（系统工程专业论文）CEBus家庭自动化网络的研究、开发和应用.pdf

堑堡盔兰婴主兰壁堡壅 摘要 随着计算机技术，通讯技术，网络技术的快速发展，鲞壅旦垒正逐步进入人 们的日常生活。作为家庭网络的重要组成部分的家庭自动化网络在国内外正处于 起步的阶段。 c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ) 是美国电子工业协会( e i a ) 的家庭自 动化标准之一，它能够实现家电的联网和互操，从而构成家庭自动化网络，实现 多种家用电器的协调工作，使得家用电器更人性化，智能化。 c e b u s 的规范包括e i a 6 0 0 规格说明书，e i a 7 2 1 规格说明书和家庭即插即 用规格说明书，本文针对这些规格说明书及相关的内容进行了研究，并在此基础 上进行了相应的开发和应用。 f ，全文共分十二章。 第一章简要地介绍了家庭自动化和c e b u s 协议，阐述了项目的研究背景。 第二章简单的介绍了些家庭自动化中知名的协议和标准，这些协议和标准 对c e b u s 协议的研究工作有相当的借鉴作用。 第三章到第八章对按照c e b u s 协议的网络层次关系对其进行了深入的研究 和论述。 第九章介绍了c e b u s 通用通讯模块的硬件设计和相关软件的实现并通过定 性实验分析了通用通讯模块的性能。 第十章介绍了c e b u s 通用通讯模块中的高层软件设计，重点论述了c a l 公 共应用语言的实现。 第十一章介绍了如何利用通用c e b u s 通用通讯模块来开发支持c e b u s 家庭 自动化网络的家用电器并构成完整的家庭自动化网络。 最后，第十二章对全文作了总结，并提出了进一步完善c e b u s 家庭自动化网 络的一些新的构思。、厂 i 第i i i 页 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k ，h o m en e t w o r k i ss t e p p i n gi n t od a i l yl i f e a st h ee s s e n c eo f h o m e n e t w o r k ，h o m ea u t o m a t i o ni so i lt h e n y i nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s c e b u s p r o t o c o li so n eo f t h es t a n d a r d so fe i af o rh o m e a u t o m a t i o n b yu s i n gi t ，t h e h o m e a p p l i a n c e sc a nb ec o n n e c t e da san e t w o r ka n dg e ti n t e r o p e r a b i l i t y , w h i c hm a k e s t h e m i n t e l l i g e n t c e b u sp r o t o c o li n c l u d e se i a 6 0 0s p e c i f i c a t i o n s ，e i a 7 2 1 s p e c i f i c a t i o n sa n dh o m e p l u ga n d p l a ys p e c i f i c a t i o n s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h et h e s i sa r eb a s e do n t h e s es p e c i f i c a t i o n sa n dt h er e l a t e dd o c u m e n t s t h et h e s i si n c l u d e si n t o1 2c h a p t e r s c h a p t e ro n eg i v e ss i m p l yi n t r o d u c t i o nt ot h eh o m ea u t o m a t i o na n dc e b u s p r o t o c o l a n dd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n do ft h e p r o j e c t c h a p t e rt w oi n t r o d u c e s s o m ef a m o u ss t a n d a r d si nh o m ea u t o m a t i o n ，w h i c ha r e h e l p f u lt oo k l rd e v e l o p m e n t w o r k t h ec e b u s p r o t o c o li sd e s c r i b e di nd e t a i lf r o mc h a p t e rt h r e et oe i g h t t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h