（检测技术与自动化装置专业论文）家庭自动化系统的设计与实现及其gpss模拟.pdf

摘要 摘要 随着网络信息技术、各种宽带技术的迅猛发展和广泛普及，住宅小区智能化 和家庭自动化已经逐渐的成为了人们生活中不可缺少的一部分。 本课题以家庭自动化网络的设计为基础，首先，设计并实现了家庭自动化系 统中家庭网关、数据采集与控制装置的软硬件以及基于主从结构的家庭自动化 网络的通信协议，完成了一套完整的家庭自动化系统的设计。在此基础上，为了 验证家庭自动化系统的可靠性和评判其通信性能，使用通用仿真系统语言 g p s s 对所设计的家庭自动化网络系统建立了离散事件系统模型，并利用此模 型进行了模拟试验，获得了一系列的试验数据。 通过对所得试验数据的分析，验证了家庭自动化系统的通信能力，证明了这 套系统在家庭自动化系统中的可行性。同时，这一系列的数据为该系统的进一 步优化提供了指导性数据。 关键词家庭自动化；模型：模拟；g p s s ；协议 北京工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h e p r o m p td e v e l o p i i l g a 1 1 de x t e n s i v e s p r e a d i n g o ft l l ei n f o r m a t i o n t e c l l n 0 1 0 9 ya n dv a r i o u sb r o a d e n n e tt e c l l i l 0 1 0 9 y ，s m a n - h o u s ec o m m u n i t ya n dh o m e a u t o m a t i o ni sb e c o m i n ge s s e n t i a lp a r to f d a i l yl i f eo f t l l ep e o p l e t h ed e s i g no fh o m ea u t o m a t i o ns y s t e mi st l i eb a s i cp a r to fm es u b j e c t f i r s t ， d e s i g na n dr e a l i z eh a r d w a r ea i l d s o 胁a r eo fh o m eg a t e w a ya n d 出吐ac 0 1 l e c ta i l d c o n t r 0 1d e v i c e t h e nc o m p i l et 1 1 e p r o t o c o lo fh o m ea u t o m a t i o ns y s t e mn e t 、v o r k f i n a 儿y c o m p l e t e t 1 1 e s y s t e m a i l dr e a 】i z ea 1 1f u n c t i o n s b a s e do nn l i ss y s t e m ，a d i s c r e t e e v e n ts y s t e mm o d e lu s i n gg e n e r a lp i l r p o s es i m m a t i o ns y s t e m 电p s si s e s t a b l i s h e dt ov a l i d a t ea i l d e v a l u a t i n g h o m ea u t o m a t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t ya i l d p e r f b n n a l l c e a c c o r d i n g a1 0 to f e x p e r i m e n t s ，m 甜l ys t i m u l 妣te x 删n a t i o n s 批d o n e ， a n do b t a i n e das e r i e so f d a t a b ya n a l y z i n g 也ed a t a ，t h ec o m m u i l i c a t i n gc a p a b i l i t i e so f h o m e 锄l t o m a t i o na r e t e s t m e d ，a n d a r ep r o v e d 也a tt l l eh o m ea u t o m a t i o nc 跹b e u s e d i i lp r a c t i c e as e r i e so f d a t ac a nb eu s et oo p t i m i z et h i sh o m ea u t o m a t i o ns y s t e m k e y w o r d sh o m ea u t o m a t i o n ；m o d e l ；s i m l l l a t i o n ；g p s s ；p r o t o c 0 1 i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 家庭自动化技术概述 家庭自动化技术是指利用计算机技术，集成或控制家庭电子、电器产品或 系统的技术，例如：照明系统、计量仪表、安防系统、视频点播等。