（计算机应用技术专业论文）基于osi模型的eib协议栈设计与实现.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i l i i ii iii i i iii ii i 1iii il y 1 7 3 9 517 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 翅i f ：湟日期：叠绍幽 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： i t 期： 懒主 d b 汐血铟脚 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 智能建筑是信息时代的产物，它把以计算机技术和网络技术为核心的信息技术应用在 建筑行业。在楼宇自控领域，e i b 协议以其开放、简单、兼容性强的特点不仅成为了事实 上的欧洲规范，也成为了楼宇自控领域的国际标准之一。e i b 标准定义了一种控制信息传 递和交换的规范，可以方便地实现设备之间的通信。e i b 通信协议遵循o s i 参考模型，并对 o s i 的七层模型进行了合理简化，把会话层和表示层并入应用层，使用简化后的其中五层， 即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。设计与实现一个可移植、可裁剪的e i b 协议栈，避免在不同的楼宇自控系统中重复进行e i b 设备软件开发，是本文主要讨论的内 容。 本文首先介绍了楼宇自控领域的一些主流协议，接着对o s i 参考模型和e i b 标准等进 行了介绍和分析。在本文实现部分，论述了e i b 对象和服务的设计方案，给出了物理层和 数据链路层的服务接口并设计了数据链路层的状态机和链路层数据冲突检测算法c s 姒c a 的程序流程图和部分实现代码。最后，对用c 语言开发出的e i b 协议栈进行测试，测试结 果表明协议栈运行良好，符合e i b 协议规范。本文实现的e i b 协议栈，对设计和开发符合 e i b 标准的智能建筑控制设备产品和系统具有一定的参考价值。 关键词：o s i 参考模型；e i b 协议栈；c s m a c a ：智能建筑 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n gi st h ep r o d u c to ft h ei n f o r m a t i o na g e i ti st h ea p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yb a s e d o nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h ec o n s t r u c t i o n i n d u s t r y b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mi st h ef o u n d a t i o na n dt h ec o r eo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g i nt h e f i e l do fb u i l d i n ga u t o m a t i o n ，e i bn o to n l yb e c a m e saa c t u a le u r o p e a ns t a n d a r db u ta l s ob e c a m e s o n eo ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sb e c a u s eo fi t so p e n , s i m p l ea n dc o m p a t i b l ef e a t u r e e i b s t a n d a r dd e f i n e san o r mo fc o n t r o li n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n de x c h a n g e ，w h i c hc a l le a s i l y r e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e v i c e s e i bp r o t o c o lf o l l o w e do s ir e f e r e n c em o d e l ，a n d i n t e g r a t e dt h es e s s i o nl a y e ra n dp r e s e n t a t i o nl a y e ri n t ot h ea p p l i c a t i o nl a y e r , u s i n gt h