eu n i v e r s a lc o m m u n i c a t i o nb o a r da n dt h e i m p l e m e n t s c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea r ep r e s e n t e di nc h a p t e rn i n e c h a p t e rt e n d e s c r i b e st h es o f t w a r e d e s i g n f o rt h e h i g hl a y e r s ，e m p h a s i z i n gt h e i m p l e m e n t so f c a l c h a p t e re l e v e ni n t r o d u c e sh o w t ou s et h eu n i v e r s a lc o m m u n i c a t i o n b o a r dt od e v e l o p i n t e l l i g e n th o m ea p p l i a n c ea n dh o w t oc o n n e c tt h e ma sah o m e a u t o m a t i o nn e t w o r k a t l a s t ，c h a p t e rt w e l v es u n m a a r i z e st h ew h o l et h e s i sa n dg i v e ss o m en e wi d e af o ro u r c e b u sn e t w o r k 第| v 页 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 步入2 1 世纪，随着计算机技术，通讯技术，网络技术的快速发展，消费电子 产品( c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 正逐渐与计算机( c o m p u t e r ) 、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 技术密切结合在一起，成为目前所通称的3 c 产品。单个家用电子电器产品的自 动化已经不太能满足人们对自动化和智能化的需求，人们希望将全部家电联网， 集成为协调一致的自动化智能化系统，使家用电子电器产品步向家庭自动化 ( h o m e a u t o m a t i o n ) 的方向，进而实现家庭网络( h o m e n e t w o r k ) 【l 】【2 】。 关于家庭网络，目前有很多的称谓，如家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) ，家 庭网络( h o m e n 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 kh 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 ) ，电子家庭( e l e c t r o n i ch o m e ) ，数字家园( d i g i t a l f a m i l y ) ，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的 【3 】。首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要 的通路，在家庭网络的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对家庭网络上 的所有家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介，构成与外界 的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制，监测和交换信 息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便的需求。 图1 - 1 一个典型的家庭网络的组成 家庭网络的一般结构如图1 1 所示。从图l - l 中可看出，一个完整的家庭网络 由下述三部分组成： 1 控制网：主要实现对传统家电( 如灯光，微波炉和冰箱等) 的开关量和 少量模拟量的控制。实现对传统家用电器和其他设备的控制、调节和监测，比如 微波炉、洗衣机、灯光、电动窗帘、防盗报警器、自动门烟雾探测器、有害气体 检测装置、温度和湿度控制器、风量调节器、各种手动的开关和遥控器等。在这 部分网络上主要传输的是占用的信道的带宽是比较窄的控制信号，因此我们称之 第1 页 为控制网络，也就是我们通常意义上所说的家庭自动化，这也是本文所要论述的 主要内容。 2 信息网：主要实现数字设备( 如数码相机，数字电视等等) 和计算机等 网络设备的资源共享。这部分网络需要大量的带宽来实现大量的数据如视频，音 频等传送，实现视频点播v o d 等多媒体应用。这部分是当今i t 行业最为活跃的领 域之一。 