（检测技术与自动化装置专业论文）复合网络及其在智能家居环境控制中的应用.pdf

摘要 摘要 随着科技的发展、人民生活水平的提高，人们对家居环境提出了越来越严 格的要求，舒适、自然、安全、健康、高效、方便已逐渐成为现代家居设计的 发展趋势。现在，家居环境的设计重心逐渐转向以人为本，以人的生活方式为 中心，智能家居( s m a r th o m e ) 控制系统就是为了适应这种人性化、智能化的需 求而提出的。 为了实现一个智能、安全、高效的智能家居控制系统，本文主要完成了以 下工作： 7 1 搭建了一个基于电话网( p s t n ) 、i n t e r n e t 互联网、全球移动通信网( g s m ) 以及家庭内部局域网等的复合型网络的智能家居控制平台。 2 设计了用于智能家居控制系统的各种终端控制模块，定义了一套用于本 系统的软件通信协议。 3 设计了基于x p l ( e x t r e m e l ys i m p l ep r o t o c 0 1 ) 协议的电话远程控制子 系统；基于m c 3 5 硬件平台的s m s ( s h o r tm e s s a g es y s t e m ) 远程遥控与报警子 系统；基于各种红外探测器的入侵检测子系统；以及远程监控和电器控制子系 统。 4 编制了基于以上各个子系统的智能家居控制系统软件。 关键词：智能家居，复合网络，终端，x p l ，控制系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h eg r o w t hi np e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，p e o p l eb r i n gf o r w a r di n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tr e q u i r e m e n t st ot h e i n h a b i t e de n v i r o n m e n t c o m f o r t ，n a t u r e ，s a f e t y , h e a l t h ，e f f i c i e n c ya n df a c i l i t yb e c o m ea m o d e r nt r e n di nt h ed e v e l o p m e n to f h o m ed e s i g n n o w , t h ef o c u so f h o m ed e s i g nh a s b e e ng r a d u a l l ys h i f t e dt op e o p t eo r i e n t e da n dc e n t e r e do nt h el i f e s t y l eo f p e o p l e s m a r t h o m ec o n t r o ls y s t e mi st oa d a p tt ot h i sh u m a n i z a t i o na n di n t e l l i g e n td e m a n d t oa c h i e v eas m a r t ，s a f ea n de f f i c i e n ts m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m ，t h em a i nw o r k i ss h o w na sf o l l o w s ： 1 s e tu pap l a t f o r mf o rt h ec o m p o u n dn e t w o r ks m a r th o m ec o n t r o ls y s t e mw h i c h b a s e do np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ( p s t n ) ，i n t e m e t ，a n dg l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( g s m ) a n dh o m el a n 2 d e s i g nv a r i o u st e r m i n a lc o n t r o lm o d u l e sf o rs m a r th o m ec o n t r o ls y s t e ma n d d e f i n eas o f t w a r ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rt h es y s t e m 3 d e s i g nt e l e p h o n er e m o t ec o n t r o ls u b s y s t e mb a s e do nt h ex p l ( e x t r e m e l y s i m p l ep r o t o c 0 1 ) ，s h o r tm e s