es i m p l i f i e d f i v el a y e r sw h i c ha r ep h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e r , n e t w o r kl a y e r ，t r a n s p o r tl a y e ra n d a p p l i c a t i o nl a y e r d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n ga np r o t a b l ea n de a s y - t o - r e d u c ee i bp r o t o c o l s t a c kt oa v o i dt h er e p e a to fe i bd e v i c es o f t w a r ed e v e l o pi nt h ed i s p a r a t eb u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m si st h ef o c u so ft h i sp a p e r t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e ds o m eo ft h em a i n s t r e a mp r o t o c o l si nt h eb u i l d i n ga u t o m a t i o n f i e l d ，a n dt h e ni n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h eo s ir e f e r e n c em o d e la n de i bs t a n d a r d i nt h e i m p l e m e n t a t i o np a r t ，t h ep a p e rt h e nd i s c u s s e dt h ed e s i g no fe i bo b j e c t sa n ds e r v i c e ，g a v et h e s e r v i c ei n t e r f a c eo fp h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e r ，d e s i g n e dt h es t a t em a c h i n eo fd a t al i n k l a y e r ，p r o g r a mf l o wc h a no fc s m a c aa n dp a r to fi m p l e m e n t a t i o nc o d e f i n a l l y ，i tt e s t e dt h ee i b p r o t o c o ls t a c kw h i c hd e v e l o p e db ycp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h e p r o t o c o l s t a c kr u n sw e l la n di si na c c o r d a n c ew i lt h ee i b p r o t o c o l s t a n d a r d t h e i m p l e m e n t a t i o n e de i bp r o t o c o ls t a c ki nt h i sp a p e rh a ss o m ev a l u ef o rd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n g i n t e l l i g e n tb u i l d i n gc o n t r o le q u i p m e n tp r o d u c t st h a tm e e tt h ee i bs t a n d a r d k e yw o r d s ：o s ir e f e r e n c em o d e l ，e i bp r o t o c o ls t a c k ，c s m a c a ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要l a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 本课题研究背景l 1 2 国内外应用与研究现状l 1 2 1 国外应用与研究现状1 1 2 2 国内应用与研究现状一2 1 3 本课题研究的主要内容及意义2 1 3 1 本课题研究的主要内容2 1 3 2 本课题研究意义3 1 4 本章小结4 第二章o s i 参考模型5 2 1o s i 参考模型5 2 2o s i 体系重要概念7 2 3 本章小结8 第三章智能建筑与总线协议9 3 1 智能建筑概述。