（系统工程专业论文）基于EIB协议的监控软件的研究与开发.pdf

浙 江大 学工 学 硕 十 学 位 i z一 .一 摘 要 随着计算机技术、通信技术、网络技术的快速发展，家庭楼宇自 动化正逐步 进入日常生活。 人们越来越关注生活质量的提高， 家庭楼宇自动化顺应了这股潮 流而日益深入人心。 论文以家庭楼宇自 动化广阔的市场需求为基础， 选取了欧洲最流行的家庭楼 宇自 动化协议一一e i b( 欧洲安装总线)为研究对象。在研究e i b协议基础上， 设计出e i b监控软件。 该软件己经调试成功， 现己交付合作单位试用， 并做进一 步测试。监控软件已由国家专利局授权软件著作权。 论文共分七章: 第一章介绍了计算机监控系统的分类和组态监控软件的发展趋势; 第二章介绍了家庭楼宇自 动化的现状和发展概况， 并对目前国际上几种主要 的家庭总线协议和无线网络进行了简要介绍: 第三章从软硬件的组成着手， 分析了e i b设备的结构体系， 重点描述了系统 软件功能的实现机制和应用程序的接口规范; 第四章在简要介绍 u ml建模语言和面向对象编程思想的基础上，用 u ml 语一言 描述了e i b对象的静态模型和动态模型， 这章内容是监控软件图形化设计的 理论基础; 第五章是论文的核心内容，按照软件分层设计的思想，详细介绍了监控软件 关键技术的实现，软件的功能及软件的结构: 第六章搭建一个e i b监控系统的实例， 比较串口截获的数据与e i b总线上截 获的数据，分析e i b命令的数据格式。最后用e i b监控软件远程控制该系统; 第七章就课题的进展和所取得的成果做出总结， 对e i b相关产品的进一步的 研究开发提出自己的建议。 关键词: e i b 、欧洲安装总线、监控软件、对象建模、家庭楼宇自 动化 第 1页 浙江大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y a n d s c i e n c e , p e o p l e c a r e m o r e a n d m o r e a b o u t t h e q u a l i t y o f l i f e . h o m e a u t o m a t i o n p r o v i d e s t h e a b i l i t y t o e n h a n c e o n e s l i f e s t y l e , a n d m a k e s a h o m e m o r e c o m f o r t a b l e , s a f e r a n d m o r e e f f i c i e n t . s o i t i s b e i n g a c c e p t e d b y m o r e a n d m o r e p e o p l e d r i v e n b y l a r g e m a r k e t d e m a n d s , w e c h o s e t h e m o s t p o p u l a r h o m e a u t o m a t i o n p r o t o c o l i n e u r o p e - f i b ( e u r o p e a n i n s t a l l a t i o n b u s ) a s r e s e a r c h c o n t e n t . b a s e d o n f u r t h e r s t u d y o f f i b p r o t o c o l , t h e f i b m o n i t o r a n d c o n t r o l s o f t w a r e h a s b e e n w o r k e d o u t . t h e s o f t w a r e h a s b e e n d e b u g g e d s u c c e s s f u l l y , a n d t a k e n o n t r i a l， a t t h e s a m e t i m e . c o p y r i g h t o f t h e s o f t w a r e h a s b e e n a u t h o u r i z e d t h i s p a p e r i s c o m p o s e d o f s e v e n c h a p t e r s : c h a p t e r 1 i n t r o d u c e s t h e c l a s s i f i c a t i o n a n d t h e d e v e l o p m e n t t r e n d o f t h e c o m p u t e r m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m. c h a p t e r 2 i n t r o d u c e s t h e b a c k g r o u n d k n o w l e d g e i n h o m e a u t o m a t i o n a n d t h e c u r r e n t s t a t u s , s e v e r a l m o s t p o p u l a r h o m e a u t o m a t i o n p r o t o c o l s a n d