s a g es y s t e mr e m o t ec o n t r o la n da l a r ms u b s y s t e mb a s e d o nm c 3 5h a r d w a r ep l a t f o r m ，i n t r u s i o nd e t e c t i o ns u b s y s t e mb a s e do ni n f r a r e d d e t e c t o r s ，r e m o t em o n i t o rs u b s y s t e ma n de l e c t r i c a lc o n t r o ls u b s y s t e m 4 p r o g r a ms m a r th o m ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r eb a s e do nt h ea b o v es u b s y s t e m s k e ，w o r d s ：s m a r th o m e ，c o m p o u n dn e t w o r k ，t e r m i n a l ，x p l ，c o n t r o ls y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：引撩 二伊一7 年多月户日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 z 口口1 年多月口日 签名：鳜始渔 第1 章引言 第1 章引言 1 1 本课题的研究背景 随着科技的发展、人民生活水平的提高，人们对家居环境提出了越来越严 格的要求，舒适、自然、安全、健康、高效、方便已逐渐成为现代家居设计中 的发展趋势。现在，家居环境的设计重心逐渐转向以人为本，以人的生活方式 为中心，智能家居( s m a r th o m e ) 系统就是为了适应这种人性化、智能化的需求 而提出的；同时，智能家居也是i t 技术( 特别是计算机技术) 、网络技术、控 制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。 1 2 本课题的研究内容与目标 智能家居是以家为平台，兼备自动化、智能化的高效、舒适、安全、便利 的家居环境。智能家居是一个典型的集计算机、通讯和消费于一体的3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) 系统，家居网络是整个世界巨型 网络的未端，俗称是该网络的“最后l o o m ”。” 一个具有人性化、智能化和集成化的智能家居控制系统需要将信息家电、 家庭的安防设备、家居的自动化等和特定的网络进行有机的结合，例如：电话 网( p s t n ) 、i n t e r n e t 互联网、全球移动通信网( g s m ) 以及电力网等。本课题的研 究目标是设计一个基于互联网、g s m 、电话网以及家庭内部局域网等网络的智能 家居系统。其中，互联网用于实现对智能家居系统的实时监控、网页远程遥控； g s n t 网络用于入侵报警、远程监控和短信遥控；电话网用于电话遥控、录音；家 庭内部局域网用于系统与各控制终端之间的通信。 本文研究的智能家居控制系统主要包括以下子系统： 1 电话远程遥控子系统：通过电话网对智能家居系统实现远程控制以及电 话留言等； 2 s m s ( 短信息) 控制系统：通过g s m 网络利用手机短信息对智能家居系 统实现远程控制、状态查询以及入侵报警等； 3 远程监控子系统：通过g p r s 网络以及i n t e r n e t 网络实现远程监控、录 像等； 第l 章引言 4 入侵检测子系统：通过红外探测器来侦钡f j # l - 来的入侵并及时地反馈到智 能家居控制中心： 5 家用电器控制子系统：实现对白色家电和其它设备的控制、调节和监测。 1 3 本课题的研究意义 智能家居控制系统可以便利人们的生活、提高人们的生活质量，除此之外 还有如下意义： 1 家庭安防系统能够保障我们的生活安全； 2 智能照明系统、家庭智能化集成系统、家庭通讯系统、家庭自动化控制 系统等等可以令我们的生活变得更加节能、更加简单、更加方便； 3 家庭娱乐系统、家庭智能化产品等可以令我们的生活质量大大提高，更 加舒适的享受智能的生活。 1 4 本文的内容安排 本论文的内容安排如下： 第一章介绍本课题研究背景、研究内容、研究意义。 第二章系统的方案分析。介绍了用于智能家居的现有相关标准、规范以 及控制方案，给出了本文设计的智能家居控制系统的结构以及控制方案。 第三章终端模块的设计。介绍了控制系统的终端模块的功能与组成，并 详细介绍了终端模块的各个组成部分的硬件设计和功能。给出了终端模块的软 件处理流程以及用于本系统的一套软件通信协议。 第四章控制系统的设计。首先分别介绍了智能家居控制系统的各个子系 统的功能、具体实现与特点，然后重点分析和介绍了核心控制系统的功能以及 控制系统软件系统的设计。 第五章结论与展望。总结了本文并给出了本系统进一步改进和完善的方 向。 