家庭自 动化是智能家居的中的一个重要系统。在智能家居刚出现时，家庭自动化就 等同于智能家居，今天它仍是智能家居的一个核心。 计算机网络是智能大厦的重要基础设旌之一，家庭自动化又是将家庭中 的各种与信息相关的设备，如：计算机、家用电器、家庭安防等设备通过网 络平台实现互通，通过家庭网关将信息汇总并与社区管理中心建立连接。实 现信息的异地管理，家庭事物的异地监控。因此，家庭自动化技术就与网络 技术与通信技术有了密不可分的联系，从某种意义上讲家庭自动化技术就是 一种特殊的网络技术。此外，家庭自动化技术也涉及到许多其他方面的技术， 如：嵌入式系统、传感器、计算机数据库、计算机网络、人工智能等，是多 种技术的融合【2 川。 1 2 家庭自动化技术的发展 家庭自动化系统( h o i n ea u t o m a t i o ns y s t e m ，简称h a s ) 是7 0 年代后期开 始出现的，最先进入市场的产品是美国x 1 0 ，c o r p s 公司的x 1 0 系列家 庭自动化产品，长期独占市场【5 1 。x 1 1 0 是世界上出现最早的，也是最简单的智 能家庭网络系统，x 1 0 采用电力线作为其网络通信介质，系统中的各个设备 直接挂在电力线上就可以互相通信，所以x 1 0 系统不需要另外再铺设信号总 线，这为系统组网带来了很大的方便。x 1 0 系统低廉的价格使其在当时得 到了一些发展，但是，由于其只支持电力线传输，而电力线又容易受到干扰， 使起抗干扰能力较差，另外，x 1 0 的寻址空间较小，对模拟量的支持不够也 北京工业大学工学硕士学位论文 限制了它的进一步发展。 为了解决x 一1 0 的不足，美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 4 年4 月开始组 织开发新的家居网络标准，于1 9 9 2 年正式推出，名为c e b u s 阿1 ( c o n s u m e r e l e c t r o n i cb u s ) ，并定为i s 一6 0 e i a 一6 0 0 标准。参与c e b u s 研发的公司多达几 百家，包括：m i c r o s o r 、i b m 、c o m p a qc o m p u t e rc o 卟a t & t 、b e l ll a b s 等。 c e b u s 是一个比较完整的开放系统，它定义了几乎所有传送媒体中信号的传 输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传输速率传输，从而 有效的避免了传输中可能出现的“瓶颈”问题。c e b u s 的抗干扰能力比x 1 0 强，寻址能力也大大加强，但是由于c e b u s 的接口技术比较复杂，成本也很 高，使c e b u s 的用户相对较少。 与c e b u s 相比，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 l 岱【引，则 具有较高的知名度。它的通讯协议l o n t a l k 是第一个宣称提供0 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 b r k s 网络已经在楼宇自动化、家庭 与办公自动化发面得到了广泛的应用f 7 1 。尽管l o n w 6 r k s 是e i a 定义的家庭网 络标准，但在中国很少用于家庭自动化中，主要是由于其价格很难被广大家 庭接受。 纵观上述几类家庭自动化网络技术都各有其特点，但是也都存在着一些问 题，走入家庭还有一定困难。人们也尝试了其他一些技术，试图将它们引入 家庭“，虽然取得了一些成果，但是效果还是不能另人非常满意。随着无线 网络技术的兴起，以无线网络为基础的家庭自动化技术成为研究的热点，众 多的无线网络技术被引入家庭自动化领域，如：h o m e r f 、8 0 2 1 1 b f l 2 】、蓝牙 技术( b i u e t o o t h ) f j 3 ，、z 培b e e ( 8 0 2 1 5 4 ) m j 6 1 等。其中很多已经被尝试应 用到家庭自动化系统当中。但是具体这些技术在家庭自动化方面的作用如何 还有待进一步的研究。 第l 章绪论 1 3 家庭自动化的特点 家庭自动化是要通过家庭网络将家庭内部的各种信息设备实现互连，因此 家庭自动化网络就成为家庭自动化技术中的关键技术，网络技术的发展在很 大程度上会影响到家庭自动化技术的发展。同时应当注意到家庭自动化网络 区别于纯粹的“家庭局域网”，它是将家庭内部的p c 、仪表、安防设备和广 域网连接的一种新技术。 在家庭自动化网络平台下，家庭自动化应实现以下的功能： 1 ) 收发和保存信息： 2 ) 管理家庭通讯设备： 3 ) 管理电源和家电设备： 4 ) 实现家庭安防系统： 5 ) 辅助完成社区管理中心对住户的管理等。 以上只是对家庭自动化系统的一些基本要求，根据具体的应用还要做具体 的定义。 从上面的要求可以看出，家庭自动化功能的实现还和小区局域网有着密切 的关系。