h o m e n e t w o r k i n g t e c h n o l o g y c h a p t e r 3 i n v o l v s c o r e c o n t e n t o f e i b , t h r o u g h d e s c r i b i n g t h e s t r u c t u r e s y s t e m o f f i b d e v i c e , a n a l y s e s t h e i m p o r t a n t t e c h n o l o g y i n v o l v e d i n e i b d e v i c e c h a p t e r 4 i n t r o d u c e s t h e u m l l a n g u a g e a n d t h e o b j e c t c o n c e p t f i r s t l y . t h e n t h e s t a t i c a n d d y n a m i c s t a t e m o d e l o f f i b o b j e c t a r e d e s c r i b e d . t h e c o n t e n t o f t h i s c h a p t e r i s i m p o r t a n t t o t h e g r a p h i c s d e s i g n o f t h e m o n i t o r a n d c o n t r o l s o f t w a r e . c h a p t e r 5 i s t h e c o r e c o n t e n t o f t h e w h o l e p a p e r . b a s e d o n t h e u m l l a n g u a g e , d e s c r i b e s t h e r e a l i z a t i o n o f t h e f i b m o n i t o r a n d c o n t r o l s o f t w a r e , t h e f u n c t i o n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e s o f t w a r e c h a p t e r 6 b u i l d s u p a s i m p l e f i b s y s t e m , c o m p a r e s t h e d a t a a c q u i r e d f r o m s e r i a l c o m m u n i c a t i o n p a r t a n d t h e d a t a a c q u i r e d f r o m e i b b u s . t h r o u g h t h e d a t a，t h e f o r m a t o f t h e f i b m e s s a g e i s a n a l y s e d . c h a p t e r 7 g i v e s a c o n c l u s i o n a b o u t t h e w h o l e p a p e r . a d v i c e s a n d p l a n s f o r t h e r 综合了计算机、 通信和控制三大技术; 它将通信线一直延伸到生产现场 生产设备， 用于过程自 动化和制造自 动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信 网络，它将传统的 d c s三层网络结构变成两层网络结构“ 工作站现场总线智能 现场仪表” ，降低了成本， 提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系， 所以自 它诞生之日起，就对d c s形成了强有力的挑战。 到目 前为止， 工业上还没有一种现场总线能覆盖所有的 应用面， 各类总线都 有一些自己的专长领域。如c a n总线常应用于汽车电子总线系统，p r o f i b u s 总 线常见于过程控制系统。目 前现场总线的国际标准有几百种，常用的也有4 0 余 种、各种现场总线孰优孰劣还难有定论，可以预见的将来， 现场总线之间相互竞 争、取长补短的状况不会有太大改变。 4 ，基于工业以太网的监控系统。 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点， 在于它必须满足工业现场控 制对实时性的要求， 即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。 实时控制往往 要求对某些变量的数据准确定时刷新。 由 于e t h e r n e t 采用c s m a / c d碰撞检测方 式， 网络负荷较大时， 网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求， 因此 传统以 太网技术难以 满足控制系统要求准确定时以 及通信的实时性要求， 一直被 视为非确定性的网络。 