9 3 1 1 智能建筑的特点9 3 1 2 智能建筑的核心技术l o 3 2 主流总线协议1 0 ：；2 1l o n w o r k s 11 3 2 2c a n 12 ：；2 3b a c n e t 13 ：；2 4c e b u s 11 ； 3 2 5e i b 1 6 3 3 本章小结1 6 第四章e i b 协议栈结构分析1 7 4 1e i b 协议栈的系统结构概述。1 7 4 2e i b 设备地址l8 4 3 物理层18 4 4 数据链路层2 0 4 5 网络层2 2 4 6 传输层2 2 4 7 应用层2 4 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 8 本章小结2 4 第五章协议栈的实现2 5 5 1e i b 协议原理分析2 5 5 1 1e i b 总线单元的节点结构2 5 5 1 2e i b 节点数据发送过程2 6 5 1 3e i b 节点数据接收过程2 6 5 1 4e i b 通信的数据处理办法2 7 5 2 物理层分析及实现2 9 5 2 1 物理层信号格式。2 9 5 2 2 数据链路层物理层接口3 l 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 在传统的常规大楼中，电器设备无法随着环境的变化来相应地改变。每个传感器直接 连接到一个或多个驱动器。一个传感器如开关、亮度传感器、温度计等，它们的驱动器引 发一个命令给灯具、窗帘、供暖系统等命令接收机。这种类型的安装存在许多缺点，比如 不能智能地应用和控制，布线是昂贵和永久的，命令接收器不能接收其它驱动器发送的命 令，诊断设备只能在本地等。 在全球信息化浪潮的推动下，人们对建筑物的安全性、舒适性、便捷性、信息交互能 力以及节能环保能力等提出了更高的要求。智能建筑应运而生，成为建筑发展的一种新趋 势。随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，智能建筑的控制方式和结构也发生了 巨大的变化，先后经历了集中控制模式、d c s 集散控制模式、f c s 现场总线控制模式和网 络集成控制模式。在网络集成控制模式中，使用了控制网络技术。控制网络技术其实是一 种特殊的计算机网络技术。它与一般的信息网络有许多共同点，起源于计算机网络技术， 可是又有不同之处和它独特的地方。目前，控制网络技术在各个领域得到了广泛的应用， 成为了自动化技术发展的热点。为了达到建筑的安全性、经济性、舒适性、应变性等各方 面的不断提高的要求，e i b ，欧洲安装总线( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 技术产生并发展 起来。自从1 9 9 2 年e i b 第一次出现在德国汉诺威交易会以来，楼宇自动化系统发生了巨大 的变化。e i b 技术很快就占据了欧洲楼宇和家庭自动化设备8 0 的市场。经过了十几年的发 展，e i b 已经成为事实上的欧洲标准，并且在世界各地发展起来。 1 2 国内外应用与研究现状 1 2 1 国外应用与研究现状 1 9 8 4 年，世界公认的第一幢智能大厦“城市广场”( c i t yp l a c e ) 在美国哈特福德 ( h a r t f o r d ) 市建成，该智能建筑装备了先进的通信系统、办公自动化系统、自动监控系 统和建筑设备管理系统，以其全新的设计与服务成为了智能建筑跨时代的罩程碑。紧接着， 智能大厦在西欧、日本及世界各地蓬勃发展起来。进入2 0 世纪9 0 年代后，世界各国开始实 施信息高速公路，智能建筑作为信息高速公路的“节点”而备受重视。截止2 0 世纪未，美 国的智能大厦已经超万幢，新建和改造的办公楼7 0 以上都是智能建筑。目前，韩国8 0 以 上的高档住宅区已经装上了智能家居系统。据不完全统计，美国装上智能家居系统的家庭 已经达到几十万户。日本目前新建的建筑设备8 0 以上将智能化，其中许多大城市建设了 “智能化街区”、“智能化群楼”或“智能化城市”，横滨也将建成“2 1 世纪国际化信息 城”。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 9 9 0 年，德国7 家著名的电气产品制造商组成联盟，制定了e i b 技术标准并成立了非 商业性组织e i 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 ，欧洲安装总线协会) 。该组 织是中立的。e i b a 协会的成立极大地推动了e i b 标准的发展。e i b a 协会作为e i b 的管理 机构，目前拥有包括s i e m e n s ，a b b 等著名电气集团在内的近3 0 0 家会员厂商，占据着欧洲 楼宇自动化8 0 的市场【1 1 。