因此要想充分的实现家庭自动化的功能，对小区的网络以及社区管 理中心的服务还有着较高的要求： 1 ) 家庭安全监控，当家庭有报警时，应及时的、自动的将信息传送到管 理中心或住户本人。 2 ) 采集公用事业费用，采集家庭的水、电、气三表等数据，并自动进行 计费和转帐。 3 ) 远程家庭设备的控制，可以通过网络远程启动或关闭家用设备。 4 ) 小区管理中心的信息传递。 另外，因为家庭自动化系统是面向广大的住户的应用系统，它要为广大 的住户接受，在满足上述的功能的基础上，还必须具备以下特点： 北京工业大学工学硕士学位论文 1 ) 无障碍性，这是指网络应当尽量支持室内现有的线路资源，如电话线、 供电线等，避免烦琐的布线工作。 2 ) 灵活性，家庭自动化网络要能够接受多种的连线方式，以适应家庭的 随意的网络结构。 3 ) 成本低，为广大的住户所接受。 4 ) 易于实现，便于住户以及开发商的设计和实现网络，同时便于针对特 殊要求做出修改。 5 ) 安全性，保证家庭网络通信的保密和可靠1 1 7 】。 1 4 计算机模拟技术在家庭自动化网络设计中的应用 如前面所述，家庭自动化网络系统要实现多种功能，包括：家庭安全监控、 采集公用事业费用、远程家庭设备的控制、小区管理中心的信息传递等。 实现以上的这些功能都要依靠网络通信作为保障。而网络通信的可靠性的 判断通常是要通过在实际系统和环境中的大量的实验获得的，但是，这样就 会带来大量的成本和时间上的消耗。相比之下，使用计算机模拟技术实现对 家庭自动化网络的能力判断就是一种即经济实用又可靠的方法。 通过计算机模拟的方法可以得到一系列关于家庭自动化网络的性能指标， 这些指标包括：节点的最大响应时间、节点数量不同所引起的响应时间的差 别、以及出现最大响应时间的概率等。这些具体问题在以后的章节再做具体 的说明和分析。 通过计算机模拟所得到的各种数据除了用于判断家庭自动化网络的通信 的能力之外，还对那些目的在于提高家庭自动化网络的性能所做的调整起着 指导性的作用。 另外，使用计算机模拟技术所建立的模拟模型具有一定的通用性，模型建 立后可以适用于其他网络结构相类似的通信网络。 第l 章绪论 1 5 计算机模拟技术 所谓模拟就是设计一个现实或虚拟的系统的模型并在此模型上进行实验 的过程，模拟实验的目的在于理解系统的行为或者评估系统运行的策略。在 现实中，将根据系统特性作出部分的假设，并利用数学方法和关系对这些假设 进行描述一这些将构成一个可以揭示系统工作过程的模型。如果系统比较简 单，模型可以通过解析方法进行表示和加以解决。一个简单的等式，例如距离 = ( 速率时间) 就是一个解析结果。但是，在实际的应用当中的问题，通常要 比上述问题复杂的得多，以至于数学模型无法清楚表示这些问题，在这种情 况下就要使用模拟的方法来分析这些问题。而计算机的广泛应用又为模拟技 术提供了更为广泛的应用领域。计算机模拟技术目前应用在众多的领域中， 如：生产、通信、计算机网络、集成电路、交通、国民经济、社会关系等。 计算机模拟的方法已经被认为是性价比更好、危险性更小、更快或者说是比 在实际系统中进行实验具有更高的可操作性的方法【l 引。 模拟通常分为离散事件模拟和连续模拟，这主要是根据状态变量的改变方 式区分的。在离散事件模拟中，状态变量在时间的离散点上产生瞬时的变化； 连续模拟中变量连续的变化，通常表现为一个含有时间变量的函数。 在计算机模拟技术中，离散事件模拟( d e s ) 是一个比较主要的方面，对 这方面的研究比较多，应用也比较广泛。 就象其他的计算机技术一样，随着计算机软件和硬件的不断发展，计算机 模拟技术也在不停的发展。近年来，随着管理科学、系统工程、现代数学和 计算机技术的长足进步，计算机模拟技术获得了日益广泛的应用，无论是在 模型模拟、理论分析，还是在软件的开发与推广应用等方面都进展很快。此 外，计算机模拟技术在经济管理和商业策略方面的应用研究也有了很大的发 展。例如：经济形势分析、市场预测、产品的生产方针和销售策略等方面， 这些必须确定对决策有直接影响但又无法直接通过实验获得的信息，只有依 北京工业大学工学硕士学位论文 靠计算机模拟才能解决。世界上越来越多的商业公司纷纷建立其相应的公司 模型，用于对公司综合经营的模拟分析，评价公司的经营策略，同时为培训 公司业务人员提供支持等。 同时，随着互连网的发展，计算机模拟技术也同样应用于网络设计以及其 能力的验证的领域。结构庞大的网络系统单纯依靠解析的方法进行验证和测 评显然是不理想的，而使用现场实验的方法又会带来大量的时间和金钱上的 投入。因此，网络的验证与评估将会成为计算机模拟技术的又一个重要的应 用领域。 第2 章家庭自动化系统网络的设计 第2 章家庭自动化网络的设计 2 1 家庭自动化网络拓扑结构 家庭自动化网络的任务主要是完成室内各种家用仪表的数据采集、控制； 家用电器的控制；安防设备的检测；以及小区管理中心与住户间的信息传递等。 根据这些功能要求，家庭自动化网络要想发挥其应有的作用还需要小区管理中 心和智能小区局域网的支持。 智能小区内部的局域网可以采用多种形式的网络，可以是以太网的形式， 也可以是h o m e p n a 1 9 ，2 0 1 、a d s l 等其他形式的接入网。在我们的设计中采用 了以太网的形式，但该部分的内容与我所提到的家庭自动化网络相关不大，在 此就不再赘述了。 