2 第2 章方案分析 第2 章方案分析 2 1 现有的相关标准与规范 国外智能家居网络的概念始于2 0 世纪7 0 年代。开始时各公司纷纷自定标 准，不同公司的产品互不兼容，导致市场的开拓和技术的进步极为缓慢。近年 来，遵循统一的标准已经成为业内的共识。目前，国际上在智能家居和家庭网 络中占主导地位的标准有：美国的x l o 和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 ) 、 欧洲的e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 、日本的h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) 。 其它相关的技术规范还有：b a t i b u s 、b l u e t o o t h 、e h s ( e u r o p e a nh o m es y s t e m ) 、 h a v i ( h o m ea u d i ov i s u a li n t e r o p e r a b i l i t y ) 、h o m ea p i ( h o m ea p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e s ) 、h o m ep n a ( h o m ep h o n e l i n en e t w o r ka l l i a n c e ) 、h o m e r f ( h o m er a d i of r e q u e n c y ) 、j i n i 、k o n n e x 、l o n w o r k s 、o s g i ( o p e ns e r v i c e g a t e w a yi n i t i a t i r e ) 、u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 、v e g a ( v i d e o e l e c t r o n i c ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ) 、z i g b e e 、z - w a v e 等。虽然这些标准和 规范各有侧重，但大部分主要是围绕家庭内部组网和设备互联互通、互操作行 及其即插即用等方面的。 0 2 1 1x 1 0 x l o 是最早用于家庭自动化的协议之一，即国际通用的智能家居电力载波协 议。它是以5 0 h z 或( 6 0 h z ) 为载波，再以1 2 0 k t t z 的脉冲为调变波发展出来的 数位控制技术，并采用电力线为媒介对电子设备进行远程控制的通讯协议。x l o 的兼容产品可以通过电力线互相通讯，不需要重新铺设控制线路，电力线在提 供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。 1 编码方案 x l o 用交流电源线上频率为1 2 0 k l t z 、持续时间为l m s 的脉冲的“有”和“无” 来表示二进制的“1 ”和“0 ”。在许多应用中，脉冲持续的时间的长度并不要求 很精确。与每一位二进制数所对应的脉冲要连续发送3 次，每次都是在交流电 的过零点处。此外，在实际的应用中采用增加冗余的方法来提高可靠性，用“1 0 ” 组合来表示“1 ”，用“0 1 ”组合来表示“0 ”。 3 第2 章方案分析 二进制“1 ” 图2 1x l o 对“1 ”和“0 ”的编码 2 编址方案 x l o 控制协议包含一个简单的编址方案，网络中最多可以容纳的设备数是 2 5 6 个，也就是用8 位二进制数来进行编址，这8 位的地址被划分为两段，每段 各4 位，用其中的4 位将整个地址空间划分为1 6 组，称为“家庭码”( h o u s ec o d e ) ， 其余的4 位可以用来表示1 6 个个体地址，称为“单元码”( u n i tc o d e ) 。 3 命令格式 x l o 协议规定每条控制命令( 图2 2 所示) 长度为1 1 位，也就是2 2 个交流 电载波的“半周期”，并且每条命令都必须连续发送两遍。每个命令都由头部和 正文两部分组成，每个合法的命令都以标志码“1 1 1 0 ”开头，正文包含4 位的 家庭码和5 位的单元功能复合码两个部分。正文部分的每个二进制数用2 个数 位表示，即该二进制数本身( 如d 8 ) 和其反码( d 8 ) ，也即用“1 0 ”组合表示 二进制数“1 ”，用“0 1 ”组合表示二进制数“0 ”。除了“d i m ”、“b r i g h t ”和“e x t e n d e d d a t a ”命令之外，其它每发送一条命令之后，都要等待三个周期才能接着发送 下一条命令。e x t e n d e dd a t a 命令之后的数据必须紧跟在该命令之后。所有的数 据都必须遵从“二进制数本身反码”这一规则，唯一的例外就是每个命令头部 的起始标志码“1 1 1 0 ”。 