3 家庭网关，路由器：主要实现控制网络和信息网络的信号综合，并提供 与外界网络的接口，以便作远程控制和信息的交换。由于i n t e m e t 和宽带接入在近 几年的高速发展，此部分的需求也是愈来愈被众多厂家所重视。 家庭自动化是一种过程或系统，通过使用不同的方法或技术，使居住环境达 到舒适、安全和有效。它能将家庭中的照明、娱乐、安全、通讯、制冷、加热以 及空气调节等各中设备连接起来，协同工作，由一个中央监视设置器( 一般为 计算机) 监视设置，形成一个高度自治的自动化控制网络 4 1 。从而将你的家 庭从一个被动的结构转变成一个主动的伙伴，个能帮助你工作；提高效率，节 约你的时间；增加安全感；节省能源消耗，节约你的金钱的工具。家庭自动化的 概念是近十几年逐渐发展起来的。随着越来越多的计算机和带有控制芯片的家用 电器进入家庭，网络技术的发展，以及人们对美好生活的向往，其发展十分迅猛， 微软公司总裁比尔盖兹在其著作“未来之路”中描写的他的住宅，就是家庭自 动化一个令人神往的例子【5 】。 第1 节为什么要实现家庭自动化网络 根据家电的功能可将其分为如下几个子系统：照明系统，如各种电灯、开关； 环境控制( h v a c ) 系统，包括电扇，空调，取暖器等：家庭影院系统，如电视 机、v c o 、放录象机等；通讯系统，如电话，传真机，各种 n t e m e t 接入终端等 2 1 ；保安系统，如各种传感器、摄像头等。作为单个的设备，其功能都相当 完善，但是作为一个整体就显得缺乏智能。 首先，各个电器自成体系，电器之间缺乏联系，甚至会相互干扰。例如，家 里正在放电视，主人就可能会听不到电话铃声。如果它们之间可以通信，则来电 话的时候就可以自动关小音量，并提示用户接电话。 第二，各种电器作为一个整体的自动化程度不够。例如，看v c d 节目，就 必须先调节v c d ，再将电视机切换到a v 模式，这就使得家电的易用性就大打 折扣【6 】【7 】。 第三，用户的操作界面不统一。例如，电视机、空调、录像机等等都有自己 的遥控器，但是不同的厂家的产品的操作方法不一样，给用户带来麻烦。也有的 厂家为了能用一个遥控器控制各种设备，设计了复杂的遥控器，结果反而使用户 更加混淆不清。 第四，各个设备的功能有冗余。例如，电视机、录像机都带有独立的时间控 制机构，增加了成本，实际上这些完全可以由一个标准的时钟来同步。 第五，控制器与执行器之间的关系在室内装修时确定，这使得必要的改变变 得困难。 第2 页 浙江丈学硕士学位论文 上述种种弊端的完整解决方案是将网络的概念引入家庭，使得各种家用电器 设备联成网络，使设备之间可以互相操作( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 并联接i n t e r n e t 进 而实现智能住宅。 由于t c p i p 协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而在家用 电器上的嵌入式系统中大量存在的是8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系统资源，或根本不可能，因此在8 位和1 6 位m c u 上实现 i n t e r n e t 通信协议是比较困难的，如果将现有嵌入式系统中的m c u 都更换成3 2 位或6 4 位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都不太可能的【8 】。鉴 于家电智能控制所需的通讯类似于工业控制网络中的现场总线，智能化的住宅一 般是通过某些特定的联盟协议来实现的。 在国外，家庭自动化的概念出现于7 0 年代末。开始各公司各自制定标准， 极大的阻碍了市场的开拓和产品的推广。近十多年来，遵循统一标准已成为不可 逆转的潮流。国外的公司针对家庭自动化，家庭网络的发展达成众多的联盟，并 逐步形成了多种标准。例如美国早期的x 1 0 协议，美国电气工业协会发布的消 费总线( c e b u s ) 标准，m i c r o s o f t 公司支持的通用即插即用( u p n p ) 规范， 家用电话线网络联盟( h o m e p n a ) h o m e p l u g 电力线联盟，h o m e r f 工作组， 日本的家庭总线( h o m e b u s ) ，欧洲的安装总线( e i b ) 。在第二章中，将对其 中的部分家庭自动化网络协议做一个简介。 在国内，家庭自动化正处于萌芽状态，各厂家纷纷推出其概念性产品。如： 方正电脑的“家用电器智能网络”【9 】，海信推出的海景二代【1 0 】，海尔的 e 家庭【1 1 】，实达的信息家庭( i h o m e ) 【1 2 和联想的h o m e 【1 3 】战略等 等。就目前的状况而言，这类系统在更多的意义上还是一种概念性的产品，而且 作为控制中枢的电脑和家电的接口也尚无通用的标准。无形中就形成了对普通家 庭的技术门槛，不适合国内的实际应用。我们认为，目前国内各厂家各自为战， 没有统一的开放性的标准为基础，实际上是国外厂商的早期错误开发思想的重 复。 计算机通过因特网互联，引起了一场信息的革命，使人类由电气时代进入信 息时代。家电设备互联互操与联网，实现家庭自动化网络同样也会对家电行业甚 至人们的日常生活会带来巨大的变革。 