完成家庭自动化网络和智能小区局域网的连接需要一个可以完成两个网络 间协议转换的装置，这就是“家庭网关”。在我们的系统中家庭网关是将家庭 内部的数据转换为以太网的格式送入小区的局域网，另一方面，它接收来自小 区局域网的信息和数据，并将数据解析后发送给家庭自动化网络内的各个设 备，实现家庭自动化网络和智能小区局域网的连接。 要想实现家庭仪表及设备的信号采集和控制，就要求该仪表或设备具备一 定的网络接口，但是，目前的各种家用仪表或设备大都不具备这些功能，多数 只具备脉冲量的输出或开关量的控制。这就要求对仪表实现网络化改造，但这 样做会大大增加仪表的成本，雨这些增加的成本很难为广大住户所接受，同时 也打击了开发商的积极性。这就使得家用仪表和设备的网络接入成为家庭自动 化网络实现的一大障碍。 为了解决这一问题我们在设计家庭自动化网络时，在仪表和网络之间加入 一个专门负责采集和控制的装置，它从各个仪表中采集输出数据( 脉冲量、模 拟量等) ，并将这些数据打包处理后通过家庭自动化网络发送给“家庭网关”， 北京工业大学工学硕士学位论文 由“家庭网关”发送至上层网络，同时它接收“家庭网关”发出的命令并根据 命令控制家用电器设备。“家庭网关”发出的这些命令可以是来自智能小区的 局域网，也可以是来自i n t e m e t ，从而实现了家庭内部设备的远程控制。 基于以上的种种考虑，我们设计了一种以主从方式为基础的网络拓扑结构， 这种网络以r s 4 8 5 总线【2 l l 通信为基础，家庭网关与数据采集与控制装置之间 的通信是通过协议控制的。 擐誓1 设置2避暑“ 图2 1 家庭自动化网络结构 如图2 1 所式，家庭自动化网络采用主从结构。家庭网关与各个采集与控 制装置之间采用4 8 5 的通信方式。在我们的系统中同一家庭网关下可同时接入 1 4 个采集与控制装置( 这是由这部分的通信协议规定，具体的协议在下一部分 再做介绍) 。 每一个采集与控制装置最多可以8 路模拟量输入、8 路脉冲量输入、8 路开 关量的输入以及4 路的开关量输出。这些输入可以是来自家用仪表( 如水、电、 气三表等) 也可是来自家用安防设备。4 路的开关量输出可以用来实现家用电 器或设备的控制。所有这些输入和输出都可以选择使用。 第2 章家庭自动化系统网络的设计 2 2 家庭自动化网络协议 考虑到家庭自动化网络的种种特点以及家庭自动化的通信要求( 正如前一 部分表述的) ，我制定了这个家庭自动化网络的协议，配合家庭自动化网络实 现家庭内部数据的通信。 2 2 1 家庭自动化系统的基本结构 家庭自动化系统是典型的主从结构分布式系统，如图2 - 2 。 图2 2 主从结构网络 协议的中心思想是轮询； 所传递的信息为绝对量信息； 绝对信息是指表底脉冲数、安防报警信息； 所传递的信息分为数字量和开关量； 数字量为3 2 位正整数，记录表的脉冲数； 开关量为一位二进制数，表示设备开关状态： 在这种主从的网络结构里，通信是由主接点发起的，它以点名的方式分别 与各个从接点通信，向从接点索要数据或向从接点发送控制命令。如果从节点 应主节点要求发送数据，则在它发送数据完成后应立刻让出总线的使用权，以 便主接点发起下一次的通信。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 帧格式 完整的帧格式如图2 3 所示： m 字节1 字节1 字节n 字节 2 字节 图2 3 帧格式 帧格式说明： 网络结点之间的所有通讯都以包( 口a c k e t ) 的形式进行。 包的长度固定。 每个包前可选择若干前导字节( p r e a m b l e ) ，以稳定传输线缆的状态。 每个包的第一个字节为( 8 ，4 ，4 ) 汉明码编码【2 3 2 6 】的从站地址，在网络中 传输该字节时，为表示它为从站地址，应将其第9 位置1 ，以引发接收方 的接收中断( 类似于5 1 单片机的多机通信方式) 。该地址指明欲访问的从 结点地址( s l a v en o d ea d d r e s 昏一s n a ) 。 汉明码不是指一个码，而是代表一类码【2 6 1 。协议中所使用的( 8 ，4 ，4 ) 汉明码是指：该码字编码后为8 位，原有信息位为4 位，编码后码字之间 的汉明距离为4 。汉明距离为4 ，是指各个码字之间最少有4 位不同。这样 就可以达到检错和纠错的目的。 在网络中传送的各字节除s n a 外，第9 位均置为o ，区别数据和地址。 第二字节为网络信息流控制信息( f l o wc o n 们li i l f o r i i l a t i o r 卜_ f c i ) ，这个字 节也使用( 8 ，4 ，4 ) 汉明码进行编码。但是它所使用的汉明编码码表与 s n a 所使用的不同。 从第三字节开始为数据场，数字量在前，开关量在后。 上行传输的数据帧包括共3 2 字节的数字量，以及共1 6 字节的安防和控制 设备信息。 第2 章家庭自动化系统网络的设计 数据场后面是校验字段( f c s ) ，校验方法采用c r c l 6 f 2 7 捌，c r c l 6 共两 字节，高字节在前。 下行控制帧的数据场只包含“控制设备信息”和“控制设备状态”。 