根据工业现场控制系统的实时性和确定 性的要求，就必须在e t h e rn e t t c p / i p 协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制， 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务， 形成为广大工控生产 厂商和用户所接收的应用层、 用户层协议， 进而形成开放的标准。 为 此， 各 现场 总线组织纷纷将以 太网引入其现场总线体系中的高速部分， 利用以太网和t c p / i p 第 2 页 浙江大学工学硕士学位论文 技术， 以及原有的低速现场总线应用层协议， 从而构成了所谓的工业以太网协议， 如h s e , p r o f i n e t , e t h e me t / i p等。 基于计算机网络的监控系统采用 “ t c p / i p以太网协议标准” ，系统变得结构 清晰、简单，开放性强，建模和仿真容易。 在该类系统中， 直接将1 / o设备连到 与以 太网兼容的u o数据集中器上， 保留以 太网的物理层及数据链路层协议， 应 用层使用现场总线定义的协议。 1 . 2 . 2 组态监控软件的特点 监控组态软件一方面具有实时多任务的特点， 例如，数据采集与输出、数据 处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、 检索管理、实时通信 等多个任务要在一台计算机上协同工作; 另一方面组态软件采用面向对象的编程 思想， 进行模块化编程设计， 并以软件组件的形式实现对通用模块的封装， 工程 设计人员无需编写或修改模块程序的源代码。 在设计组态软件时应充分了解自 动化工程设计人员的基本需求， 并加以总结 提炼，重点集中解决共性问题。下面是组态软件主要需要解决的问题: 1 )如何与采集、控制设备间进行数据交换。 2 )使来自 设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。 3 )处理数据报警及系统报警。 4 )存储历史数据并支持历史数据的查询。 5 )各 类报表的生 成和打印 输出。 6 )为使用者提供灵活、丰富的组态工具，以适应不同应用领域的需求。 7 )最终产品的应用系统运行稳定、可靠。 8 )提供第三方程序的 接口。 组态监控软件一般分离线组态和在线监控两种工作模式。自 动化工程设计技 术人员在使用组态监控时， 首先根据现场设备实况制定组态监控方案， 利用图形 工具将与被控对象 ( 温度计、开关、调光装置等等) 相对应的图形组件添加进组 态视窗， 再通过各对象的属性设置将各对象关联起来， 现场的物理设备映射到组 态软件中，启动监控模式后，便构成一个协调一致的监控系统。 1 . 3 组态监控软件的概述 1 .3 . 1 组态监控软件发展趋势 组态软件是工业应用软件的一个重要组成部分，其发展受到诸多因素的影 第 3 页 浙 江 大 s f 兰遒it 二一一一一一一一一一一一一一 响，呈现出多态势的发展趋势。 ， .专用到通用的发展趋势 早期 d c s厂商的底层网络都是专用的，现在则使用国际标准协议，进而促 进了组态软件的应用。 网络技术的飞速发展， 也加速了工业控制现场的网络化监 控软件的发展。将现场装置的实时数据进行联网共享，在 1 0 年前无法想象，而 目 前d c s 装置通过网关和公众电话网、 mo d e m, i s d n或宽带网络连起来， 实 时数据采集和远程监控这一方案就屡见不鲜。 2 管控一体化的方向 管控一体化是指将企业内现场控制、 过程控制、 经营管理、 市场管理等各层 智能设备互连成多层次企业网络，实现信息流、物流、资金流相互协调运作。 未来的传感器、数据采集装置、 控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏 览和管理的需求日益高涨， 有的用户甚至要求在自己的办公室里监督定货的制造 过程。有的装置直接内嵌“ we b s e r v e r ，通过以太网就可以直接访问过程实时数 据。 组态软件网络化的实现， 使得控制系统的控制信息流的规范化， 逐步走向管 控一体化的发展方向。 3 .满足用户多样化要求 用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有要求， 用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式， 因此面向用户的监控 系统是既有通用的组态方式， 也有专用配置的需求。 各类组态监控软件不仅不会 推出市场，而且还会因为用户的多样化需求具有更大的市场前景。 4 .未来技术走势 很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中， 组态软件装机总量的提高会 促进在某些专业领域专用版软件的诞生， 市场被进一步地细分了。 为此， 一种称 为“ 软总线” 的技术将被广泛采用。 在这种体系结构下， 应用软件以中间件或插件 的方式被“ 安装” 在总线上， 并支持热插拔和即插即用。 这样做的优点是: 插件的 专用性虽强， 但在所有插件遵从统一标准前提下， 插件开发人员可并行工作， 互 不干扰，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。x ml技术将被组态软件 厂商善加利用， 来改变现有的体系结构， 它的推广也将改变现有组态软件的某些 使用模式，满足更为灵活的应用需求。 1 .3 .2 组态监控软件的功能变迁 早期的组态软件主要用来支撑系统硬件。 当时， 硬件系统如果没有组态软件 第 a页 浙江大学工学硕士学位论文 的支撑就很难发挥作用。 