第2 节消费总线c e b u s 的简介 1 9 8 4 年，美国电子工业协会( 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 ，e i a ) 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，因而联合其国际著名的成员厂 商，在1 9 8 9 年制定出另外一套家庭自动化控制规格的初步草案并在1 9 9 2 年发布， 命名为c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i cb u s ) ，其目标是建立一个针对消费类电子产 品的开放性协议【1 4 1 【1 5 】，即： 1 针对消费类电子产品开发一套通用的、廉价的、与制造厂家无关的通讯 方法。 2 允许消费者以一个非常小的代价实现在系统中加入新的家电产品。 3 满足对家庭自动控制的需要。 4 减少家庭中消费类设备功能的冗余。 第3 页 浙江大学硕士学位论文 1 9 9 4 年，c e b u s 工业委员会( c e b u si n d u s t r yc o u n c i l ) 成立。c i c 的许多成 员为国际高知名度厂商，如m i c r o s o f t 、i b m 、c o m p a q 、c o r p 、a t & tb e l ll a b s 、 h o n e y w e l l 、p a n a s o n i c 、s o n y 、t h o m s o n 、l e v i t o n 、p a c i f i cg a s & e l e c t r i c 等公司。 c i c 是一个非盈利性组织，由生产制造c e b u s 兼容产品和提供相应服务的公司 组成。c i c 负责监督市场、保证产品的互操作性、以及认定产品是否符合标准。 【1 4 】 1 9 9 7 年，c e b u s 的e i a - - 6 0 0 成为美国a n s i 标准。2 0 0 0 年6 月，美国微软 公司和c i c 协会共同宣布支持基于c e b u s 的简单控制协议s c p ( s i m p l ec o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ，s c p 将是未来的微软的u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 协议的子集 【1 4 】【1 6 】【1 7 】。 目前，国外开始生产基于c e b u s 智能家居产品的有g e s m a r t 公司，主要 是灯光控制器、开关、插座和传感器等等，s m a r t a m e r i c a n 公司的支持h p n p 的 家庭自动化产品控制器，e l e c t r o n i c d e s i g n t e c h n o l o g y 公司的灯光控制器和开关、 多路开关、负载控制器以及一些传感器，e m e r a l dg a t e w a y n t e r n a t i o n a l 公司的 d c s 家庭系统中包括灯光和能源控制器、x 1 0 - - c e b u s 协议转换器，c e b u s - - r s 2 3 2 桥接器、c e b u s l c d 显示屏等等【1 4 。 i s o 并篮系 c e b u s 镛磺裂同抒攒越 衰选层 层 阑 台话i 墓 闻 传输层 舟绪层 管 n 铬层 囊好链踌层 理 数据链路层 均理层 均瑗层 图l 一2i s 0 开放系统模型和c e b u s 采用的模型 c e b u s 采用了简化的o s i 模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用 层【1 8 ，参考图1 2 ，它使用7 种不同的媒介：电力线、双绞线、同轴电缆、 射频广播和红外线，光纤和a v 线。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或光缆，这样就使得控制信号和数据信号分开，提高了通信 的快速性和可靠性。c e b u s 是一个完全面向报文分组( p a c k e t ) 的对等网络。使 用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨协议( c s m a c d c r ) 。符合c e b u s 规范的设备，可以相互之间无差错地收发信息。e i a 6 0 0 中详细描述了这个规范。 每个设备要能够访问其它设备的资源，就必须有描述资源的语言。在c e b u s 中 第4 页 浙江大学硕士学位论文 采用“公共应用语言”( c o m m o na p p l i c a t i o nl a n g u a g e ) ，简称c a l 语言。通过 c a l 语言，设备之间可以相互访问，可以知道一个设备所有的资源，工作状态， 还可以控制这个设备。c a l 语言由美国许多大小公司参与制定，因而几乎所有 的电器都可以由c a l 语言来描述其资源，由c a l 语言来操作。不同厂家的产品 都能够理解c a l 语言，从而可以相互控制或操作( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。