帧中各部分说明： 第一字节从结点地址s n a 表2 1 第一字节格式 从站地址有四位，可以表示0 到1 5 中的任意一个数字。其中，o 规定为主 节点的地址，1 5 规定为网络广播地址，所以，网络中最多可以有1 4 个从 节点。 因为该字节表示从站地址，如果由于信道噪声，出现两个或两个以上从站 同时回答主机查询，将造成严重混乱，故用汉明编码将地址码字间的汉明 距离拉开。 表2 2 从节点地址s n a 的汉明码表 s n a汉明码s n a汉明码 o o h1 5 h0 8 hd o h 0 l h0 2 h0 9 hc 7 h 0 2 h4 9 ho a h8 c h 0 3 h5 e ho b h9 b h 0 4 h6 4 h0 c ha l h 0 5 h7 3 h0 d hb 6 h 0 6 h3 8 h0 e hf d h 0 7 h2 f ho f he a h 第二字节流控制信息f c i 表2 3 第一字节格式 北京工业大学工学硕士学位论文 d t b 位： o ：下行时表示请求配置数据：上行时表示发送配置数据。 l ：下行时表示请求采集数据；上行时表示发送采集数据。 d b 位： 0 ：表示本帧不包含数据。 1 ：表示本帧包含数据( 此时d t b 无效) 。 本字节也采用( 8 ，4 ，4 ) 汉明码进行编码，但它的码表与s n a 的码表不同，它的 码表如表2 4 所示。 表2 4 流控制信息f c l 的汉明码表 s n a汉明码s n a汉明码 0 0 h7 0 h0 8 hc 8 h 0 1 h0 1 h0 9 hb 9 h 0 2 h9 2 ho a h2 a h 0 3 he 3 h0 b h5 b h 0 4 ha 4 ho c h1 c h 0 5 hd 5 ho d h6 d h 0 6 h4 6 h0 e hf e h 0 7 h3 7 h0 f h8 f h 数据帧结构： 数据帧分为上行数据帧和下行数据帧两种。 下行数据帧分为两种：向下位机索要数据的的下行数据帧和向下位机发送 命令的下行数据帧。向下位机索要数据的下行数据帧又分为：索要采集数据和 索要配置信息两种。 第2 章家庭自动化系统网络的设计 下行传输数据帧结构( 向下位机所要数据或配置信息) 如图2 4 i oooo从站地址 i oooo保留保留d t bd b 图2 - 4 下行数据帧结构( 1 ) 下行传输数据帧结构( 向下位机发送命令) 如图2 5 图2 5 下行数据帧结构( 2 ) s n a f c i s n a f c i 控制设备信息 -4 字节 j 控制设备状态 1 4 字节 区分各种下行数据帧可以通过第二字节f c i 中的d t b 和d b 两位，同时通过 f c i 也可以确定该帧是否带有数据场。下位机可以通过该字节判断是否继续接 收数据。 上行数据帧也有两种，就是向上位机发送数据的上行数据帧和向上位机发 送本节点的配置信息的数据帧，但是不论那一种的数据帧，它的长度都是一样 的。( 包括s n a 、f c i 以及c r c 校验在内，共5 2 字节) 北京工业大学工学硕士学位论文 上行传输数据帧结构( 发送采集数据上行数据帧) s n a f c i 3 2 字节数字量 设防撤防状态 4 字节 安防设备状态 4 字节 控制设备信息 4 字节 控制设备状态 4 字节 图2 - 6 上行数据帧结构( 发送采集数据) 发送配置信息的上行数据帧与发送采集数据的上行数据帧结构基本相同， 只是将数据场的4 8 个字节变为关于节点信息的一些数据，这些数据可以根据 需要由使用者或小区管理中心自行定义。 帧结构信息说明： 帧中数字量均为4 字节无符号长整型。 每组开关量使用连续4 字节表示。 传输中先传数字量，后传开关量。 在传输4 字节时，先传高字节，后传低字节。 、llrlj、ilrj、lrj 1lj、llrlj 第2 章家庭自动化系统网络的设计 2 2 3 数据结构说明 长整型数字量结构说明 d 3 1 d 3 叫 d 2 4 d 2 3d 1 6 d 1 5d 8 d 7d o 图2 7 数据结构 其中d o 至d 2 9 为脉冲计数值。 d 3 1 、d 3 0 为o o 时，则表示该组数据有效； d 3 1 、d 3 0 为“时，则表示该设备错误或不存在 d 3 1 、d 3 0 为1 0 时，则表示该线路断路； d 3 l 、d 3 0 为o l 时，则表示该线路短路。 注：共有数字量8 组。共3 2 字节。 上行传输数据场( 数字量) ：如图2 8 所示 4 字节数据电表 4 字节数据优惠价电表 4 字节数据冷水表 4 字节数据热水表 4 字节数据循环水表 4 字节数据燃气表 4 字节数据暖气表 4 字节数据空调用量 图2 8 上行数据量结构( 1 ) 第一字节 第二字节 第三字节 第四字节 北京工业大学工学硕士学位论文 上行传输数据场( 开关量) ：如图2 。