备有机的结合 在一起，通过网络化的管理，让家居生活更轻松。智能家居不仅具有传统的居住 功能，而且不再是被动的，是具有能动性的智能化工具，提供全方位的信息交换 功能，优化我们的生活方式和居住环境，帮助我们有效地安排时间，节约各种能 源，提供优质、高效、舒适、安全的生活空间。 1 1 智能家居研究现状及发展趋势 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。 随后出现了更多的提法是h 0 皿ea u t o m a t i o n 家庭自动化，因为早先涉及的产品都 与家庭自动化产品和配件有关睇1 。几年前，美国、欧洲和东南亚等经济比较发达 的国家先后提出了“智能住宅”( 即智能家居s m a r th o m e ) 的概念。其目标就是： “将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线 技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、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“2 。自此，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，并使其得到广泛应用。拥有雄厚技术的各大公司凭借自身的优势，开 发了自己的产品并参与到市场的残酷竞争，经过近几年的发展，欧美等国家几大 主流协议产品逐渐占据了市场。如美国的x l o 、c e b u s 、b a c n e t 、l o n t a l k ，欧洲 的e i b 、日本的h b s 产品。 1 浙江大学硕士学位论文 1 9 9 8 年五月举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过 在场内模拟“未来之家”，新加坡推出了模式的家庭智能化系统。它的系统功能 包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中，心功能、家电控制功 能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布 线箱、宽带网接入和系统软件配置等。这种“未来之家”家庭智能化系统，市场 真f 启动尚需时日。目前在新加坡也有近3 0 个社区( 住宅小区) 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”，相信到了2 1 世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产 品。 根据美国该行业之专业顾问公司p a r k s 的统计资料显示：1 9 9 5 年，美国一个 家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7 0 0 0 至9 0 0 0 美元之间。1 9 9 5 年美国家庭 已使用先进家庭自动化设备的比率为0 3 3 ，看来市场真正启动尚需时日。预计 这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8 。p a r k s 公司的资料亦显示：到 2 0 0 4 年，家庭网络市场总额可达5 7 亿美元。据国际专家预测，到2 0 0 0 年底国际智 能家居的产品销售额可达2 4 亿美元，2 0 0 4 年可达1 4 8 亿美元”“。 为了抢占市场的先机，追踪国外技术，国内一些有实力的公司开始设计生产、 宣传推介其智能家居方面的产品，但国内目前并没有一个主导品牌产品，标准化 工作滞后，行业割踞严重，智能家居的概念停留在较浅的层面上，用户个性化的 真实需求被掩盖。另外，智能家居产品链中的社会化服务滞后，也是造成目前状 况的个重要原因。近年来，国家已在“小康型城乡住宅科技产业工程项目实施 方案”中，明确将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向，这必然促 使智能化从智能大厦建设向智能化住宅小区，乃至向家庭智能化的方向发展。 目前，从智能家居发展的行业上看，主要呈现了下列的发展趋势： 标准化：产品逐渐依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂 家产品间的兼容性和相互操作能力，保证产品能不断适应未来发展趋 势，具有充分的发展潜力。 开放性：智能住宅、家庭自动化、家电网络等产品不可能全部使用同一 厂家生产的产品。因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议，统一的 接口。 模块化：采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益， 2 浙江大学硕士学位论文 灯光控制、开关、传感器、插座、能源控制器、协议转换器等。 