鉴于c a l 语言的特殊性和独立性，美国电子工业协会( e i a ) 已将其列为单独的标准e i a - - 7 2 1 【1 4 】。 图1 3 使用c a l 语言通讯的家电 在图卜3 中，各种电器设备通过c a l 语言交换信息。每个设备有自己的地址， 设备的资源有唯一的名称，设备之间可以相互“对话”。实际上，c a l 语言是独 立与网络协议的，可以在不同的网络上实现。c a l 语言定义了设备之间交换信息 的语法，而另一个规范，h o m e p n p “家庭即插即用”规范应用这个语法组成统一 的信息交换和控制命令。它定义了一些公共的信息格式，典型的信息是：室主是 否在室内，以便保安系统，照明系统等调整自己的工作状态。另外，为简化用户 电器设备的安装，它提供设备安装工具，实现“即插即用”。 从技术上考虑，c e b u s 有以下优势： 1 网络拓扑结构简单，它可以用于分布式的或者是集中式的家庭控制，而 不需要一个集中的控制器。c e b u s 中的每个节点的地位是平等的。因此， 不需要一个主控设备，但是，可以通过绑定来联系不同的节点，使整个 家电系统成为一个智能的整体【2 】。 2 简单性，安装简单的c e b u s 的产品，用户不需要专门的训练。利用即插 即用规范，甚至可以不用用户干预。 3 廉价，对于原有的产品只要稍加改造，不会增加很多成本，就能够使他 成为c e b u s 兼容型产品。 4 具有多个传输媒体，c e b u s 目前定义了七种传输媒体，它们大部分是利 用了原有的走线，而不需要另外布线，因而对于现有住宅的改造非常方 便。而且也能满足不同设备对通讯量的要求【1 9 1 【2 0 。 5 响应迅速，c e b u s 的数据包( p a c k e t ) 有三种优先级，可以满足不同信息 对时间的要求【2 l 】【2 2 【2 3 】。 6 公平性，任何一个设备都不会长时间占有通信媒介，它对于多重访问的 竞争解决方法是c s m a c d c r ，也就是说有冲突检测和冲突解决措施。 【2 2 】【2 3 】 7 安全性，在设备的交互语言公共应用语言中，对保安设备的控制有 加密算法，只有授权的设备才能访问这些保安设备。【2 4 】 c e b u s 是一个相当完备的家庭自动化家庭网络的标准。目前，美国的 i n t e l l o n 公司和加拿大的d o m o s y s 公司均被授权生产符合c e b u s 标准的电力线 第5 页 浙江大学硕士学位论文 通讯芯片【1 4 。另外，m i c r o s o f t 投资的i t r a n 公司也生产支持c e b u s 标准的 芯片1 2 5 。 第3 节本论文的写作背景和要解决的问题 家庭自动化网络系统是网络在家庭领域的重要延伸，其市场在国外正处于起 步状态，而在国内还处于萌芽状态。在国外，有专家预测家庭自动化市场是一个 具有数十亿美圆的巨大商机，由于它面对的最终用户是数量巨大的家庭，因此在 国外无论是i t 业的领先者( 如m i c r o s o f c ) 和传统的电气巨头( 如g e 公司) 都 想进入这个市场并成为这个新兴行业的领头羊。在国内，随着国民经济的发展， 人民生活水平的提高，家庭自动化网络产品同样具有广阔的市场空间。例如，作 为家庭自动化一个很小部分的智能照明系统，在2 0 0 0 年其产值就达到3 6 亿人 民币。 我们致力于研究c e b u s ，主要基于以下几个原因： 1 家庭自动化网络和智能家电将是未来住宅的必然趋势。 2 c e b u s 简单易行，而且成本低廉。与l o n w o r k s 相比，c e b u s 更加适 合于家用。 3 c e b u s 允许使用七种通讯媒体，目前使用最广泛的是电力线，具有勿需 重新布线的优点。 4 c e b u s 是专为家庭自动化定制的标准，相对而言容易实现，功能齐全。 例如它能够解决信道的竞争、信息帧有优先级之分等【2 】 2 1 】【2 2 】 【2 3 。 5 应用层的c a l 语言能够比较完美地描述设备，无需我们再制定设备描 述语言。 6 h o m e p n p 家庭即插即用规范大大方便了用户对系统的配置。 7 有加密措施，对于某些保安设备的操作需要有密码才能操作，从而有效 地阻止非法入侵者的恶意操作。 8 c e b u s 是一个开放的工业规范，而不是某个部门所专有，因此容易推广， 和获得其他厂家的支持。 9 通讯协议采用简化的o s i 七层模型，对于家电控制有着优良的网络性能 2 2 1 2 3 1 。j a e s o oy a n g 等人对a l o h a c s m a 。c s m n c d 这几 个主要的协议作了研究和试验，结果证明，在轻的网络负载在下( 家电 控制就符合这种条件) ，c e b u s 的协议具有综合的优良性能，同时， c e b u s 的帧有不同优先级，因而其传输延迟的性能可以与令牌环网的相 比。 1 0 c e b u s 产品具有互操作性，因而可以没有集中控制器而正常运行，是一 个分布式系统，可靠性高。 该课题的研发工作已得到了浙江省科委( 项目编号：0 1 2 4 7 0 6 6 9 ) ，杭州市 经委( 项目编号：杭经科2 0 0 0 年5 9 3 号) 的立项支持。