现在的情况有了很大改观。 一方面软件部分地与硬件发 生分离， 大部分自动化系统的硬件和软件现在不是由同一个厂商提供， 这样就为 自动化软件的发展提供了可以充分发挥作用的舞台。 实时数据库的作用将进一步加强。 实时数据库存储和检索的是连续变化的过 程数据， 它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘， 越来越多的用户通过实时 数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的依据。 当前社会分工日 益精细， 组态软件作为一个发展中的行业， 就必须要有专业 化的设计队伍，开发出更加稳定可靠、满足不同用户多样化需求的组态软件。 1 .3 . 3 用户对组态监控软件的需求变化 ， .按需分配的组态功能 组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾， 虽然组态软件提供了很多灵活 的技术手段， 但是在多数情况下， 用户只使用其中的一小部分， 而使用方法的复 杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。为解决这一矛盾问题， 组态软件可根据不同用户设计成不同的工作模式。在此，以k n x配置管理方案 为例，描述面向不同用户的模式配置。 k n x是k o n n e x的缩写，k o n n e x协会是欧洲著名的楼宇自 动化行业的协会 组织。 k n x 共提供了 三 种配置 模式: 系 统模式s - m o d e ( s y s t e m m o d e ) ， 简易 模 式e - m o d e ( e as y m o d e ) 和自 动模式a - m o d e ( a u t o m a t i c m o d e ) : s - m o d e s - m o d e 用自 由 绑定 ( f r e e b i n d i n g ) 的 方式， 设置 对象的 组 地址 ( 详见第三 章 3 .3 ) ，通过 p c软件将地址、参数和程序下载到网络设备中。s - mo d e 适合于 具备专业知识的人员，使用e t s ( e i b工具软件) 软件进行较为复杂的地址和参 数设置。 该模式具有最大的灵活性， 对于安装人员要求也最高， 原e i b网络就是 采用这种模式进行安装配置。 e - mo d e 该模式适合于经过一定培训的人员， 总线设备己经预设了默认的参数。 操作 人员可以通过手工操作 ( 例如跳线、按键等)对该设备的参数做有限的调整。 s - mo d e和e - mo d e的设备可以在同一个网络中应用。e t s软件可以在两种设备 之间进行通信连接。 a- m o d e 该模式适合于最终用户。 这种模式的设备己经预设了固定的参数， 并具有一 套自 适应机制，可以自 动搜寻网络内的其他 a - mo d e设备，并建立通信连接。 a - m o d e 设备具备自 动配置物理地址的功能，同时 通过一个专用的 控制器实现组 第 5页 _ k z a选望经一一一一一一一一一- 地址的配置。 模式的提出， 满足了多层次的应用需求， s 模式功能最为灵活， 但安装配置 复杂: a模式操作简单， 但缺乏灵活性; e模式则介于两者之间。 a模式这种“ 傻 瓜” 型模式， 能满足大多数一般应用场合， 深受用户欢迎， 是适应市场要求的必 然发展方向。 2 .应用领域拓展的需求 组态软件源于过程工业自 动化， 很多功能没有考虑其他应用领域的需求。 例 如:化验分析 ( 色谱仪、红外仪等，包括在线分析) 、虚拟仪器 ( 例如美国 n i 公司口号是t h e s o ft w a r e i s t h e i n s t r u m e n t ) .测试 ( 如测井、 机械性能试验、碰 撞试验等的数据记录与回放等) 、信号处理 ( 如记录和显示轮船的航行数据:雷 达信号、 g p s数据、舵角、风速等) 。这些领域大量地使用实时数据处理软件， 而且需要人机界面， 但是由于现有组态软件为这些应用领域考虑得太少， 不能充 分满足系统的要求， 这些领域仍然是专用软件占统治地位， 因此迫切需要在这些 领域发展功能强大的组态软件。 目前比较成功的软件如美国n i 公司开发的l a b v i e w ，它是一种虚拟仪器开 发平台软件， 它们能够以其直观简便的编程方式、 众多的源码级的设备驱动程序、 多种多样的分析和表达功能支持， 为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的 仪器系统创造了基础条件。 1 . 4 本章小结 本章介绍了计算机监控系统四个发展阶段以及监控组志软件的特点。 在组态 监控软件的概述中分析了软件发展趋势和组态功能的多样化的需求， 这对监控软 件的功能设计具有重要的参考价值。 萦6页 浙 江 大 学 工 学 恻仁 尝 位 1仑 冬 - 一 第二章家庭楼宇自动化综述 家庭楼宇自 动化就是利用微处理器技术及网络技术， 通过家庭通讯控制总线 相连构成的网络来控制和协调家中的电子产品或系统。 家庭楼宇自 动化技术早在 七十年代便开始流行于美国，当时最有代表性的产品是 x - 1 0 ，其后美国的 e c h e l o n 和e i a 又相继推出l o n w o r k s 和c e b u s ， 并最后都成为美国电子工业协会 c e 工 a )的家庭自 动化网络标准。 