按照开放的e i b 标准生产出的能够相互兼容和交互操作的各种元 器件产品品种多达4 0 0 0 余种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。从2 0 世纪8 0 年代开始，霍尼韦尔、江森自控、西门子楼宇科技三家公司一直是楼宇自控化行业内的国 际“三巨头 ，占据着世界领先的地位【2 】。 1 2 2 国内应用与研究现状 国内智能建筑的建设始于1 9 9 0 年，北京的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形。在本 世纪初期，我国的智能建筑只有一些智能功能如消防自控，其它方面的设备基本没有自控。 随着数字城市的发展，促使我国智能建筑的市场迅速发展。全国各大城市如上海、天津、 广州、深圳等已全面进入智能建筑建设的新高潮。2 0 0 4 年，中国建筑业协会智能建筑专业 委员会成立。近几年我国建筑的智能化水平取得长足的发展，落成的智能建筑很多都具有 较完善的建筑设备自动化( b a ) 、通讯自动化( c a ) 和办公自动化( o a ) 系统。2 0 0 8 年，北京奥 运会的开幕也见证了我国智能建筑的发展，奥运会主体育场“鸟巢”和主游泳馆“水立方 就是智能建筑与绿色建筑的完美结合。2 0 1 0 年上海世博会尚未开幕，一座座造型新颖、精 彩纷呈的临时展馆已经让国内许多省市“怦然心动，这些临时展馆都是高度智能化的节 能建筑。在智能建筑的领域中，我国虽然起步稍晚于西方发达国家，但是经过我国建筑人 士的不断努力，与国外的差距正在不断缩小，每年全国智能化住宅小区的开发面积均在数 亿平方米，已成为建筑行业中甚至国民经济中的一个新的增长点。 e i b 于1 9 9 9 年进入中国。2 0 0 0 年8 月投入运行的厦门国际会展中心是e i b 在国内的首次 成功应用。在短短的几年时间内，e i b 以其优越的质量和性能获得了很大的成功。国内的 大连国贸中心、北京朝阳区体育馆、浙江人民大会堂、上海新国际博览中心等都是它的成 功应用案例【3 】。2 0 0 9 年5 月，卓灵科技( 中国) 有限公司收购了德国汉森跨国公司的e i b 核心 技术协议，结束了该技术多年来一直被莫顿、威琅、西门子、汉森、a b b 等国际行业巨头 的控制与垄断，填补了亚洲在该领域的空白。卓灵科技( 中国) 有限公司收购了汉森的e t b 后，设备生产、技术转让、产品代码以及1 3 个子项目的整套生产操作系统全部归属于中国， 使我国民族工业掌握了这一行业的核心技术，将带动国内一大批智能行业人爿队伍的快速 成长和发展，同时大大促进了中国普及智能生活的进程。 1 3 本课题研究的主要内容及意义 1 - 3 1 本课题研究的主要内容 e i b 协议栈是e i b 协议的软件实现。作为一个软件模块，e i b 协议栈用于特定的操作 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 系统中。e i b 设备装载了e i b 协议栈模块后，该设备就拥有了对e i b 报文的处理能力。 e i b 控制设备的软件结构如图1 1 所示。 e i b 控制设备 图1 1e i b 控制设备的软件结构图 从图1 1 中可以看到，一个e i b 控制设备的软件模块分为三部分：应用程序、e i b 协 议栈和操作系统。应用程序根据不同的设备需求实现不同的功能；e i b 协议栈负责对e i b 报文通信传输和处理；而操作系统负责内存管理、进程调度、中断等与硬件设备的交互过 程。由于e i b 协议栈良好的灵活性，它不一定要实现全部五层的功能，可以根据具体情况 调整，有时只实现底下两层就可以很好地应用于智能系统中。 本课题所做的主要工作是：基于o s i 参考模型的e i b 协议栈的开发。具体所做工作如 下： ( 1 ) 反复研读了e i b 协议标准，熟练掌握了o s i 参考对象模型，深入理解了e i b 协 议的体系结构，并熟练掌握了e i b 对象模型，报文传输和网络规范等。 ( 2 ) 规划和设计了e i b 协议栈。首先规划了e i b 协议栈的整体设计，接着对协议栈 的各层进行了分析和设计。e i b 协议栈分为五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层 和应用层。 ( 3 ) 本文对e i b 协议栈的物理层和数据链路层状态机和服务接口进行了设计和实现， 并采用标准c 语言实现了这两层的协议栈代码。数据链路层是e i b 协议栈中的重点和复杂 部分，本文中设计了数据链路层中c s m a c a 算法流程，并给出了代码。最后对协议栈进行 了测试。 1 3 2 本课题研究意义 经过二十多年的发展，智能建筑已经在欧洲和西方国家发展得相当成熟，而我国在智 能建筑的发展则晚于西方国家，虽然智能建筑和e i b 应用在国内发展迅速，但是还是与西 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 方国家存在不小的距离。国内许多大型的e i b 工程几乎都是采用国外的e i b 产品。