项目采用精研标准，理 论分析，实际调查，现场和模拟测试的严谨科研方法进行。由于在家庭自动化领 域国内外存在较大的差距，研究和参考国际的标准就显得十分重要，因此必须对 第6 页 c e b u s 协议进行必要的理论分析，并在学习的基础上创新。项目的进行采用循 序渐进的技术路线一“原型”方法： 1 t 开发c e b u s 原理性家庭自动化网络演示系统，探索c e b u s 协议的基本 机理。 2 开发c e b u s 概念性家庭自动化网络演示系统，验证实现c e b u s 协议的 家庭自动化网络和探索所涉及到的理论和关键技术 3 墅銎拿e b l 8 原型产品演示系统，实现完整的c e b u s 协议并实现其应用， 开发出多种基于c e b u s 协议的家庭自动化网络家电原型产品。 本文主要论述的是基于c e b u s 的家庭自动化网络的研究，实现和应用。 第4 节小结 。一奎兰苎差坌翟王室庭自动化网络和c e b u s 协议的发展以及论文写作背景。 以下的章节将对进行基于c e b u s 协议的家庭自动化网络系统谇缅鬲话蘧! ” 第7 页 浙江大学硕士学位论文 第二章几种网络协议的简单介绍 在第一章中，我们提到在家庭网络和家庭自动化领域内，国外有着许多的联 盟协议和标准，熟悉这些联盟协议和标准，图2 1 是一些家庭网络协议的地理分 布图。这些协议对于我们的c e b u s 家庭自动化网络的开发有相当大的借鉴作用。 因此，本章对一些知名度较高的协议做一个简单的介绍。 图2 - 1 一些家庭网络协议的地理分布图 第一节主要的家庭自动化协议 本节中。我们将对家庭中控制网络的其他协议做逐一作一个简介。 1 1x 一1 0 电力线是目前家庭中最广泛的网络介质，几乎每个房间都有多个电源插座， 因此许多的家庭网络的联盟规格选择电力线作为网络介质。无线不需要任何布 线，同样也显得很方便。 x 1 0 是世界上第一个利用电力线来实现电灯等家用电器控制的规范【2 6 1 ， 其技术最初是由p i e oe l e c t r o n i c sl t d 于1 9 7 9 年开发成功，后转让给当时比较著 名的b s r 音响公司。在1 9 9 0 年，b s r 公司休业后，x 1 0 的开发人员买下了该 项技术并成立了x 1 0 公司，生产和销售x 1 0 的产品，美国的些公司如s h a c k 、 第8 页 浙江大学硕士学位论文 s t a n l e y 、l e v i t o n 、h o n e y w e l l 也生产和销售x 1 0 的产品，包括照明设备，遥控 器，保安设备等等。目前，约有6 5 0 万个美国家庭在使用产品。 在x 1 0 系统中，信号的传输是利用市电电源的正炫信号的过零点来进行的， 其中有1 2 0 k h z 的脉冲群表示为“1 ”信号，而“o ”信号则没有这个脉冲群，脉 冲群之间的间隔小于1 0 0 微秒。由于这种方案原理上的限制，同时由于电源线上 存在很大的躁声和干扰，因此，传输信号的速率比较低，所以它一般只能传输信 息量很少的开关控制信号。由于其开发的较早，在今天看来，不可避免的有许多 缺陷。首先，其地址有限，只有1 6 x1 6 个地址；其次，其使用的1 2 0 k h z 的电 力载波的带宽有限，不能传送大量的信息：再次，其1 2 0 k h z 的电力载波易受干 扰，可靠性和鲁棒性都不令人放心。 1 2 l o n t a l k 协议 l o n t a l k 协议是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年推出的l o n w o r k sn e t w o r k s 中使 用的通讯协议 2 7 1 。它是第一个宣称提供o s i 参考模型所定义的全部七层服务 的协议。目前，l o n w o r k s 网络在楼宇自动化、交通运输行业、工业自动化以及 家庭与公用事业自动化方面获得了广泛的应用。l o n t a l k 协议已经包括在美国供 暖、空调和制冷工程师协会( a s h r a e ) 的b a c n e t 标准及美国国家标准协会 ( a n s i ) 的标准中。而且它也是美国消费者电子制造商协会( c e m a ) 的家庭 网络e i a 7 0 9 标准的基础。 l o n t a l k 协议支持的介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和 光纤。 在一个l o n w o r k s 网络上，各个节点的地位是平等的。每个节点随时可以发 起对另外节点的通讯。l o n t a l k 协议采用了一种改进的以太网介质访问控制协议， 称为“带预测的p 坚持c s m a 介质访问控制协议”。从而能有效地减少网络碰 撞，提高网络的利用率。网络重载时，以太网吞吐量急剧下降，而对l o n w o r k s 影响较小，这一优良的网络特性对实时应用场合尤为重要。 通讯通过网络地址来进行寻址。网络地址分三层结构：域( d o m a i n ) 、子 网( s u b n e t ) 、节点( n o d e ) 。 第一层结构是域。域的结构可以保证在不同的域中通讯是彼此独立的。