9 所示 第一字节 第二字节 第三字节 第四字节 第一字节门磁、窗磁 第二字节红外探测 第三字节玻璃破碎探测 第四字节电池是否芷常 第一字节 第二字节 第三字节 第四字节 第一字节控电开关 第二字节控水开关 第三字节控气开关 第四字节空调开关 图2 9 上行数据量结构( 2 ) 1 6 - l 垃防，撤防状态 每一位与“安防设备状态”对应 l ：表示设防状态 0 ：表示撤防状态 安防设各状态 l ：表示报警 0 ：表示正常 控制设备信息 每一位与“控制设备状态”对应 i ：表示该设备存在； o ：表示该设备不存在 控制设备状态 1 表示开状态 o ：表示关状态 lfj、il、ljj、ll 第2 章家庭自动化系统网络的设计 下行传输控制量：如图2 1 0 所示 第一字节 第二字节 第三字节 第四字节 第一字节控电开关 第二字节控水开关 第三字节控气开关 薨四字节空调开关 i控制设备信息 l 每一位与“控制设备状态”对应 il ：表示该设备存在： 10 ：表示该设备不存在。 发给控制设备的命令 l ：表示开 o ：表示关 图2 1 0 下行数据量结构 2 2 4 数据校验 校验字： 本协议采用c r c l 6 校验算法； c r c l 6 ：x 1 6 十x 1 5 + x 2 + 1( 双字节) 【3 0 1 ： c r c 的计算从数据场第一个字节到最后一个字节。 2 2 5 关于协议的一些说明 此协议负责家庭网关与采集与控制设备之间的数据通信，通过该协议可以 实现家庭内部的数据采集，包括仪表采集和安防设备状态的采集；家庭设备的 开关控制等。 s n a 确定了采集与控制装置的地址，允许同一家庭网关下连接多个采集与 控制装置。f c i 决定了该数据帧的类型，使接收节点判断应该做什么样的处理。 、fij 北京工业大学工学硕士学位论文 对于8 种仪表的分别处理，使用户可以较为随意的进行仪表连接、配置， 通过每组数据的头两位判断该数据的状态( 有效、无效、断路、短路) 。 安防设备信息是由两部分组成的，每部分4 字节。前一部分的4 字节与后 一部分的4 字节每位一一对应，前一部分的每位确定该位对应的设备的数据是 否有效( 1 为设防：o 为撤防) ；后一部分的每位确定该设备的状态( 1 为报警； o 为正常) 。在做判断时，只要将两部分取“与”，结果为1 的位所对应的设备 既为报警状态。这样做的目的是为了便于安防设备的分别设防和选择性安装。 控制设备状态信息的表示与安防设备信息的表示基本相同。前一部分的4 字节中，每位表示对应设备是否存在( 1 为存在；o 为不存在) ：后一部分的4 字节中每位表示对应设备的状态( 1 表示开：o 表示关) 。 2 3 家庭自动化网络的性能指标的评估方法 在家庭自动化网络的基本结构和通信协议建立以后，为了保证网络的可靠 性并且能够满足基本的网络要求，就要对网络的性能进行定量的研究，必须给 出适当的性能指标。在通常意义上说，影响网络性能的主要因素是网络拓扑、 节点性能、通信协议、拥塞控制以及路由算法等【3 ”。 各项性能指标除了可以表示网络的能力和可靠性外，还能够对网络的进一 步优化工作起到指导性的作用，同时可以帮助用户甚至是开发者认识到网络的 在何种条件( 如：节点数目、传输距离等) 下可以达到最佳的性能，因此给出 网络的性能指标是在网络设计基本完成后必须进行的工作。 在家庭自动化网络体系中，最为关键的性能指标应当是节点对家庭网关的 响应时间，这影响到网络通信速率、家庭网关运行情况等，更为关键的是对于 对实时性要求很高安防报警系统，响应时间直接关系到安防系统的可靠性以及 报警系统的效率。 但是，通信网络是庞大的、复杂的系统工程，利用常规的理论分析方法进 行通信网络的技术研究、工程规划论证、网络系统设计以及性能指标评估是难 第2 章家庭自动化系统网络的设计 以得出精确结果的，家庭自动化网络也不例外。而要通过实验研究的手段得到 各种数据则要耗费相当大的人力和物力，时间上的消耗也是很大的。 因此，使用计算机模拟技术对网络体系进行分析是十分必要的。正如在第 一章绪论中提到的一样，模拟技术或者说是仿真技术正是解决这类复杂的，使 用解析手段难以得到满意答案的、使用实验手段又消耗过大的问题的理想方 法。使用计算机模拟的方法可以得到一系列关于家庭自动化网络的性能指标， 特别是各种情况下响应时间的数据。这些数据表明了家庭自动化网络的性能， 同时所建立的模拟模型为其他类似的通信网络的计算机模拟提供了平台。 关于计算机模拟以及家庭自动化网络的模拟结果将在第四章、第五章做详 细的介绍。 2 4 本章小结 本章主要介绍了家庭自动化网络的设计，包括网络结构的设计、协议制定 等内容，此外，在本章中提出了家庭自动化网络的性能指标的重要性，以及获 得这些性能指标的方法种类，并选择了使用离散事件模拟的方法来对家庭自动 化网络进行测评。 第3 章家庭自动化系统的软硬件设计 第3 章家庭自动化系统的软硬件设计 3 1 家庭网关的硬件设计 3 1 1r a b b lt 2 0 0 0 微处理器 家庭网关的c p u 采用z w 0 r l d 公司的r a b b i t 2 0 0 0 处理器。r a b b i t 2 0 0 0 是 一个8 位的微处理器，它与z 8 0 、z 1 8 0 具有相似的结构，但是有了很大的改 进，并具有更高的兼容性。 作为一个8 位的微处理器，r a b b 工t 2 0 0 0 具有出众的运算速度，这是因为 源自z 8 0 的指令集非常紧凑的，并且存储器接口的设计可以最大限度的利用 存储带宽。 r a b b i t 2 0 0 0 系统的开发工具是z w o r l d 公司的一种新颖的c 语言开发系 统d y n a m i cc 。