在卓灵 科技( 中国) 有限公司收购了汉森的e i b 后，相信我国很快就会开发出符合e i b 标准的智能 建筑控制设备产品并形成相关产业。e i b 协议栈作为楼宇自动化控制设备的核心软件模块， 是控制设备识别e i b 协议报文的基础。因此，开发一个可裁剪并易于移植的e i b 协议栈是 开发e i b 控制设备的基础，这对我国开发出自己的e i b 产品并形成相关产业具有一定的推 进作用。 1 4 本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景以及它在国内外的应用与发展现状，接着介绍了本 文的主要内容以及研究该课题的意义。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 1o s i 参考模型 第二章o si 参考模型 i t 技术的发展使得网络交换信息越来越频繁，许多计算机生产厂商纷纷开发出了各自 的网络通信协议和通信体系结构。2 0 世纪7 0 年代中期，由于各自的网络体系机构不同，一 个公司的计算机很难与另一个公司的计算机通信。在2 0 世纪7 0 年代后期，i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 即国际标准化组织创建了o s i 参 考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) ，希望不同供应商的网络可以互相协调工作，以 便在更大范围内建立计算机网络【4 】。 o s i 参考模型具有以下主要优点： 帮助用户从整体上了解网络的结构。 可以帮助用户了解硬件和软件怎样交互工作。 通过把整个网络分成许多管理片段使故障排除更容易。 定义了条款，网络专业人员可以用它来比较不同网络之间基本功能的关系。 帮助用户理解新技术，就如同他们自己开发的一样。 便于供应商的网络协调工作。 主机b 传输层主机一路由器协议 图2 1o s i 参考模型体系结构 o s i 参考模型如图2 1 所示，把网络从逻辑上分为7 层，即物理层、数据链路层、网络 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中下面四层提供数据传输服务，而上面的三层 提供末端用户的服务，每一层直接为上层提供服务，所以层次互相支持。这样，可以自上 而下( 在发送端) 或自下而上( 在接收端) 双向进行网络通信。并非所有的通信都必须经 过o s i 的全部七层，有的甚至只需要经过双方对应的某一层。双方的通信是在对等的层次 间进行的。 。 下面介绍一下o s i 模型各层的主要功能以及其相应的o s i 标准。 ( 1 ) 应用层 应用层是o s i 体系结构中的最高层，也是最靠近用户的一层。为了满足用户的需要，应 用层确定进程之间通信的性质，为用户的应用程序提供服务，如信息交换和远程操作等。 该层同时还作为互相左右的应用程序的用户代理，识别和证实目的通信方的可用性，建立 传输错误纠正和数据完整性控制协定，使协同工作的应用程序进行同步。应用进程利用应 用实体、应用协议和表示服务进行信息交换。 ( 2 ) 表示层 表示层的主要作用有进行加密和解密以保障信息安全，通过压缩或膨胀信息使其在网 络上更有效地传输，以及用o s i 内部传送语法来表示从用户处得到的语法，也就是为不同 的机器提供统一的语言使之可以通信。 ( 3 ) 会话层 会话层提供的主要服务包括管理对话控制和同步。会话层为应用实体间建立连接并维 持连接。当两个应用程序相互通信时，会话层协调它们之间的数据流，使它们能够专注于 信息交换。当应用程序通信失效时，会话层使用校验点可使通信会话从校验点恢复通信f 5 1 。 ( 4 ) 传输层 传输层的主要任务就是负责两个应用进程之间的通信。传输层传输数据报文，当报文 长度过长时，先把它分割成几个分组再交给网络层传输。 传输层的主要i s o 标准有i s 0 8 0 7 2 ( 传输服务定义) 、i s 0 8 0 7 3 ( 面向连接的传输协议 和i s 0 8 8 6 0 2 ( 无连接模式传输协议) 【6 】。 ( 5 ) 网络层 网络层主要规划数据在网络中传输的最佳路径，也就是通过路由协议计算出最佳的方 式到达每一个不同的网络上的其他网络标准( 如用最少的路由器路径) 。网络层提供了一 个终端对终端的逻辑处理系统，使一个数据包可以在多个层的两个网络中路由。另外，该 层也负责为分组交换网上的不同主机提供通信，数据传输单位为包或分组。网络层的主要 功能还包括差错检测与恢复、排序、流量控制、服务选择和网络管理等。 网络层的主要i s o 标准包括i s 0 1 0 0 2 8 、i s 0 8 8 7 8 、i s 0 8 6 4 8 、i s 0 8 4 7 3 、i s 0 8 3 4 8 和i s 0 8 2 0 8 垄誊【7 】 可o ( 6 ) 数据链路层 数据链路层的任务是在发送数据时把网络层传下来的包组装成帧。在每一帧里包含数 据信息和控制信息。