l 1 1 1 0 h 8 h 8h 4 h 4 h 2 h 2h l h 1d 8 d 8 0 4 d 4 d 2 d 2d 1 d 1f f i 起始标忠码 h o u s ec o d e u n i t f u n c t i o i lc o d e i 2 b i t4 b i t 5 b i t i头部止文 图2 2x l o 协议的命令格式 4 第2 章方案分析 例如：要开启家庭码为“m ”，单元码为“1 ”的控制模块，要发送的全部的 控制命令序列为： 发送地址码串：1 1 1 0 ( 起始标志码) 0 1 0 1 0 1 0 1 ( 家庭码“m ”) 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 ( 单元码“1 ”) ： 等待至少三个交流电载波周期 重复第步 等待三个交流电载波周期 发送控制码串：1 1 1 0 ( 起始标志码) 0 1 0 1 0 1 0 1 ( 家庭码“m ”) 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 ( 功能码“o n ”) 等待三个交流电载波周期 重复第步 按照这个步骤要实现该功能总共需要5 3 个交流电载波周期，大约需要 0 8 8 3 s 。 x l o 协议的命令码如表2 1 所示。 5 第2 章方案分析 表2 1x l o 协议的命令码 h o u s e c o d e su n i t f u n c t i o nc o d e s h 8h 4 h 2h ld 8d 4d 2d lf aol 1 0l0l1o0 b1l 1o2 llloo c0o 1 030010o d1o1 04 10100 e00015o0010 f100161oolo go10l701010 h11018l101o i01119o111o j l1111 011110 k00111 100l10 l10111 21oll0 m00001 3ooo00 n1oo01 410000 001001 50l000 p11001 6ll000 a l lu n i t so f f 00001 a l lu n i t so n0001l o no01o1 o f f00ll1 d i mo1oo1 b r i g h t 0l011 a l ll i g h t so f f011o1 e x t e n d e dc o d e011l1 f l a i lr e q u e s t loool h a i la c k n o w l e d g el0011 p r e s e td i m ( 固10lxl e x t e n d e dd a t a 1100l s t a t u si so n110il s t a t u si so f f111o1 s t a t u sr e q u e s t11l11 注： i a i lr e q u e s t 命令的功能：用于查询监听范围内有没有其它兼容x i o 协 议的发送器。 在p r e s e td i m 命令中，d 1 表示最高位，4 位h o u s ec o d e 表示最低位。 6 第2 章方案分析 e x t e n d e dd a t a 命令后面紧跟要发送的数据( 如温度) ，以字节( 8 位) 为单位，在e x t e n d e dd a t a 命令与要发送的数据以及两个要发送的数据之问不 能有延时。 4 设备种类 x l o 技术包含三种主要的设备：发送器、接收器和收发器。 发送器：通过电力线发送控制指令的设备，一个发送器最多可以给2 5 6 个 设备发送数据，多个发送器可以给同一个设备发送数据。 接收器：网络中的接收设备最多可以有2 5 6 个不同的地址。当接收器收到 的控制命令的地址与接收器自身的地址相同时，接收器就会响应该命令。当与 有些计算机控制器一起使用时，接收器设备可以报告当前的设备状态。 收发器：这些设备既可以接收x l o 信号，又可以发送x l o 信号。该设备对 于状态报告和连锁控制非常有用。 5 x l o 的特点 x l o 技术具有以下优点： 价格便宜； 无需重新布线； 易于安装和使用； 兼容产品多； 可以控制多达2 5 6 个灯和家用电器。 x l o 是个功能简单的控制协议。要想实现网络远程和电话远程控制，还需要 增加一个网关实现网络和电话远程控制命令与x l o 协议之间的协议转换和接口 转换。另外，x l o 协议的低数据传输率，使得它适合于传输简单的控制命令，而 不适合对带宽要求较高的数据传输。 2 1 2c e b u s 美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 4 年4 月开始组织开发新的家庭网络标准， 1 9 9 2 年正式推出了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 ) ，并定为i s 一6 0 e i a 一6 0 0 标准，该标准是专为家庭应用而设计的通信和控制局域网络标准。参与研究开 发c e b u s 的公司多达上百家，像m i c r o s o f t ；i b m 、c o m p a q 、a t t 、b 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 nc o n s u m e re l e c t r o n i c s 等都是它的会 员。 