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 n p r o t o c o l ) ,通过该通信协议，网 络系统中的各个设备便可实现互连、互操。 2 . 1 家庭自 动化 ( h a )与楼宇自动化 ( b a ) 2 . 1 . 1 家庭自动化 伴随着电子技术、 网络技术的发展， 消费电子产品( c o n s u m e r e l e c t r o n i c s ) 己 经和计算机( c o m p u t e r ) 、 通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 两项产品的 技术结合在一起， 成为目前所通称的 3 c产品，并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 。 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 及空气调节等各种设备连接起来， 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。 下面展示一个家庭自 动化的场景: 当一个人在冬天时由外面归来， 在进入家中的前廊时， 传感器因为侦测到人 体移动而发出信号，自 动打开前廊的照明， 并自 动启动家中的暖气系统; 或是在 早上7 点时，由 家中的电子时钟发出讯号， 让咖啡炉自 动煮咖啡， 卧室的窗帘自 动打开，雷射音响自 动演奏优美的旋律等。 2 . 1 . 2 楼宇自 动化 相比 较而言，楼宇自 动化 ( b u i l d i n g a u t o m a t i o n )的发展历史则要久远的 多了。 以一个多世纪前发明的自 动调温器为标志， 楼宇设备自动化就翻开了发展 进程的扉页。 其主要应用是在大楼、小区内。它将各类传感器、 照明系统、通风 供热空气调节系统、 供电系统、 供水系统、 消防报警系统以及安全门禁系统组成 打 7页 浙江大学工学硕士学位论文 个整体， 各系统独立运行， 集中监控。 它关心的是使上述的各个系统能安全有效 的运行， 实现的是功能级集成。 近中几年来， 楼宇自 动化的主流技术是将网络技 术引入其中。日前人们经常提起的智能小区， 智能大厦等， 充分利用了楼宇自 动 化的技术4 1 2 . 2 总线协议及无线家庭网络 2 .2 . 1 家庭楼宇总线协议 家庭智能化要求诸多家电和网络能够彼此相容，总线协议是其精髓所在。目 前比较成型的总线标准协议有:e c h e l o n公司的l o n wo r k s 协议、电子工业协会 ( e i a ) 的 c e 总线协议( c e b u s ) . s m a rt h o u s e l p 的智能屋协议和x - 1 0 公司的 x - 1 0 协议、西门子公司的e i b 协议、日 本h b s 标准委员会的h b s 总线标准等等。 1 .l o n wo r k s协议 l o n wo r k s 协议是美国e c h e l o n公司开发并与mo t o r o l a 和东芝公司共同倡导 的现场总线技术，它支持多种物理介质，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 wo 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 wo 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 wo k s 技术的核心是神经元芯片。该芯片内部装有三个微处理器:ma c 处理器、网络处理器和应用处理器。神经元芯片内部结构框图如图2 . 1 所示: 网络 处理器 mac 处理器 网络缓冲器应用缓冲器 图2 . 1神经元芯片内三个处理器和存储器结构框图 ma c处理器完成介质访问控制 ( m e d i a a c c e s s c o n t r o l ) ，也就是实现i s o七 层协议的 1 和2 层，它和c p u间通过使用网络缓冲区达到数据的传递。网络处 理器完成o s i 的3 - 6 层网 络协议，它处理网 络变量、 地址、 认证、 后台 诊断、 软件定时器、网 络管理和路由等进程。 网络处理器使用网络缓冲区和ma c处理 第 8页 浙江大学工学硕士学位论文 个艇体，各系统独立运行，集中监控。它关心的是使上述的各个系统能安全有效 的运行，实现的是功能级集成。近卜几年来，楼字自动化的主流技术是将网络技 术引入其中。目前人们经常提起的智能小区，智能大厦等，充分利用了楼宇自动 化的技术4 1 。 2 2 总线协议及无线家庭网络 2 2 1 家庭楼宇总线协议 家庭智能化要求诸多家电和网络能够彼此相容，总线协议是其精髓所在。目 f ；i 比较成型的总线标准协议有：e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 协议、电子工业协会 ( e i a ) 的c e 总线协议( c e b u s ) 、s m a r th o u s el p 的智能屋协议和x 一1 0 公司的x - 1 0 协议、西门子公司的e i b 协议、日本h b s 标准委员会的h b s 总线标准等等。 