例如， 不同的节点共处于同一个通讯介质中，如无线电，不同域的区分可以保证它们的 应用完全独立，彼此不受干扰。域地址可以为0 ，1 ，3 或6 个字节，可根据实际 需要采用不同的长度。 第二层结构是子网。每一个域最多可以有2 5 5 个子网。 第三层结构是节点。每个子网中最多有1 2 7 个节点。这样，在一个域中最多 可以有2 5 5 * 1 2 7 共3 2 3 8 5 个节点。 l o n t a l k 协议提供四种基本类型的报文服务：确认、请求响应、非确认重复 和非确认。可靠性最高的是请求响应。当一个报文发给一个或多个节点，发送 者盼望来自每个节点的响应。接收者在报文被处理后发回响应。与之等价的是确 认。当一个报文发给一个或多个节点后，发送者等待来自每个节点的确认。而接 收者收到一个正确的报文就发回确认。可靠性在以上两种之下的是非确认重复。 报文被多次发给一个或多个节点，同时不期望得到响应。可靠性最低的是非确认。 报文被发给一个或多个节点，且只发送一次，同时不期望得到响应。 第9 页 ， 浙江大学硕士学位论文 l o n t a l k 最大的问题是：价格一直比较高，表现为每个节点的成本很高， 同时其开发系统竟高达1 0 万元以上；同时它的揉作系统是不公开的，使用户的应 用受到很大的限制。 1 3 欧洲安装总线e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) e i b 协议的全称是欧洲安装总线( e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb u s ) 【2 8 】。它是 由欧洲一些知名大企业联合提出的( 包括硬门子公司) ，目的是使其能成为楼宇 自动化的一个通用基础结构。目前，该协议已开始向家庭自动化领域渗透。最近， 美国消费者电子制造商协会( c e m a ) 已将其吸收作为家庭网络e i a 7 7 6 标准。 现该协议由中立的e i b 委员会( e i b a ) 负责管理和认证。在欧洲得到了广泛的 应用。目前在欧洲已有超过5 0 个的培训中心，超过1 1 0 家的生产厂商和超过5 0 0 0 种的已被认证的产品。 e i b 协议初始只使用双绞线作为传输介质。经过不断的开发，目前协议已能 支持包括电力线、同轴电缆、无线电以及红外线在内的多种传输媒介。 图2 - 2e i b 的网络拓扑 e i b 网络是一个完全对等( p e e r t o p e e r ) 的网络。接入网络的每个设备具有 同等的地位。其网络拓扑参见图2 2 。由图2 2 可以看出，网络采用了域( d o m a i n ) 、 区( a r e a ) 、线( l i n e ) 的分层结构1 2 9 1 。每一条l i n e 上最多可以连接2 5 5 个设备；一个a r e a 内最多可容纳1 5 条l i n e ；而一个d o m a i n 则可容纳1 5 个a r e a 。 连接通过特殊的线耦合器( l i n ec o u p l e r ) 和区耦合器( a r e ac o u p l e r ) 实现。相 应的设备的地址也分为区地址( 4 位) 、线地址( 4 位) 和设备地址( 8 位) 。 第1 0 页 浙江大学硕士学位论文 设备之间的通讯按通讯时是否要先建立连接分为面向连接的通讯和无连接 通讯两种。面向连接的通讯只适用于点对点通讯。而无连接的通讯又可分为三种 方式，点对点，多点和广播。 目前。e i b 的标准只对会员开放，因此，开发符合e i b 的家电产品必须首先 加入e i b 协会。 1 4家庭总线系统h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) h b s 是由日本一些知名企业，包括日立( h i t a c h i ) ，松下( m a t s u s h i t a ) ， 三菱( m i t s u b i s h i ) ，东芝( t o s h i b a ) 等联合提出的。并得到了日本政府和商会 的支持【3 0 】 协议规定了如何通过双绞线或同轴电缆将家庭设备、电话、音频一视频装置 连接达到控制目的；以及如何在家庭内获得远程服务，如在家购物、远程医疗和 远程教学等。 图2 - 3h b s 的网络拓扑 h b s 的网络拓扑和互连性如图2 3 所示。 日本政府以及各大公司对h b s 投入了巨大的资金，并准备将其传输媒介扩 展到电力线和无线电频段上，增加其功能。它还成为了m i t i ( m i n i s t r yo f i n t e r n a t i o n a lt r a d e & i n d u s t r y ) 、r e e a ( r a d i oe n g i n e e r i n g e l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 、e i a j ( e i ao f j a p a n ) 组织的联合计划【3 1 】。 第1 i 页 浙江大学硕士学位论文 第2 节其它家庭网络协议 家庭信息网络的发展是近几年的热点，美国是家庭网络技术发展最活跃的 国家，近年来更成立了拥有众多的联盟组织，如微软的u p n p 【3 2 】，支持电话 线的h o m e p n a 【3 3 】，支持无线传输的h o m e r ：【3 4 】；支持电力线的 h o m e p l u g1 3 5 】，其他的还有1 3 9 4 ，8 0 2 1 l 无线局域网，o s g i 【3 6 等等。 