7 第2 章方案分析 1 设计目的 开发一套通用的、与生产厂商无关的、用于家庭内部设备之间相互通信 的低成本解决方案； 允许新的产品和服务以最低的成本和最低的代价引入家庭； 以一个单一的多媒体网络标准满足绝大部分预期的家庭控制要求； 尽可能地简化家庭设备问的控制和操作方法。 c e b u s 被设计用于实现控制、状态指示、能量管理、安全系统、家庭娱乐设 备之间的协同操作等功能 2 协议内容 e i a 一6 0 0 协议主要包含了以下5 个方面的内容： e i a 一6 0 0 整体网络拓扑结构和每一种通信介质的具体拓扑结构； e i a 一6 0 0 所使用的通信介质的电气特性和物理规范； 从设备到介质的物理接口以及在物理媒介上的信号传输方式； 网络存取协议和控制消息格式的描述； 定义一种通用的指令语言，所有的设备都可以通过该语言交流并执行预 定义的特定功能。 e i a 一6 0 0 协议标准中没有包含网络的操作和维护。同大多数的e i a 规范一样， e i a 一6 0 0 主要是对功能的规范，而不是对设计的限定。也就是说，规范致力于描 述e i a 一6 0 0 设备应该实现的功能，对如何设计或实现没有过多地涉及。e i a 一6 0 0 协议提供了一个分层的通信模型，它可以用硬件、软件甚至软硬件混合来实现。 e i a 一6 0 0 可以在有新的媒介、技术、设备进入家庭时方便地实现扩展，特别是其 所定义的通用指令语言，当需要的时候可以根据需求在功能表中加入新的内容。 3 编址方案 所有的e i a 一6 0 0 节点都有唯一的地址，该地址由两部分组成：系统地址和 节点地址。对于同一个房间或同一个家庭，所有的e i a 一6 0 0 电器都具有相同的 系统地址，系统地址从逻辑上实现了网段的分离，在物理媒介( 如p l 、r f ) 覆 盖多个家庭时系统地址就显得更有必要，而每一个节点地址在同一个系统中都 是唯一的，任何一个节点都不会接收到其它节点的信息，这在多个家庭相邻时 非常重要。 4 技术目标 针对家用环境中的各类设备问通信制定规范： 8 第2 章方案分析 c e b u s 网络能够在无中心控制的网络结构中实现各类分布式和集中式的 家用设备控制应用； 简化设计，排除不必要的功能，使用户在没有关于该网络的训练或知识 的情况下，也可以安装和使用e i a - 6 0 0 设备； 在各类应用中，e i a - 6 0 0 设备能在保持低成本的情况下实现； 所有符合e i a 一6 0 0 标准的设备都能够相互通信，并用同样的方法解释共 同的命令集； 设备可以任意选择规范中多种通信媒介中的一种，或同时访问多种媒 介。设备可以在不同的媒介上使用同样的方法通信； 控制信息和普通的数据是在不同的信道中传输的( 可以是不同的媒介， 也可以是同一媒介) ，互不影响，即e i a 一6 0 0 采用了带外信令方式； 不管信息流量如何，网络应该尽量减小传输信息的时延，一般而言，应 低于0 1 s ； 网络为各类应用提供不同的优先级，适于对时间有严格要求的应用： 各类设备问地位平等，任何设备都不能独占网络。 e i a - 6 0 0 协议标准本身并不提供保密通信，因此，需要使用其它的辅助方法 或采用扩频通信的方式实现控制的权限以及数据的保护。协议中也没有规定数 据的通信格式。由于采用带外信令的控制方式，e i a 一6 0 0 特别规定了控制信道的 各项标准，而允许用户自己规定( 或应用) 数据信道中传输的数据格式、内容、 通信速率等等。e i a - 6 0 0 中对介质存取和物理层的规范仅仅是防止数据通信与控 制信息通道产生相互干扰，并使之符合f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n ，美国联邦通信委员会) 规范。 2 1 3e i b e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ，欧洲安装总线) 智能建筑和智能家居 领域中的欧洲标准。1 9 9 0 年，以a b b 、s i e m e n s 、m e r t e n 、g i r a 、j u n g 等7 家欧 洲著名的电气产品制造商为核心组成联盟，制定了e i b 技术标准，并成立了中 立的非盈利组织e i b a ( e i ba s s o c i a t i o n ，欧洲安装总线协会) 。迄今为止，已 有1 0 0 多家制造商成为了e i b a 的会员，按照开放的e i b 标准生产的、能够相互 兼容和交互操作的各种元器件、产品的品种多达4 0 0 0 多种，几乎覆盖了建筑中 各个行业和各种用途的需要。e i b 经过l o 多年的发展，被引入了世界各地，2 0 0 0 9 第2 章方案分析 年时在i e c 国际现场总线标准大会上被提名为国际标准。 e i b 技术本身是在传统电气安装技术基础上引入现场总线概念而发展起来 的，它具有现场总线技术的核心优点，如系统结构简单，设计、安装和维护方 便，全分布式控制等。 