1 l o n w o r k s 协议 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，它支持多种物理介质，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 楼字自动化、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 k s 技术的核心是神经元芯片。该芯片内部装有三个微处理器：m a c 处理器、网络处理器和应用处理器。神经元芯片内部结构框图如图2 1 所示： 蔓笪篓蔓曼空舅墼蔓曼i 图2 1 神经元芯片内三个处理器和存储器结构框图 m a c 处理器完成介质访问控制( m e d i aa c c c $ sc o m r 0 1 ) ，也就是实现i s o 七 层协议的l 和2 层，它和c p u 间通过使用网络缓冲区达到数据的传递。网络处 理器完成o s i 的3 6 层网络协议，它处理网络变量、地址、认证、后台诊断、 软件定时器、网络管理和路由等进程。网络处理器使用网络缓冲区和m a c 处理 第8 页 浙江大学工学硕士学位论文 嚣进行通信，使用应用缓冲区和应用处理器进行通信。应确处理器提供用户编程 的接口，饿括用户程序对操作系统的服务调用。 2 x - 1 0 x 1 楚历变焱长显侵耀最筠攀戆一势，它于1 9 7 8 年涎生于荚霜，至今餐是 美阐家庭自动化的主导系统。x 一1 0 采用电力线作为其网络通信介质，系统中的 各令设冬纛接挂毯瞧力线上藏可以耀互通楼，錾以x l o 系统不嚣骚另乡 褥铺设 信母总线，这为系统组网带来了很大的方便”3 。 x l o 笨统主要由发送嚣和接收器组戏，发送爨稠接收器都鸯地址。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，设备谶址也有1 6 个，所以 x - i o 最多可以有2 5 6 个设备。发送器和接收器的控制关系是由他们的地址来决 定的。也就是说，肖发送器a 的地址与接收器b 的地址相同时，发送器a 救可以 控制接收器b ，发送器和接收器的地址是可以改变的，当发送器a 和接收瓣b 的 两番中酌菜一个的地琏改变后，德们之间豹控锏关系就不褥存在了。 x 一1 0 因为其结构简单、规模小和价格低等特点，被广泛应用于家庭应用场合。 鳓鲡安垒麓控、家瑗宅器浚翻、室内照鞠羧翩、营聚音乐控潮帮往宅 雯表数字读 取等方面。目前国内也有多家生产x 一1 0 系统的公司。系统工程所开发了x - 1 0 毫力线牧发模块、餐键控裂开关等。x 1 0 产品与c e b u s 瑟e i b 稳院其寿明显静 价格优势，适合我国目前的消费水平，因此在家庭应用方面具有很大潜力。 3 h b s 慧线系统。 h b s 全称是家庭总线系统( h o m eb u ss y s t e m ) ”。他是由曰零电子工业联 合会无线工程电子协会f i b s 标准委员会予1 9 9 7 年制定的，得到了日本教府和 商会的支持。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 m 。 h b s 有控锻遥道酾信惑通道之分，控稍邋道焉予低速数撵静传输，信惠遥道蠲 于高速数粥的传输。控制通道最多可以有6 4 个节点，传输速率为9 ，6 k b p s 。 h b s 怼开放系统互袋( o s i - - o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 七瑟模型 睾了糖篱， 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 谤润子层，h b s 慕瘸带碰攘捡测獒载波坟凝多路谤润( c s m a c d - - c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i 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 的予网之 闻囊路惠爨连接，h b s 鲢予隧移其德网之阀臻隧关连接。 4 ：c e b u $ 总线。 c e b u s 全称怒c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ，静消费宅予总线。俸为电予工监 推广协议，与欧洲的e i b 标准同为欧美家庭自动化电子产品的行业推荐标准。 器9 委 浙江大学t 学硕士学位论文 参照i s o 的o s i 网络协议建议书，消费电子总线可划分为物理层、数据链 路层、网络层和应用层。消费电子总线的物理层是开放的，目前支持的媒介有电 力线、红外线、无线电、双绞线，同轴电缆等。特别是电力线，利用了家庭中已 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，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，提高了通信的快速性和可靠性。 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： 带地址和不带地址；广播和非广播。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。 应用层包括了三个子层：消息传递子层( m e s s a g et r a n s f e rl a y e r ) ，传递四 种类型的消息；c a l 子层，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，消费总线的规格说明书是e i a 6 0 0 。 