z w o r l d 公司同时提供r a b b i t 2 0 0 0 的软件开发工具。 r a b b i t 2 0 0 0 微处理器的一些特点： 工作电压2 7 v 一5 v ，时钟可达3 0 心z 。 满足所有工业和商业的温度和电压要求。 最大1 兆的程序存储空间，相当于c 语言程序的5 0 0 0 0 行以上。 4 个优先级的中断响应。在2 5 姗z 的工作频率下，中断程序中的第一条指 令最大延迟为l u s 。 r a b b i t 2 0 0 0 可以通过串行口冷启动，这就意味着f l a s h 存储器可以在无 程序的情况下被固定在板卡上。同时可以在不需要f l a s h 中含有任何程序 或b i o s 的情况下进行重复编程。 r a b b i t 2 0 0 0 含有4 0 根并行的i o 口线，其中的一些i 0 是与定时器同步 的，它们可以通过软硬件实现一些控制精确的沿和脉冲输出。 标准的l o 脚的编程口，通过它可以实现程序的下载和调试。程序是通过 p c 机的串口下载的。 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 1r a 髓i t 2 0 0 0 处理器结构框图 2 2 第3 章家庭自动化系统的软硬件设计 3 1 2 家庭网关的功能要求及实现 家庭网关是家庭自动化网络与智能小区局域网的衔接部分，它的主要功能 是完成两个网络间的协议转换，传递两个网络间的数据。但在这个基础上， 还有一些附加的功能，如键盘操作，液晶屏显示等。在这里将家庭网关要实 现的功能做一下归纳： 1 以太网接口：1 0 b a s e t r j 4 5 接口； 2 l c d 显示：显示温度、湿度、时间、故障报警等： 3 键盘：复位键、布防键、撤防键、时间设置键： 4 检测电路：用于测量温度、湿度等； 5 蜂鸣器：故障报警； 6 串口通信功能：用于4 8 5 通信、程序调试等； 7 备用电池：在掉电情况下维持一段时间的工作。 家庭网关作为一个网络设备除了以上这些功能的要求外，在性能上也有所 要求，如它的实时性等。但是，家庭网关作为家庭自动化的组成部分对它的 实时性要求又不如其他网络设备高，只要满足家庭自动化的需要就可以了。 这些性能上的要求尽可能的通过软件设计来满足。 3 1 3 家庭网关的硬件设计 图3 2 为家庭网关硬件结构框图，图中只将一些关键的部分画出，一些辅 助的部分被省略了。 r t l 8 0 1 9 ：为以太网控制器； s n 7 5 1 7 6 ：为4 8 5 通信芯片； m a x 2 0 2 ：为串口通信芯片； i s 2 2 c 0 1 2 ：为语音芯片； l c d ：为1 2 8 女6 4 的点阵。 北京工业大学工学硕士学位论文 国国国 图3 2 家庭网关硬件框图 在家庭网关的硬件设计中，使用r a b b i t 2 0 0 0 作为处理器，1 2 8 k 的r a m ， 两片2 5 6 k 的f l a s h 存储器，其中一片f l a s h 用于程序存储，另一片用于存储 字库。r a b b i t 2 0 0 0 是8 位的微处理器，程序存储空间可达1 m 。8 位数据总线 d o d 7 ，2 0 位的地址总线a 0 一a 1 9 。 r t l 8 0 1 9 是r e a l t a k 公司的以太网控制芯片，用于以太网的通信。在芯片 与i 己j 4 5 接口之间使用变压器f a l 6 3 0 7 9 ，起信号隔离的作用。同时使用串行 e e p r o m9 3 c 4 6 存储m a c 地址。 温湿度的检测电路使用相应传感器配合5 5 5 芯片完成。温度检测使用热敏 电阻，在5 5 5 电路中热敏电阻随温度变化引起5 5 5 输出频率的改变。湿度传 感器是一个容性器件，湿度变化将引起湿度传感器的电容的改变，同样引起 5 5 5 输出频率的改变。r a b b i t 2 0 0 0 的p b 5 和p c l 管脚分别检测两个5 5 5 电路 名 固囡圈j 舀 第3 章家庭自动化系统的软硬件设计 的输出，判断当前的温湿度数值。 键盘为4 4 的1 6 键键盘，使用p b o 、p b 2 、p b 3 、p b 4 和p d 2 、p d 3 、p d 6 、 p d 7 管脚作为扫描线。 s n 7 5 1 7 6 实现4 8 5 的通信功能，完成与数据采集与控制装置间的通信。使 用p d 4 、p d 5 和p c 0 三个管脚，其中p c o 管脚连接到7 5 1 7 6 的d e 控制总线的 使用。p d 4 、p d 5 是r a b b i t 2 0 0 0 的串口b 。 m a x2 0 2 实现串口的功能，连接c p u 的p c 2 、p c 3 、p c 4 、p c 5 四个管脚。 p c 2 、p c 3 是串口c ，p c 4 、p c 5 是串口b 。此处的串口b 与s n 7 5 1 7 6 所用的串 口b 相同，这是因为串口b 具有复用的功能，它既可以通过p d 4 、p d 5 使用， 也可以通过p c 4 、p c 5 使用。这种使用要对寄存器进行配置。 