c e b u s 是一个较完整的开放系统，其协议规范和接口技术都比较复杂，因此 价格高昂，在国内应用并不广泛。 1 - 2 3e i b 潍议 欧洲安装总线( e i b e u r o p e a ni n s t a l l j 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，是由s i e m e n s ，a 阴等一些知名 企业首先提出的，它出现较晚，但是发展比较迅速。e i b a 是e i b 的管理机构，目 前在全球已经拥有l l o 多家生产厂商。e i b 也是一个开放的协议，同样采用双绞线、 电力线、同轴电缆、无线等丰富的通讯介质，其中应用较为广泛的是双绞线和电 力线。使用双绞线时，每个物理段可长达1 0 0 0 米，传输速率为7 6 千位每秒；使 用电力线时，最大传输距离为6 0 0 米。e i b 网络也是一个完全对等( p e e r t o p 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 网络中最多可以有1 5 个 域( a r e a 或z o n e ) ，每个域最多可以有1 5 条线( i n e ) ，而每条线最多可容纳2 5 5 个设备( d e v i c e ) ( 图1 2 ) 。 图1 2e i b 网络拓扑 浙江大学硕士学位论文 e i b 是面向家庭楼宇自动化的通信协议，其思想与现场总线如出辙。e i b 参照o s i 七层模型，并进行了合理的简化，分别实现了物理层、数据链路层、网 络层、传输层和应用层，会话层和表示层的功能则并入应用层。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 ) 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e i b 总线节点，节点由总线耦合单元( b c u b u s c o u p l eu i n t ) 和应用模块( a m a p p l i c a t i o nm o d u l e ) 组成。b c u 中固化了e i b 的通讯协议，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 m 。 e t b 一出现，就获得了巨大的成功，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( 9 6 0 0 位每秒) 影响了他的适用范 围。1 9 9 0 年5 月8 臼欧洲主要电气制造商共同制定了e i b 协议标准，截止2 0 0 2 年6 月，全世界有3 0 0 余家制造商生产5 0 0 0 余种e i b 兼容产品”。德国商业功能建筑中 的3 0 楼宇安装了e i b ，计划建造的楼宇中，这比例达到了6 0 。1 9 9 9 年，e i b 进入中国。2 0 0 0 年e i b 在厦门国际会展中心第一次成功应用，其后大连国贸中心、 北京朝阳区体育馆、上海新国际博览中心、上海黄浦区政府办公大楼、浙江人民 大会堂等成为了e i b 的应用案例。 1 2 4h b s 协议 h b s 的全称是家庭总线系统( h o m eb u ss y s t e m ) 。它是由日本电子工业联合 会无线工程电子协会( e i a j r e 队一e 1 e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o no f j a p a n r a d i oe n g i n e e r i n g e 1 e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) 鹏s 标准委员会于1 9 9 7 年制定的，得到了日本政府和商会的支持。h b s 的典型结构图如图卜4 所示。 图1 _ 4 浙江大学硕士学位论文 h b s 以双绞线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度为2 0 0 米。h b s 有控 制通道和信息通道之分，控制通道用于低速数据的传输，信息通道用于高速数据 的传输。控制通道一般最多可以有6 4 个节点，而s h b s ( s u p e rh b s ) 则达到了 2 5 6 个节点，传输速率为9 6 干位每秒。 h b s 对开放系统互联( 0 s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 七层模型作了精简， 由三层结构组成，分别为物理层、数据链路层和网络层，类似现场总线。