c a l 语言全称公共应用语言，它定义了安全，照明，环境，能源管理，公 用设施( 水、电、煤气等) ，计算机和娱乐等应用的一系列功能产品部件，构成 业界普遍认同的家用电器设备模型。 2 2 2 无线家庭网络 0 4 年第一期的德国经济周刊 对2 0 0 5 年实用技术领域有可能引 起人们生活发生重大改变的新技术 进行了预测，其中“无线上网技术” 排在十大实用技术之首。美国家庭 自动化网络系统中三种主要通讯媒 介应用规模9 9 0 3 年的统计【7 】如 图2 2 所示。由图可以十分明显地 看出，无线网络技术的应用和需求图2 2 美国家庭网络9 9 0 3 年三大通讯媒质所占比例 比例正在不断地上升，而相应地有 线网络技术总量所占比例在不断下降，这是一个发展趋势。 目前，无线网络技术主要有射频( r f ) 技术、i r d a 红外线技术、i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 a 协议技术、h o m e r f 协议、z i g b e e 技术、蓝牙技术、u w b 技术 等。本结重点介绍u w b 技术和z i g b e e 技术。 第1 0 页 浙江大学工学硕士学位论文 1 u w b 技术 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 就是超宽带无线技术，它是美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 2 0 0 2 年2 月1 4 日批准由军事和政府部 门转为民用的一种无线技术。u w b 支持i e e e 8 0 2 1 5 3 流式媒体协议，其速率高 于i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和蓝牙的极高数据速率的无线连接，被认为是“可 望取代蓝牙及无线l a n 的无线通信技术”。 1 ) 技术特点 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理迥异，u w b 具有如下传统通信 系统无法比拟的技术特点： 系统的实现相对简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电 波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。 而u w b 则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。u w b 发射器 直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用 放大器与混频器，因此，u w b 允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端， u w b 接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，u w b 系统结构 的实现比较简单。 高速的数据传输：民用商品中，一般要求u w b 信号的传输范围为1 0 m 以 内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达5 0 0 m b i t s ，是实现个人 通信和无线局域网的一种理想调制技术。u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速 的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线 技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截 获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。 2 ) u w b 的应用定位 u w b 本来是为军事目的而开发的，但优异的性能加上巨大的商机使f c c 批 准其民用，并将3 1 1 0 6 g h z 作为u w b 频带。u w b 被批准民用后，众多家电 厂商和个人电脑厂商蜂拥而上进行产品开发。如英特尔公司在2 0 0 2 年就宣布成 功试制出了采用宽带无线技术u w b 的系统，系统最大数据速率为l o o m b i f f s ， 通信距离为2 m ：i e e e 8 0 2 委员会已将u w b 作为个人局域网p a n 的基础技术之 一来研讨。 u w b 可用于数字电视、投影机、摄录一体机、p c 机、机顶盒之间传输可视 文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网 ( p a n ，p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 。总之，u w b 定位于家用类设备和终端间的无 线连接，家电类设备之多，决定了u w b 的应用之广。 第1 i 页 浙江大学工学硕士学位论立 2 z i g b e e 技术 z i g b 。援术瓠准瓣设诗定整予低成本、低黢糕、茏线感应网络，主要铮对 近程监视、家庭控制和住宅自动化网络应用的工业和消费者市场az i g b e e 联盟 基在基予全球标准磺发出可靠性蘸、低成本、低能毵、无线网络监控产品。