通过控制信息，数据链路层可以使接收端知道每帧从哪个比特开始和 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 到哪个比特结束并且检测到所接收帧中有无差错，具有错误检测能力。数据链路层提供物 理地址使得设备的信息能够传送到网络中。 ( 7 ) 物理层 物理层是整个o s i 系统的基础。物理层的功能就是在通信线路上透明地进行比特流的 传输。它为数据端设备提供传送数据的通路并形成适合数据传输所需要的实体，为数据传 输服务。物理层提供了传送需要的足够带宽，保证了数据正确地通过。同时，o s i 模型的 物理层定义了连接器和接口规范，以及介质( 电缆) 的要求等。 物理层的主要i s o 标准有i s 0 2 11 0 、i s 0 2 5 9 3 和i s 0 4 0 9 2 等婵j 。 o s i 的七层协议体系结构虽然概念清楚，体系结构理论较完整，但是复杂又不实用， 现在流行的o s i 体系中已经不使用它的表示层和会话层了。e i b 协议就是采用了o s i 模型的 五层体系结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。 2 2o s i 体系重要概念 实体：实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。许多情况下，实体就是一 个特定的软件模块。 协议：协议是通信双方为了实现通信而设计的约定或通话规则。在协议控制下， 两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 服务：服务由下层向上层通过层间接口提供。本层的服务用户只能看见服务而无法看 见下面的协议。上层和下层交换一些命令，这些命令在o s i 中称为服务原语。上层通过服 务原语来通知下层要做什么，下层则通过服务原语来通知上层已经做了什么。 服务访问点：服务访问点就是在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方p j 。 原语：服务用户与服务提供者之间交互一些必要的信息，就是通过服务原语。原语是 提供服务的唯一途径，使用服务原语保持了层与层之间的独立完整性。o s i 模型规定了每 层可使用的四种服务原语类型，即请求原语( r e q u e s t ) 、指示原语( i n d i c a t i o n ) 、响应原 语( r e s p o n s e ) 和证实原语( c o n f i r m ) 【l o j 。 以下介绍一下这些概念之间的关系。 ( n 图2 2o s l 服务模型 图2 2 表示了相邻两层之间的关系，图中( n - 1 ) 服务提供者就是( n - 1 ) 实体，( n - 1 ) 服务 用户就是( n ) 实体。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 一 ( n - 1 ) s a p _ 图2 3 实体与s a p 关系图 图2 3 表示了实体与服务访问点( s a p ) 之间的关系。不管任何时刻，( n - 1 ) s a p 上的 ( n 一1 ) 服务最多只能为一个( n ) 实体使用，而一个( n ) 实体可以连到一个以上的( n ) s a p 上。 服务 介 7 介 t u u 介6 爬 uu 一，爪日 介 5 介 - - 一- 一一一一一一一 义 4 苌 一 只3 # 一一- - - 一- 一一 再 2 u u l u 一一- - - 一- - - 服务 图2 4 协议与服务 从图2 4 中可以分析出协议与服务的区别与联系：协议是控制对等实体之间通信的规 则，是水平传递的。服务是上下层的通信接口，是垂直传递的。区别在于：( n ) 服务原语 包装在( n ) 协议数据中，由( n ) 层实体发送到对等实体。而协议数据又是由( n + i ) 实体通过 ( n ) 服务交给( n ) 实体来传输。另外，( n ) 服务用户只能看见( n ) 服务而无法看见( n ) 协议【】。 2 3 本章小结 本章首先介绍了o s i 参考模型产生的由来，整个模型各层的主要功能以及相应的o s i 标准。另外，介绍了o s i 体系中的一些重要概念并通过图示介绍了它们之间的关系。本章 是学习和设计e i b 协议栈的基础。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 3 1 智能建筑概述 第三章智能建筑与总线协议 现代电子信息技术的发展使得智能建筑成为建筑发展的一种新趋势。智能建筑可以定 义为一种支持整个建筑物信息流，提供先进的自动化服务和电话服务，可以用最佳集成的 方法在本地或远程进行自动控制、监控管理和保持楼宇的不同子系统和服务，并且用简单、 经济的方式设计使其可以灵活地适应未来变化的建筑。智能建筑的重要标志是智能化集成 系统，即建筑物集成了建筑设备自动化系统、办公自动化系统和通讯自动化系统，是原来 建筑物中的弱电系统质的飞跃。