在介质 访问予层，h b s 采用带碰撞检测的载波侦听多路访问( c s m a c d c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s i c hc o l “s i o nd e t e c t i o n ) 协议。根据网络层的规定，h b s 的子网之f 自j 由路由器连接，h b s 的子网和其他网之间用网关连接。 h b s 主要用于照明和安防，协议比较简单。但对于普通家庭应用而言，网络 规模有限，h b s 系统的主从式结构设计简单，性价比较高。h b s 的具体技术细节将 在第四章中介绍。 1 2 5i 。o n t a l k 协议 在2 0 世纪8 0 年代后期，e c h e l o n 公司开始开发l o n w o r k s 技术平台，并将 目标定位为控制网的通用标准，即l o n w o r k 标准。控制网是以对等方式工作：监 控传感器和执行器可靠地通信、管理网络操作、提供对网络数据全面接入的任何 装置的集合。l o n l i r o r k s 控制网遵循l o n t a l k 协议来完成这些任务。 l 0 n t a l k 通信协议是l o n w o r k s 技术的核心。该协议提供一套通信服务，使 装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、名 称、地址或其他装置的功能。l o n t a l k 协议能有选择地提供端到端的报文确认、 报文证实、优先级发送以便设定有界事务处理时间。对网络管理业务的支持使远 程网络管理工具能通过网络和其他装罨相互作用，包括网络地址和参数的重新配 置、下载应用程序、报告网络问题和节点应用程序的起始、终止、复位。l o n t a l k 协议是个分层的以数据包为基础的对等的通信协议，像有关的以太网和因特网协 议一样；它是一个对外公开的规范标准并遵守国际标准化组织( i s o ) 的分层体系 结构要求，如表卜1 所示”“。 表卜1 l o n t a l k 协议对应的i s o o s i7 层模型 o s i目的服务 7应用层应用程序标准对象和类型、配置属性、文档转移、网络服务 6表示层数据解释网络变量、应用、报文、外来帧 5会话层 远程行动对话，远程程序调用、连接恢复 4 传输层端到端可靠性端到端确认、业务类型、包排序、双藿检测 3网络层目的地寻址单路传输和多路传输、目的地寻址、包路由选择 2 数据链路层介质访问和组帧组帧、数据编码、c r c 、介质访问、冲突检测 i ， 物理层电互联介质特定细节、收发器类型、物理连接 浙江大学硕士学位论文 为了处理网上的报文冲突，l o n t a l k 使用类似以太网所用的“载波监听多路 访问”( c s m a ) 算法。l o n t a l k 协议建立在c s m a 基础上，提供介质访问协鬻i 鍪 羹薹嚼潮避醛雒黯羰睡阵皤翔 薹l 耋 甄溺囊囊瑟囊雾鬻豢鋈霉鐾嚣臻。嚣嚣攀霾 鋈蠢羹翥荔囊，鬟霞囊蓊嚣；i | ! l 薹；篓委蒸雾黧餮蒌羹篓囊譬霪霪鬟 藜羹霆冀美鋈羹囊萋强ttooo111oo s sssssss oo011101 从寻址的模块请求平均温 度值( 以1 6 分钟为单位确 定平均值) 从房间号和设备号确定的 传感器读取环境光照度 从房间号和设备号确定的 传感器读取温度值 从房间号和设备号确定的 模块读取状态数据( 位映射 方式) t yp e = 2为安全控制预留的信息格式 t yp e ；3 用于受控模块( 主要包括调光模块和电器模块) 1 7 房间号和设备号确定的模块读取状态数据(位映射方式)type=2为安全控制预留的信息格式type；3用于受控模块(主要包括调光模块和电器模块)17x 浙江大学硼：e 学位论文 x 一1 0 是以电力线为传输介质的，由于介质的特殊性，使得通信的可靠性问题 变的尤为重要，国内电力线的使用环境，是否适合智能家居控制的问题，是首要 研究的问题。 x 一1 0 协议分析和研究 x 一1 0 作为一种通讯协议，其协议的制定，必须尽力降低误码率，提高信号 的传输准确性，有效杜绝误操作，正确解决信道的避让和冲突检测问题。 重点分析了x l o 协议，地址和命令码采用反码传输方式的优点，从而降低 了系统对硬件的要求。 x 一1 0 产品的研究和开发 x 1 0 系统采用典型的“p e e rt op e e r ”通讯方式，其收发模块具有较复杂 的硬件结构，要实现模块地址的设定、正弦信号零点检测、传输信号的调制、接 收信号的解调、灯光的驱动、按键开关的检测等一系列功能。其中信号的调制和 解调是x 1 0 产品设计的关键部分，信号失真小，能有效的减少误操作。本系统采 用幅值调制、突出了线路简单、实用的特点。 h b s 系统的珥究 h b s 系统作为日本的标准协议，具有许多优点，采用了全= 线制控制模式， 即利用了电源线载波技术，使得布线简单；实现了控制面板无强电，增强了系统 操作的安全性；采用了地址编址器，对系统进行“编址绑定”，突出了系统的柔 性和方便性。