1 协议帧结构 e i b 协议的帧结构如图2 3 所示，由控制( c o n t r o lf i e l d ) 、源地址( s o u r c e a d d r e s s ) 、目的地址( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 、长度( l e n g t h ) 、各层的控制信 息( c i ，c o n t r o li n f o r m a t i o n ) 、数据( d a t a ) 和校验( c h e c k ) 等字段组成。 d a f ( d e s t i n a t i o na d d r e s sf l a g ) 字段用于区分面向组的分组和面向设备的分 组，n p c i ( n e t w o r kp r o t o c o lc o n t r o li n f o r m a t i o n ) 、t p c i ( t r a n s m i s s i o n p r o t o c o lc o n t r o li n f o r m a t i o n ) 、a p c i ( a p p l i c a t i o np r o t o c o lc o n t r o l i n f o r m a t i o n ) 分别是网络层、传输层和应用层的数据报头。 l 字节0 123 45678 i jn - 1 n 2 2 d a f ： d a t a 数据 校验 旧 源地址目的地址n p c i ；t p c ia p c i a p c i 长度 图2 3e i b 协议的帧结构 2 传输介质 e i b 目前可支持双绞线( t w i s tp a i r ) 、电力线( p l ) 、无线电射频( r a d i o f r e q u e n c y ) 和红外线( i n f r a r e d ) 四种传输介质。其中双绞线系统是应用最广 泛的介质，它采用2 m x 2 m 0 8 m 的标准e i b 总线，具有良好的抗干扰性，网段 最大长度可以达到1 0 0 0 m ，两个设备之间的最大距离为7 0 0 m ，设备与供电单元 之间的最大距离为3 5 0 m 。电力线系统多用于对旧建筑的改建，利用建筑中铺设 的电力线作为载体传送信号，采用扩频频移键控调制技术，在没有中继器的情 况下两个设备之间最大的距离可以达到6 0 0 m 。无线电射频和红外系统则用于一 些难以铺设线路的场合，无线电射频的最大传输距离可以达到3 0 0 m 。 3 物理地址和组地址 在e i b 协议标准中，定义了两种类型的地址：物理地址( p h y s i c a la d d r e s s ) 和组地址( g r o u pa d d r e s s ) 。物理地址用来标志每一个元件的身份，在系统中 的每一个地址都有属于自己的唯一的物理地址。一个物理地址由区号( z o n e 1 0 第2 章方案分析 n u m b e r ) 、线号( l i n en u m b e r ) 和设备号( d e v i c en u m b e r ) 三部分组成。每一 个元件可以被赋予一个或多个组地址。组地址是用来进行通信的。当一个元件 发出组地址控制信号后，在整个网络拓扑上的元件，只有其组地址和总线上传 输的信号中包含的组地址相同，它就响应这个信号中包含的动作命令。利用组 地址的概念，可以方便地实现传统电气安装技术中很难实现的“一控多”功能。 4 设备分类 根据功能可以将e i b 设备分为3 类： 基础设备：如供电单元( p s u ，p o v e rs u p p l yu n i t ) 、扼流器、滤波器 等； 系统设备：如总线连接单元( b c u ，b u sc o u p l i n gu n i t ) 、线路耦合器 ( l i n ec o u p l e r ) 、中继器( r e p e a t e r ) 等： + 专用设备：如传感器、执行器、红外解码器、显示面板等，该类设备通 过b c u 或类似的接口连接到e i b 网络。 2 1 4h b $ h b s ( h o m eb u ss y s t e m ，家庭总线系统) 是由日本多个组织共同制订的。 2 0 世纪8 0 年代初，日本大力推进家庭电子化( h o m ee l e c t r o n i c ) 。8 0 年代中 期，把家用电器、通讯设备、防灾安保设备的功能综合后，产生了家庭自动化 ( h o m ea u t o m a t i o n ) 的设想。于是关西电子工业振业中心设置了h b s 研究会， 从事家庭内信息通讯网的标准化。1 9 8 6 年在日本通产省、邮政省的指导下，日 本电子机械工业会( e i a t ) 与电波技术协会共同组成h b s 标准委员会。1 9 8 8 年 8 月，在日本通产省、邮政省、建设省的支持下，建立了住宅信息化促进会，开 展了与产业界合作的h b s 普及活动、标准技术的制定和国际交流。1 9 8 8 年9 月 h b s 标准委员会已公布了他们的家庭总线标准e t - 2 1 0 1 。