智能建筑是采用现代计算机、信息通信和系统集成技术 建立的建筑信息化平台，它通过大楼网络将电器设备和系统互联并统一管理，提供了 一个舒适、便利、安全、节能和环保的建筑环境【l2 1 。智能建筑已经成为当今世界各类 建筑特别是大型建筑的主流。一个国家拥有智能建筑的数量，以及这些建筑的智能化程度 高低，可以反映出其国民经济的综合实力。 智能建筑主要分为两大类。一类是以公共建筑为主的智能大厦，如写字楼、商场、商 业大楼、学校等，另一类则是以住宅为主的智能化住宅小区。智能楼宇作为智能建筑的重 要组成部分，它主要包括以下系统：楼宇自动化系统、照明控制系统、消防报警系统、安 全系统、电话系统、暖通系统、电梯系统等。在智能广场和智能小区实现后，也将出现以 信息化为特征的智能化城市。 3 1 1 智能建筑的特点 与传统建筑相比较，智能建筑具有以下几方面特点。 1 ) 系统高度集成 从技术角度看，智能建筑最大的特点就是智能建筑中的各智能化系统都是高度集成 的。所谓智能建筑的系统集成是指以搭建建筑主体内的建筑智能化管理系统为目的， 利用综合布线技术、楼字自控技术、通信技术、网络互联技术、多媒体应用技术、安 全防范技术等将相关设备、软件进行集成设计、安装调试、界面定制开发和应用支持 以实现资源、信息和任务的重组与共享。因为有了集成化的建筑智能化系统，智能建筑节 能、安全、舒适、便利等特点才得以实现。 2 ) 节能 现代化大型建筑中，空调和照明系统消耗能源很大。智能建筑可以提高室内温湿度控 制精度，自动调节新风量来保证室内空气的新鲜度；也可以事先确定程序，区分工作时间 与非工作时间把机电设备实行最佳启停控制；可以通过科学合理的空调系统节能控制算法 来达到温度环境的自动控制以最大地节约能源；可以运用楼宇自控系统的节能控制模式和 算法，动态调整设备运行，有效地克服暖通设备容量和动力冗余而造成的能源浪费；可以 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 开发和建立能源管理软件实现能耗跟踪、节能的本地和远程控制等。智能建筑具有很大的 经济性。 3 ) 安全、舒适、便利 首先，智能建筑确保人、财、物的高度安全并且具有对灾害和突发事件的快速反应能 力。其次，智能建筑提供室内适宜的温湿度和新风量以及灯光、多媒体系统、换气系统和 公共环境背景音乐等，大大地提高人们的学习、工作和生活质量。另外，通过建筑内外四 通八达的计算机局域网、因特网以及各种电器设备等现代通信手段和各种网络办公自动化 系统，只要轻触指尖或通过语音，就可以控制整栋大楼内的各种设备，为人们提供一个高 效便捷的学习、工作和生活环境。 4 ) 节省运行维护的人工费用 智能化系统的智能管理功能可以减低机电设备的维护成本。由于智能系统的高度集 成，智能建筑的操作与管理也高度集中，如此人员安排就更合理，可以大大降低其人工管 理成本。 3 1 2 智能建筑的核心技术 相对于传统建筑，智能建筑主要采用了现代计算机技术、现代通信技术和现代控制技 术等高新技术。这些技术的核心就是现代信息技术。智能建筑中用到的现代计算机技术包 括微处理器技术、软件技术、多媒体技术和信息安全技术等。智能化装置中都使用了微处 理器。面向对象技术、b s 、c s 等软件技术也广泛使用在智能建筑的控制系统中。在智 能建筑中，越来越多地采用了非线性控制、智能控制、自适应控制、模糊控制、分布式控 制、现场总线控制以及神经网络控制等技术。 3 2 主流总线协议 早期的楼宇自动化系统采用集中控制方式。2 0 世纪8 0 年代，为了在现场自控设备间 进行数据通信，开发了现场总线技术。总线技术的出现从根本上改变了家电和楼字控制的 格局，也代表未来领域的发展方向。现场总线技术具有开放性、可互操作性、设备的智能 化与功能自治性、对现场环境的适应性和系统结构的高度分散性等特点。随着自动化技术 的发展，现场总线技术也有了长足的发展，各式各样的现场总线种类繁多并且有不同的行 业和地区标准。楼宇自动化领域中目前存在众多网络协议共存的现象，在一定程度上制约 了家庭网络的推广，但由于关乎丌发商的利益等历史原因，多种协议共存的格局必定还会 存在比较长的时间。目前，在智能建筑领域，国际上已经存在几种发展比较成熟的总线协 议标准。比如，最初应用于工业控制领域的l o n w o r k s 总线协议和c a n 总线协议；智能建 筑领域的b a c n e t 总线协议和c e b u s 总线协议等。熟悉了这些总线协议，对于e i b 协议栈 的开发具有相当大的借鉴作用。 下面对这些应用比较广泛的总线协议的技术和应用进行简单介绍。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 3 2 1l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司开发的商业性网络技术标准，它是实时测控网络技术， 其最大优点是其完全的开放性、高可靠性和低成本。l o n w o r k s 几乎可以应用于控制系统的 所有的平台中。