对其认识，主要从下面几个方面入手： h b s 协议的特点和主要的性能参数 h b s 产品其系统特征非常明显，其着重强调了系统的实用性，这在功能复杂 的智能家居控制系统中是个案。系统显著特点是基于总线、控制器和执行器分离、 具有主、从控制的一种拓扑结构。这种简单的结构对于其走向应用，起到了巨大 的推动作用。研究这个系统的组成特点，有利于加深智能家居产品的认识和理解。 安防模块的开发 安防作为智能家居控制系统的一部分，其作用越来越受到关注，安防系统的 可靠性是系统的重中之重。怎样从硬件和软件的设计中入手，减少系统的误报率， 是研究的主要内容。 电话介人和家庭网关的设计 家庭网关和电话介入使得智能家迷嚼丛绞艿焦刈卜老低车 浙江大学硕：学位论文 第二章x 一1 0 协议和智能家居系统 基于x l o 协议的智能家居系统采用电力线载波通信技术，利用交流2 2 0 伏的 电源线作为信号传输介质，无需重新布线，即插即用，安装简单，操作方便，且 性价比很高，能够满足人们的生活需求，提高人们的生活品质。 2 1 电力线载波分析 x 1 0 采用的是电力线载波技术，在设计电路时应考虑到其特殊性。所谓电力 线载波就是用电力线进行载波通信的技术( 简称p l c ) ，其历史可追溯到2 0 世纪 2 0 年代。那时，主要集中在1 1 干伏以上的高压远距离传输，工作频率为1 5 0 千赫 兹以下。到2 0 世纪5 0 年代，高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程显示、设 备保护以及语音传输等领域。5 0 年代后至9 0 年代早期的3 0 多年中，电力线通信开 始应用在中压和低压电力网络“。 低压电力线载波通信与高压电力线上的信号传输有很大区别，突出表现在工 作环境恶劣：输入阻抗随频率、负载和测试点变化；信号衰减与频率、负载和距 离有关；干扰噪声的复杂性和随机性。电力线上的干扰可分为人为干扰和非人为 干扰。非人为干扰是指由一些自然现象，如雷电引起的干扰，这种干扰将影响瞬 间的电力线数据通讯。通过数据自动重发机制和纠错机制可以有效的避免此类干 扰对数据通讯的影响。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备引起的，对数 据通信的影响很大m 1 。 在家庭中，电力线上的干扰不能被简单地认为是可加性高斯白噪声，为了表 示这种干扰的复杂特性并简化分析，可以近似地将其分成3 类：周期性的干扰、 时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。 周期性的干扰 在家庭内部，周期性的干扰的主要来 源是可控硅电路、电机、电视机等设备。 可控硅电路一般存在于电子调光设备， 开关电源，变频空调等设备中，这些设 备产生的干扰周期一般是工频或工频的 1 2 ：l 目嘲 l 二jj 出一l ：i jl ：l “：i1 ：龇l ： n r1 p 1r k 图2 1 电力线上干扰波形 浙江大学硕_ f j 学位论文 图2 - 1 是我们在现场用示波器测得的电力线上的干扰波形，存在1 0 0 赫兹的干 扰信号，这种干扰的幅度很大，频谱不规则，峰值有时能达到1 0 伏，对电力线的 通讯有很大的影响。家庭中风扇、空调、洗衣机等设备中的电机运行时，将会在 家庭中的电力线上产生大量的高次谐波，这种谐波是工频的整数倍，其频率能到 几万赫兹并且能量比较集中，其频谱可能部分覆盖信号频谱，造成信噪比的降低， 导致误码率的增加。电视机的干扰则主要是1 5 7 3 千赫兹的行频信号，这种信号 时不变的连续干扰 在家庭的实际情况中，由于有大量的家用电器同时使用，释放出多种干扰， 而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等的变化很大，各不相同，因此最终会在家 庭内部的电力线上产生时不变的连续干扰，这种干扰平均功率较小，但是频谱很 宽而且持续存在，一般认为这是l o 千赫兹到1 0 0 兆赫兹的背景噪声。这种干扰的 频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此，在通信过程中的信噪比可能会变得 突发性干扰 在家庭内部，各种大功率负载如冰箱、空调、洗衣机等等的突然开关、电 力线路上的短路故障等将引起电压，电流的剧烈变化，谐波份量的增加，导致能 量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，这类干扰的持续时间较短，但能量很集中，频 谱也很宽，对载波数据通信产生很大的影响。 在离接收节点近距离的范围内，某些中小功率的负载，如日光灯、计算机 等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。 