z i g b e c 联盟是一个快速发展的开放型非盈利组织，成员包括世界领先的半导体生产商、 技术服务商、o e m 和终端用户。 应用予低速短距无线传输环境的z i g b e e 技术，自1 9 9 8 年开始发展，最初由 h o n e y w e l l 等公司织成的z i g b e ea l l i a n c e 所主导，潜重于低功耗、低成本、感应 式网路等功能的发展，并于2 0 0 1 年自i e e e 提案，将z i g b e e 技术纳入 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准规范中，自此，z i g b e e 逐渐成为产业共同的短距离无线通讯技 术之一。2 0 0 4 年1 2 届1 4 强，z i g b e e 联登公布了第一个z i g b e e 技术褒范。 表2 1z i g b e e 基本规格 频段垒球懿2 ，4 g h zi s m 簇鞭、敢测静8 6 8 m h z 颤段，班袋薨蓬熬9 1 5 m h z 频段 连接数支援主从式或点对点方式运作，同时摄多可2 5 5 个装鬣连接 直列展频技术d s s s ：支援低延避感应设备 接取方式 十内建载波帧听多工存取碰撞避免调节机制( c s m a c a ) 夺霹态建鼓分配 网路架构s 1 a r 、m e s h 、h y b r i d 串2 4 g h z 频段最高2 5 0 k b p s 信输速率g 9 1 5 ；l h z 频段最高4 0 k b p s o ： 8 6 8 m h z 频段虽高2 0 k b p s 传输躐褰3 0 公足( 壤耗电量之不霜，可挺秀至1 0 0 公足) 在2 4 g h z 的i s m 频段，可使用的通道数为1 6 个：在9 1 5 m h z 的i s m 频段， 町使用频道数 霹使用的避递数为l 。佩；在欧洲的8 6 8 x 1 h z 频段，可使用的通道数为1 个 z i g b e e 静基本规格如裘2 i 掰示。就基本规格丽言，z i g b e e 的接取方式采 用戡序展频( d i r e c ts e q u e n c es p r e 嬲s p e c t r u m ) 技术，可使用的频段有三个，分 澍逶2 。4 g h z 靛i s m 频段、敢澜的8 6 8 m | z 频段淤及美国静9 1 5 m h z 频莰，丽不 同的频段可使用的通道分别是1 6 、1 0 、1 个。 压g b e e 鹣传竣速率分予2 0 k b p s - 2 5 0 k b p s 之滴，搬据掰毽蔫豹频段不间蔼有所 差昴。并随着传输距离的延长而减慢，例如：发射功率在l m w 的2 4 g h z z i g b e e 产赫，在l o 寒懿躐离痰冒这2 5 0 k b p s 懿转输速率，若转输距离延长至2 0 米，曩孽 速度降至3 0 k b p s ，但提高发射功率后又可达到1 0 0 米的传输距离，而且传输速 率达裂每秒2 5 0 k b p s 。 篱1 2 委 浙江大学工学硕士学位论文 3 .其它无线技术 射频( r f ) 技术己 很成熟， 它的成本低廉， 穿 透性较好， 但抗干扰能力差， 安 全性差， 最致命的缺陷是它没有统一的标准， 各公司的通信协议都不一样:红外 i r d a技术也比较成熟，但必须直线视距连接，并不适合我们通常意义上的家庭 网络; i e e e 8 0 2 . 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网 标准， 主要用于办公室局 域网和校园网，由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，i e e e小组 又相继推出了i e e e 8 0 2 . 1 i b 和 i e e e 8 0 2 . 1 i a 两个新标准，但无论是 i e e e 8 0 2 . 1 i b 还是 i e e e 8 0 2 . 1 i a 都是一种高速率传输协议， 用在家居系统上有些大材小用， 更 多地用于办公自 动化无线网络;h o m c r f无线标准是由h o m e r f 工作组开发的， 旨在使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准，但由于 h o m e r f 技术标准没有公开， 仅获得了数十家公司的支持， 并且在抗干扰能力等 方面与其它技术标准相比也存在不少欠缺，导致h o m e r f 技术在市场节节败退， 最终不得不宣布黯然退出无线联网市场的角逐; 作为蓝牙技术的发起人， 爱立信 公司已宣布退出蓝牙技术的研发，使得蓝牙的前景变得不明朗。 2 . 3 本章小结 本章介绍了家庭楼宇自 动化的概念及几种主流的家庭网络标准及总线协议， 分析了家庭自 动化网络的现状以及未来的走势。 上述内容是本文研究课题的相关 背景知识。 从目 前国内外家庭自 动化的发展速度来看， 这个领域前景广阔， 但竞 争也很激烈， 国内不仅需要开发相关产品， 更重要的是遵循统一的标准， 提供各 厂商产品的兼容性。 第 1 3页 浙江大学工学硕士学位论文 第三章 旧设备的结构体系 e i b是e u r o p e a n i n s t a l l a t i o n b u s ( 欧洲安装总线) 的缩写。 e i b是1 9 9 0 年起 源于欧洲的一个现场