l o n t a l k 协议对o s i 参考模型全部7 层进行了完整实现。l o n w o r k s 技术2 0 世 纪9 0 年代初在美国推出后就引起轰动，并立刻得到了楼宇自动化行业供货商的响应。随后， l o n w o r k s 技术的系统集成商和用户队伍迅速扩大，据称目前已经有2 6 0 0 多家公司在不同程 度上卷入l o n w o r k s 技术，有1 0 0 0 多家公司推出了l o n w o r k s 产品并组织成立了l o n w o r k s 协会 来开发和推广l o n w o r k s 技术和产品。l o n w o r k s 技术被广泛地应用于工业控制、交通运输、 楼宇自动化、家庭自动化、安防系统和办公自动化等领域。随着智能建筑的迅猛发展， l o n w o r k s 技术的最大应用领域逐渐转向了楼宇自动化控制。据l o n w o r k s 国际组织日前不完 全统计，超过8 0 的l o n w o r k s 技术被应用在了楼宇自控行业。l o n w o r k s 技术目前已经成为 小区智能化系统的基本规范。1 9 9 9 年，电子工业协会( e i a ) 的集成家用系统( i h s ) 技术委员 也建立了一个基于l o n w o r k s 技术的全新家用控制网络标准e i a t 0 9 ，此外，l o n w o r k s 还被 i e e e 、a n s i 、i f s f 、a s h r a e 、c e n 、s e m i 和a a r 等国际组织吸纳为标准。在国内，早在 1 9 9 5 年北京建工学院、北京工业大学就联合二次开发了l o n w o r k s 技术楼宇智能化系统应用 开发平台。l o n w o r k s 控制技术正式被中国商业楼宇和住宅建设的国家标准采纳。当前，我 国已经具有大型l o n w o r k s 控制网络的组网能力和集成能力。我国的l o n w o r k s 技术经过了在 市场竞争中的不断考验，其开发应用逐渐形成了具有若干自己特色的技术体系。 l o n t a l k 协议支持网络采用双绞线、电力线、无线电频率、红外线、同轴电缆和光纤 网络等不同的媒介。迄今为止，l o n t a l k 的大多数媒介都采用电力线和双绞线。所有的总 线线路互连传感器和执行器，总线上的每个设备称为一个节点。一条总线线路被称为一个 信道，可以相互利用桥和路由器把多个信道连成域。完整的网络就是一个域，其上最多允 许有3 2 0 0 0 个节点。l o n w o r k s 控制网络由一个共同协议的两个或多个节点通过一个或多个 媒介通信组成。l o n w o r k s 节点相互通信是通过l o n t a l k 协议在固件( 神经元芯片) 中实现 的。 l o n w o r k s 技术由以下三个核心部分组成。 ( 1 ) n e u r o n 神经元芯片 n e u r o n 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。n e u r o n c 语言是一种n e u r o n 神经元芯片用来开发应用程序的编程c 语言，该语言是派生于a n s ic 并增加了l o n w o r k s 技术特有的功能【l3 1 。在n e u r o nc 语言中，所有i o 功能可以简单地选 择所需的i o 对象和申称为i o 引脚使用的对象。为了加快数据包的通信，n e u r o nc 包含 特殊的网络变量。该通信协议编程是基于固件的，应用程序中不需要包含这些特殊的代码。 消息可以自动输出到网络中的应用程序并分配一个值给输出的网络变量。 ( 2 ) l o n t a l k 协议 l o n t a l k 协议是一个以数据包为基础的对等的分层通信协议。它遵循开放系统互连 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( o s i ) 参考模型中的全部七层服务。l o n t a l k 协议使用c s m a 算法来处理网络中的报文冲 突。它建立在c s m a 基础之上，提供介质访问协议，可以根据预测的网络业务量发送优先 级报文并且动态地调整时间槽的数目。l o n t a l k 协议的核心是其网络管理服务。每个内置 的l o n w o r k s 节点都支持网络管理服务。因此，每个节点不论位置都能从已经执行网络管 理服务功能的引脚处作出响应。l o n t a l k 协议的应用层协议称为网络变量，l o n t a l k 协议 体现网络变量( n v ) 的革新观念。n v 大大简化了l o n w o r k s 应用程序的设计工作，也方便 了以信息为基础而非以指令为基础的控制系统的设计。当l o n t a l k 固件收到其应用程序所 需的输入n v 更新数值时，就把它放在特定的存储单元中。应用程序知道在此单元总是能 够找到最新数据【1 4 1 。 l o n t a l k 协议可以从事的多种服务提高了安全性