由于在家庭中电力线的长度有限，阻抗很小，因此，在家庭内部电力线本身 阻抗并不是电力线上载波衰减的主要原因，电力线并联的负载才是载波衰减的主 要原因。不同的负载吸收不同频率的信号，电力载波的频率远比电网的频率高， 一般在几十千赫到数百千赫。电炉， 电灯等纯电阻电路对不同频率的信卜r ， r 广r l t _ 一 主季蒌篡篓蓑茗：喜芋萎荦黛程圭三蓼性负载都会使信号畸变，其中容性卜_ _ ，v t t l 一 负载对高频信号的阻抗很小，会吸图2 2 开关电源的输入电路 浙江大学硕士学位论文 收大量的载波。如开关电源的输入端有一个滤波器，如图2 2 所示： 图2 2 中的电路对于抑制开关电源对电网的干扰有很好的效果，但是它同时 也要大量吸收电网上的载波信号。在实际应用中，开关电源的插头附近一般都安 装一个磁环，以有效地防止吸收电网上的载波信号。 由于人们的生活作息，家庭中电力线上各种性质的负载变化是比较频繁的， 各种负载会不断的切入、断开，这就会造成电力线通讯信道具有很强的时变性， 低压电力线在1 秒内可对某一频率信号的衰减变化达到2 0 分贝，同时在1 秒内 信噪比的变化也可达到1 0 分贝左右。负载的变化造成了不同频率的载波的衰减特 性也存在了时变性。在居民区，晚上1 8 ：o o 到2 2 ：0 0 的衰减是最大的。合理的 利用这种规律，可以提高通讯系统的可靠性。例如，相当一部分远程抄表系统通 常在零点工作，因为此时人们大多已经休息，而大部分电器都停止运行，电力线 的通讯信道相对畅通。 在我国，由于我们对家用电器的电磁兼容性没有欧美国家控制的严格，家 用电器对电力线的污染是非常严重的，因此，我们家庭中电力线上的状况相对于 欧美地区就显得更为恶劣。目前，我国的管理部门已经注意到了这个问题，在电 视机等行业已经准备实行强制的电磁兼容性规定，相信今后对其他电器也会实 行，这对我国电力线的通讯信道状况会有很大的改善。 2 2x 一1 0 的通信协议 2 2 1 协议介绍 x 1 0 通过在电力线上发送和接受信号来实现通讯的，这些信号是具有数据信 息的短脉冲群。x 一1 0 的信号是叠加到交流电源线的过零点上，并且要求该信号越 靠近过零点越好，应控制在2 0 0 微秒以内，这是因为过零点上，电力线相对而言 是最干净的时候，可以去除周期性干扰的影响。信号l 用过零点上1 毫秒的频率为 图2 3 信号传输示意图 1 4 1 2 0 千赫兹，幅值为5 伏的脉冲 群表示，而没有此脉冲则表示 信号o 。为了跟三相分配系统 的所有三相的过零点一致，这 个1 毫秒的信号实际要传输三 浙江大学硕士学位论文 块在发送二进制“o ”，即没有往总线上加载信号时，侦听总线上是否有信号， 若有，则说明有其他模块也在发信号，发送模块立即中止此次发送，随机等待4 、 5 个周期后再重新发送信号，从而使碰撞的几率大大降低。 标准的x l o 编码在场景控制等方面存在局限性，为了满足人们需求，x 一1 0 又增加了扩展码。目前，扩展码主要用于光线控制( 如百叶窗) 、温度控制、场景 控制，以及提供系统的安全性方面。扩展码的数据帧格式如下： z 1 1 1 0 起始码 4 位 0 h c h c 房间码 4 b 位 1 5 d c d c 单元码 4 位 3 l c o m l a n d c o 涨a n d 命令码 8 位 其h c ( 房间码) 和d c ( 单元码) 与标准的x 1 0 编码相同，扩展码对于非开关 量的表示作了详细的规定，这弥补了x 一1 0 最初制定标准时只考虑了开关量控制的 不足，从而从理论上丰富了x 一1 0 的内涵，使其更加适应智能家居发展的需要。具 有扩充码的x 一1 0 在场景控制、亮度控制、成组控制方面更加完善。下面将就d a t a 和c o m m a n d 字段的编码方式加以分析说明。 t y p e = o百叶窗控制 。 圳码 。叭滞位。舢黼啦 n 禹z n 唧翮啦 护 浙江大学硕士学位论文 需要特别说明的是，关于对整组设备进行亮度调整和关闭整个设备的命令： 组设备亮度调整消息对调光器设备进行控制。只要接受设备( 调光器) 的房 间号( h c ) 和组地址( 无论是绝对地址还是相对地址) 和控制命令中的房间号和 组地址相匹配，并且接受到调光命令，调光器的照度值就可以得到调整。但是组 内设备的预定义输出值不受影响。 同样道理，组“o f f ”指令将关闭指定的组内的所有单元，但是不影响组内 设备的预定义输出值。 