近年来，为了适应大型 居住区的需要，又推出了超级家庭总线系统( s h b s ) h b s 系统基于总线型拓扑结构，采用双绞线和同轴电缆作为传输介质，电缆 长度可以达到2 0 0 m ，数据传输率为9 6 k b p s ，地址空白为2 5 6 ，采用c s l i a c d 介 质访问控制方式。 2 2 现有的控制方案 自从世界上第一幢智能建筑于1 9 8 4 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、 l l 第2 章方案分析 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。智 能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。智能家居的控制方案 也是各有千秋，各具特色。 2 2 1x 1 0 系统 x 1 0 系统是以遵循x 1 0 协议( 电力线载波协议) 的设备组成的系统，用x 1 0 的兼容产品可以通过电力线互相通信，不需要重新铺设控制线路，电力线在提 供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。 x 1 0 系统主要由两部分组成：发射和接收( 就控制指令而言) ，控制指令以 广播的形式在电力线上的传送，在理想状态下可以达到2 1 公里，但是由于电力 线上带有很多负载设备，所以控制指令会有所衰减，一般在家庭环境下传送距 离可达到5 0 0 米。控制指令的内容包括：地址码和执行码，如：a 1 _ o n ，a 1 一o f f x 1 0 系统虽然在不断的发展和改进，但是仍然存在不足。首先，x 1 0 系统的 稳定性还需要进一步提高。由于电力线系统中存在各种干扰信号，以及家居环 境中的各种电器的启停、拔插等操作都会产生各种噪声信号，进而影响到x 1 0 系统本身的稳定性；其次，x 1 0 系统中的设备大多数是单向通信的，即要么只是 发送控制信号，要么只是接收信号；再次，x 1 0 系统的传输距离近，速率低，并 且一般只有2 5 6 个地址可以分配。x 1 0 信号在国内电力环境中一般较理想传输距 离是2 0 0 米左右。 2 2 2l o n w o r k $ 系统 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导， 于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采 用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞 线) ：支持多种通信介质，并且开发了相应的本征安全防爆产品。 l o n w o r k s 是一种工控网，因为它传输数据量小的检测信息、状态信息和控 制信息。e c h e l o n 公司叫做局部操作网l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 。采用 l o n t a l k 协议的l o n 网成为l o n w o r k s 网，其最大特点是挂接在l o n 总线上的 控制节点都装有神经元控制芯片，而在每只芯片内已固化有标准的网络通信协 议一- - l o n t a l k 协议，这就使得接入l o n 总线的各类设备可互通信，可实现楼 第2 章方案分析 宇自动化系统集成，它在短时间内得到了自动控制领域的广泛关注和普遍接受， 在楼字自动控制领域更成为实际上的标准。可以说l o n w o r k s 技术最大的应用领 域就是在楼宇自动化方面，它包括建筑物监控系统的所有领域，即入口控制、 电梯和能源管理、消防、救生、供暖通风、测量、保安等。在建筑业中，l o n w o r k s 协议中的介质访问控制层，即i s o o s i 七层协议中的第l 、2 层，已经被接纳为 建筑自动化控制网络( b a c n e t ) 的标准，同时也被美国国家标准协会( a n s i ) 制定的有关标准所采纳。( 下图是l o n w o r k s 典型应用图) 图2 4l o n w o r k s 典型应_ j 框图 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片 中。集成芯片中有3 个c p u ，一个用于完成开放互连模型中第1 和第2 层的功 能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成 第3 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、 路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第三 个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲 区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 虽然l o n w o r k s 在楼字自动化领域获得了广泛的应用，但是仍然存在不足之 处。