i s 2 2 c 0 1 2 为一个语音控制芯片，配以扬声器可以发出语音，用于操作提 示与报警等。i s 2 2 c 0 1 2 本身具有存储的功能，语音信号提前存入，通过c p u 的p e 4 和p e 5 控制使它发出不同的语音。 l c d 使用并口p a 以及p b 6 、p b 7 、p d o 、p d 0 、p e 2 、p e 3 。其中并口p a 用于 传送数据，其他管脚用于控制。 板上还留下一个编程口，使用管脚p c 6 、p c 7 和p b l ，p c 6 、p c 7 是串口a ， p b l 是串口a 的时钟( c l k a ) 。通过这个编程口，可以使用p c 机的串口实现在 线编程。 3 2 家庭网关的软件设计 家庭网关的软件设计是以家庭网关的功能要求为基础的，家庭网关的功能 可以分为以下几项： 键盘操作部分： 温湿度检测部分； 网络通信部分； l c d 显示部分； 北京工业大学工学硕士学位论文 4 8 5 通信部分； 报警检测及发送报警信息部分等。 以上的每部分功能在家庭网关的软件设计中都被当作一个任务单独的执 行，各个部分之间的切换是通过合作式的多任务方式完成。在r a b b i t 2 0 0 0 的 开发语言d y n a m i cc 中有一种专门用于这种合作式多任务的语句，表示 为c o s n 盯e ) 。 以上所说的每个任务都被放在一个c o s t a t e ) 中，各个c o s t a t e ) 之 间的转换有两种方式：其一，每当程序运行到此处都会无条件进入 c 0 s 1 1 a t e ) ，并执行该任务，每个任务在执行完成后，自动退出，出让c p u 给其他的任务；其二，在c o s t a t e 中使用w 址t f o r ( ) 语句标明该任 务的出让时间，即表明在该任务执行一次后多长时间内不会重新执行该任务， 即使程序运行到此处也会跳过。两种方式的选择是由任务的条件决定的，任 务不同，所使用的方式也就不同。 在程序中两种c o s 饼r e ) 的方式相互配合使用，使各个任务都可以有充 分的时间来被完成，满足功能的需要。 w h i l e ( 1 ) c o s t a t e ( 任务l c o s t a t e f 任务2 ，使用w a i t f o r 语句 w a i t f o “d e l a y s e c ( 6 0 l ) ) ； ，出让6 0 秒 ) c o s t a t e f 任务n 第3 章家庭自动化系统的软硬件设计 其中家庭自动化网络通信任务( 4 8 5 通信任务) 的程序流程图如下( 索要 数据命令如图3 3 ，发送控制命令如图3 4 ) 图3 3 索要数据命令任务程序流程图 北京工业大学工学硕士学位论文 初始化通信端口 确定发送地址并对 汉明编码( s n a ) l写f c i 字节i 发送数据 计算并发送c r c 退出该任务 图3 4 发送控制命令任务程序流程图 3 数据采集与控制装置的设计 数据采集与控制装置使用8 9 c 5 1 处理器设计，主要实现对家用仪表的脉冲 量、开关量采的集以及对家用设备的开关量控制i3 2 】。如图3 5 所示 网 1 _ j 8 9 c 5 i 0 4 8 5 通信 图3 5 数据采集与控制装置硬件结构框图 一 一菁! | 一 艨 一 。 。 一址段关=置段关=电豁=钮临一 囡习习磊一 f_f_l_iliiil_【 第3 章家庭自动化系统的软硬件设计 图3 5 是数据采集与控制装置的硬件结构框图，它将数据采集与控制装置 的主要硬件部分的结构框图绘出，以下主要介绍一下硬件设计中的一些关键 设计。 4 8 5 通信部分使用的芯片7 5 1 7 6 ，它与c p u 的串口相连，实现数据采集装 置的家庭自动化网络功能，也就是家庭网关的通信。7 5 1 7 6 的d e 端与c p u 的 p 3 2 相连，通过程序控制p 3 2 的高低，决定是否占用总线，发送数据。 “地址”和“配置”拨段开关用于配置该数据采集与控制装置的信息。 “地址”是指该装置处于家庭网关下，家庭网关对它的呼叫地址；“配置”指 的是该装置脉冲量输入端口的使用情况，也就是表明该装置下连接了多少仪 表，所连接的仪表是那几种。 前面所说的，地址拨段开关( 8 路) 、配置拨段开关( 8 路) 和开关量输入 ( 8 路) 的信号共同使用c p u 的p o 口进行采集，为了区分三种不同的信号， 此处使用了三片7 4 l s 2 4 4 实现信号的选择，三片7 4 l s 2 4 4 的片选端分别接到 c p u 的p 2 o 、p 2 1 、p 2 2 管脚上，通过这三个管脚选择了一片7 4 l s 2 4 4 也就 相当于为p 0 口选择了一个信号，当然，三片7 4 l s 2 4 4 在同一时刻只能有一片 被选通。 模拟量的采集通过a d c 0 8 3 8 芯片实现。这里所指的模拟量采集是配合脉冲 量采集使用的，采集板上并没有提供对外部模拟量进行采集的功能。p o 口在 判断到脉冲量输入后，立刻判断该仪表是否是正常工作状态，这个判断就要 通过模拟量采集来实现。仪表内已经进行过必要的改装串、并连一定阻 值的电阻，这样原本应是无穷大( 无脉冲) 或无穷小( 有脉冲) 的仪表阻值， 就变为在一定范围内的阻