在欧洲，还有获得欧盟委员会支持的e h s ( e u r o p e a n h o m es y s t e m ) 协议( 将 与e i b 协议合并) 【3 7 ：以及诺基亚、i b m 等公司推出的无线协议“蓝牙” ( b l u e t o o t h ) 3 8 】等。 这些协议有的已经推出了相当长的时间，面临新协议的冲击，正在酝酿改进： 有的协议则刚刚推出，还要等待检验。限于篇幅，此处就不多作介绍了。有兴趣 的话，可以去各个公司或组织的网站，调阅相关的文档。 第3 节小结 本章对一些在家庭自动化领域内比较有名的协议作了简单的介绍。应该说， 目前在家庭自动化领域还没有一个统一的标准。采用不同协议的各家厂商都在争 取扩大自己的影响，同时，在这个领域，由于技术的不断发展，新的协议，新的 组织也在出现。在我国，目前在这个领域的协议和标准的研究还远落后于国际的 发展，这对我们既是机遇，更是挑战。 第1 2 页 浙江大学硕士学位论文 第三章物理层 本章要讨论图1 2 中c e b u s 网络分层结构中的最低层一物理层。 c e b u s 的物理层提供了7 种不同的媒介：电力线、双绞线、同轴电缆、射频 广播和红外线，光纤，a v 线【t s l 。其中电力线，双绞线、同轴电缆、光纤等， 一起称为“有线介质”( w i r e d m e d i a ) ，另外两种通讯介质红外线和无线电称为“无 线介质”( w i r e l e s sm e d i a ) 。 其中，电力线是运用最广泛的介质。下面，就以电力线为对象来讨论c e b u s 的物理层。其他介质的有关详细情况，请参阅文献【3 9 】【4 0 】【4 1 】。 第1 节家庭中电力线上的通讯信道状况分析 1 1家庭中电力线干扰的简介 低压电力线无疑是家庭中分布最广泛的有线网络介质，并且几乎所有的家用 电子产品都是联在2 2 0 v 的电力线上，因此，用低压电力线来实现家庭网络中的 控制网络不存在着重新布线的问题，无疑是最方便的实现方法之一。但由于电力 线与双绞线等专用网络介质不同，用电力线实现数据通讯必须考虑其特殊性，表 现为干扰的复杂性，信道的时变性。 1 2干扰的复杂性 电力线上存在着复杂的干扰，可分为非人为干扰和人为干扰 4 2 】。 1 2 i 非人为干扰 非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰，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 免此类干扰的对数据通讯的影响。 1 2 2 人为干扰 人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对电力线上的数据通 信有更严重的影响。 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。 1 ) 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 产生的干扰周期是一般是工频或工频的整数倍。 第1 3 页 浙江大学硕士学位论文 卜 孓- 一 i le kt d 自如2 l d t f5 # 。： 批 l 1 0 卜 n 舅l 。i山k j“ r n r 7 _ l r 1 旷r 1下。r 。 i 图3 - 1 电力线上的干扰波形 图3 - 1 是我们在现场用示波器测得的电力线上的干扰波形，存在着明显得以 1 0 0 h z 为周期的干扰信号，这种干扰的幅度很大，频谱不规则，峰值有时能达到 1 0 v ，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h z 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 3khz 的 行频信号，这种信号对电力线也有一定的干扰。 2 ) 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1 0 k h z 到1 0 0 m h z 的背景噪声【4 3 】。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 得很低，通信误码率增加。 3 ) 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 很大的脉冲千扰或脉冲干扰群，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。 1 3 信道的时变性 1 3 1 负载对通讯信号的影响 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 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号衰减比较均 第1 4 页 浙江大学硕士学位论文 匀，而容性负载、感性负载都会使信号畸变，其中容性负载对高频信号的阻抗很 小，会吸收大量的载