首先，l o n w o r k s 网速度较慢，最快仅为1 2 5m b s ：其次，l o n w o r k s 的实 时性、处理大量数据的能力有些欠缺：再次，由于l o n w o r k s 依赖于e c h e l o n 公 司的n e u r o n 芯片，所以它的完全开放性也受到一些质疑。 1 3 第2 章方案分析 2 3 本文的控制方案 现有的各种智能家居控制系统各有千秋，各具特色。本文在借鉴各种现有 控制方案的基础上提出了一种基于复合网络的控制方案。本控制方案克服了x i o 系统一般只能单点控制的局限，通过设置场景本方案可以方便地实现多点的场 景控制和联动控制；采用了灵活方便的远程控制方式，通过用户自定义可以快 捷地增加、修改和删除远程控制对象；基于复合网络控制平台使得本控制方案 比x l o 和l o n w o r k s 系统集成化程度明显提高；采用拥有专利保护的远程监控装 置( 专利号为2 0 0 5 2 0 0 4 2 1 2 7 6 ) 作为监控平台，使用户可以随时通过互联网或 者手机等便携设备实时监控家居环境；采用x p l 协议作为电话远程遥控子系统 的控制协议提高了子系统的灵活性，增加了子系统的稳定性，降低了子系统的 成本。 2 3 1 控制系统的结构 根据家居环境的特点，本文设计了一个以电话网( p s t n ) 、i n t e r n e t 互联网 以及全球移动通信网( g s m ) 为系统控制平台，以4 8 5 网络作为家庭内部局域网的 复合式控制系统。控制系统通过电话网( p s t n ) 、i n t e r n e t 互联网以及全球移动 通信网( g s m ) 来与外界通讯与沟通，满足远程控制、监测和交换信息的需求：通 过4 8 5 网络实现对连入家庭内部局域网的所有家电和设备的控制与监测。 幽2 5 控制系统的结构示意幽 1 4 第2 章方案分析 2 3 2 控制系统的构成与功能 从控制系统的结构示意图中可以看出，该系统主要由以下几部分构成： 1 控制主机：即智能家居控制中心，它是整个控制系统的核心，负责来自 系统内外的事件处理以及发出命令动作； 2 e t h e r n e t - 4 8 5 转换器：负责来自控制主机的以太网信息与来自4 8 5 网络 的信息的相互转换； 3 总线终端设备：执行控制主机的指令以及反馈自身的状态信息； 4 网络连接设备：包括路由器、电话m o d e m 和m c 3 5 ，它们负责沟通控制系 统与外界，为远程控制、监测和交换信息等提供了条件； 2 4 本章小结 本章介绍了智能家居系统的现有相关标准、规范以及控制方案，给出了本 文设计的控制方案。 1 5 第3 章终端模块的设计 第3 章终端模块的设计 3 1 功能与组成概述 作为智能家居系统的现场级控制模块，终端模块是由m c u 微控制器及其相 关的外围器件与模块组成，是一个具有各种功能的单片机系统，它主要具有以 下功能： i c p ( i nc i r c u i tp r o g r a m m i n g ) 编程功能 总线通信功能 终端控制或信息反馈功能 状态显示与测试功能 终端模块的组成示意图如图3 1 所示。 图3 1 终端模块组成示意图 根据终端模块的功能需求以及其它的性能要求，终端模块主要由以下模 块组成： m c u 微控制器：m c u 是整个终端模块的核心，控制着整个终端的工作， 监视和管理着终端的其它各个模块的运行，进行指令的发送与数据的传 1 6 第3 章终端模块的设计 递： 电源模块：电源模块为整个终端模块提供工作电源，并且提供掉电检测 功能和节电模式： 复位模块：复位模块使整个终端模块在程序跑飞或发生不正常情况时重 新恢复到设定的正常处理过程中； 晶振模块：晶振模块为m c u 提供正常工作所需的特定时钟信号： e e p r o m ：e e p r o m 用于存储终端模块的标识信息以及其它可配置参数信 息； i c p ：i c p ( i nc i r c u i tp r o g r a m m i n g ) 使终端模块具有在电路编程能力， 方便日后的程序升级或功能扩展； l e d 显示模块：l e d 显示模块显示终端模块各种不同的状态模式信息以 及自测信息； 总线通信模块：总线通信模块使终端模块可以接收来自智能家居控制主 机的控制信息；同时将终端模块自身的状态信息以及其它外围传感器、 探测器收集的信息发送到智能家居控制主机； 开关量输出模块：开关量输出模块使终端模块可以控制开关量的智能家 居设备，像日光灯、窗帘的开关以及其它电器的开关操作； 红外收发模块：红外收发模块使终端模块可以发送红外控制信号来控制 智能家居中的红外设备，像空调、影碟、电视等；同时也可以用于学习 各种智能家居中的红外设备的红外信号； 探测传感模块：探测传感模块使终端模块可以接收来自探测器、传感器 的数据和信息。 3 2 硬件设计 3 2 1 微控制器的选择 本设计选用了p h ili p s 公司生产的p 8 9 l p c 9 3 2 a 1 微处理器。p 8 9 l p c 9 3 2 a l 是 一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、