t y p e = 4 扩充安全地址信息 a 7a 6a 5 a 4a 3a 2a l a 00 100o 000 a 7a 6a 5a 4a 3a 2a 1a 00 l00o0ol a 7a 6 ”a 4a 3 a 2a 1a 0o 1oo0ol0 a 7a 6a 5a 4 a 3a 2a 1a o01000011 a 7a 6a 5 a 4a 3a 2a la 0010oo1 00 a 7a 6a 5a 4 a 3a 2a 1a 00 1 00o10l 当房闻号( h c ) 安全地 址( a d d r ) 以及设备号 ( d c ) 都匹配时，设备 可以寻址到 当房间号( h c ) ，安全地 址( a d d r ) 都匹配时， 设备可以寻址到 当房间号( h c ) ，安全地 址( a d d r ) 以及设各号 ( d c ) 都匹配时执行标 准的x 1 0 功能 当房间导( h c ) 和设备 号( d c ) 都匹配时执行 扩充类型3 的功能 当房间号( h c ) 和安全 地址都匹配时，执行特定 单元“o n ”功能 当房间号( h c ) 和安全 地址都匹配时，执行特定 单元“o f f ”功能 扩充消息类型4 允许标准消息和扩充消息类型3 的所有x 一1 0 消息功能，但是 在消息的d a t a 段增加了一个8 位的安全地址。至少房间号( h c ) 和安全地址匹配 的时候，一个设备单元才响应这种类型的消息。 如果设备单元中没有安全地址，那么当它接受到一条t y p e 值为4 0 4 l 4 2 或 2 0 浙江大学硕士学位论文 者5 x 的消息，并且房间号匹配时，它将从该消息的d a t a 字段获得安全地址。一旦 它获得了一个安全地址，它将不再对标准消息和扩展类型3 的消息进行响应。要 把该设备恢复成“非安全地址状态”，只需按下该设备上面的“m a x d i m ”按钮。 t y p e = 5 针对组功能的扩充安全地址 a 7a 6a 5a 4a 3a 2a 1a 001 0 l 00 o 0 执行组功能0 ( 这里组地 址为相对地址) h ce ) f r g r p r e f a d d r 5 0 a 7a 6a 5a 4a 3a 2a la 0ol0100o l 执行l l j 功能1 ( 这里纽地 址为相对地址) h c e 埘g r p r e f a d d r 5 l a 7a 6a 5a 4 a 3a 2a 1a 0o1o10ol0 执行组功能2 ( 这里组地 址为相对地址) h c e x r g r p r e f a d u r 5 2 a 7a 6a 5a 4a 3a 2 a 1a 0010100l1执行组功能3 ( 这里组地 址为相对地址) h c e 耵g r p f a d 矾5 3 a 7a 6a 5a 4a 3a 2a la 0010101o o将组。中所肾故各置为 “o f f ”状态。( 这里的 组地址为相对地址) h ce x t g r p r e f a d i m5 4 a 7 a 6a 5a 4a 3a 2a la 001o1 o 1 01 将组1 中所有设备置为 “o f f ”状态。( 这里的 组地址为相对地址) h ce 耵g r p r e f a d d r 5 5 a 7a 6a 5a 4a 3a 2a la 0 0101o11o 将组2 中所有设备置为 “0 f f ”状态。( 这里的 组地址为相对地址) h c e 耵g r p r e f a d d r 5 6 a 7a 6a 5a 4a 3a 2a l a 00101o111将组3 中所有设备置为 “o f f ”状态( 这里的 组地址为相对地址) h c e x t g r p r e f a d d r 5 7 a 7 a 6a 5a 4 a 3a 2a 1a o010l1o00增加组0 中所有调光模 块的光照度值。( 这里的 组地址为相对地址) h c e ) 汀g r p r e f a d d r 5 8 浙江大学顿士学位论文 2 2 2 协议分析 x 1 0 采用1 2 0 千赫兹的脉冲群作为载波，一方面是因为随着载波频率的上升， 噪声跟着下降，从而提高信噪比，改善通讯质量。另一方面，电力线通讯频带是 很宝贵的资源。美国联邦通讯委员会( f c c ) 规定：电力线用户频带l o o 千赫兹 一4 5 0 千赫兹；欧洲电力标准委员会( c e n e l e c ) 制定了e n 5 0 0 6 5 一l 规范：电力线 用户频带3 千赫兹一1 4 8 5 千赫兹：我国虽无国家标准，相关的行业标准 d l t 6 9 8 1 9 9 9 规定：电力线用户的频大于9 5 千赫兹，所以电力线载波频率选择 1 2 0 千赫兹是适宜的。 x 一1 0 信号除起始码外，地址和命令码都采用反码传输的方式，这样做一方 面是为了便于检测o 信号，若不采用反码传输，当总线上没信号时，接收模块会 浙江大学硕士学位论文 误以为是一串o ，从而可能带来误操作。另一方面是为了降低误码率，提高信号 传输的准确性，有效杜绝误操作，获得用户的信任。这种设计同时也使得校验很 方便，只需一次异或操作就可完成，适用于逻辑运算能力强的低价m c u ，大大降 低了系统对硬件的要求。起始码不用反码是因为起始码是帧的同步信号，它必须 能与地址码和命令码明显地区分开来。 x 一1 0 的传输速率为l o o 位每秒，以标准x 一1 0 编码格式为例，传输一条完整 的控制指令需要4 7