（系统工程专业论文）EIB家庭网络系统的研究及总线模块开发.pdf

浙江人学t 学硕上学位论丈信息科学与t 程学院系统r 程研究所 摘要 随着计算机技术、通讯技术、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。在该领域内，国际 二家庭网络应用比较成熟，由于历史j l i 经济原 因家庭没有一个统一的标准，几十种主流协议各有优势，进行着激烈的竞争。我 国的家庭网络研究业已起步，家庭网络标准初具雏形。 本文以家庭网络广阔的市场需求为基础，以欧洲最主要的家庭网络协议一欧 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 ) 为研究对象。在深入研究e i b 协议 的基础上，成功开发了双值输入传感器，并进行了调光模块和开关模块的设计， 完善了e i b 网络设备的开发流程和规范，为e i b 在中国的发展打下了良好的基础。 全文共分为六章： 第一章介绍了家庭楼宇自动化的发展概况，并对于目前国际上最主要的几种 智能家居协议c e b u s ，b a c n e t ，z i g b e e ，e 家佳等进行了简介。 第二章详细研究了e i b 网络拓扑、总线设备及总线协议规范，并对对e i b 协议 的发展进行了跟踪研究，介绍了从e i b 到k n x 的演进过程，并对k n x 协议的特点 进行了分析。 第三章介绍了基丁l s i e m e n s 公司的e i b 总线通信芯片b c u l 的双值输入设备的 设训开发过程。 第四章介绍了基于s i e m e n s 公司的e i b 总线通信芯片b c u l 的训光模块的软硬 件设计，包括p f c 的实现及利用p w m 实现a d 转换的分析。 第五章探讨了基于s i e m e n s 公司的e i b 总线通信芯片b c u l 的开关模块的软硬 什设计。 箢六章总结了整个e i b 家庭网络研究开发过程，提出了未来e i b 研发的计 划和方向。 关键字：智能家居，e i b ，双值输入，调光模块，开关模块 浙江人学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院系统t 程研究所 a b s t r a c t i n t e l l i g e n th o m en e t w o r ki sd e v e l o p i n gm p i d l yd u et ot h eg r e a ta c h i e v e m e n t sl nc o m p u t e rs c i e n c e a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，h o m ea u t o m a t i o ni sg o i n gc l o s e ra n dc l o s e rt op e o p l e sd a i l yl i f e t h ea p p l i c a t i o no fh o m ea u t o m a t i o nn e t w o r ki sm a t u r ei nu s a ，e u r o p ea n dj a p a n b u tt h e h o m ea u t o m a t i o nn e t w o r kd o e s n th a v ea s t a n d a r df o rh i s t o r i c a la n de c o n o m i cr e a s o n s a tp r e s e n tt h e r ea r ed o z e n so fw o r l d w i d eh o m e a u t o m a t i o np r o t o c o l sc o m p e t i n gf o rt h eg l o b a lm a r k e t ，a n dd o m e s t i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n t h i sa r e ah a sa l r e a d ys t a r t e dt h es t a n d a r do f h o m ea u t o m a t i o nn e t w o r ki si ni t si n f a n c y d r i v e nb y l a r g em a r k e tr e q u i r e m e n t s ，w e c h o s et h en o 1h o m ea u t o m a t i o np r o t o c o ll n e u r o p e e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ( e i b ) a sr e s e a r c ho b j e c t b a s e do ni n d e p t hs t u d yo fe i b p r o t o c o l 、w es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h eb i n a r yi n p u td e t e c tm o d u l e ，a n df i n i s h e dt h eh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no f d i m m i n gm o d u l ea n ds w i t c h i n gm o d u l e t h ed e v e l o p m e n to f t h e s e b u sd e v i c e se n l a r g e st h ec h a n c et h a te i bb e c o m e sp o p u l a ri nc h i n a t h ep a p e rc o n s i s t so f t h r e ec h a p t e r s ： c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ei nh o m ea u t o m a t i o n ( h a ) n e t w o r k ，a n d i n t r o d u c e ss e v e r a lm o s tp o p u l a rh ap r o t o c o l ss u c ha sc e b u s ，b a c n e t ，z i g b e e c h a p t e r2d e s c r i b e se i bn e t w o r kt o p o l o g y ，b u sd e v i c e sa n dt h em o d e lo fe i bp r o t o c 0 1 t h e ni t i n t r o d u c e st h er e c e n td e v e l o p m e n to fe i bp r o t o c o la n da s s o c i a t i o n ，d i s c u s s e sm a i nc h a r a c t e r i s t i c s o f k n x - t h en e we i b c h a p t e r3 d e s c r i b e st h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n to fe i bb i n a r yi n p u tm o d u l e ，b a s e do i le i b c o m m u n i c a t i o nc h i p - b c u lo f s i e m e n s c h a p t e r4d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fd i m m i n gm o d u l e i n c l u d i n gt h ed e s i g no fp o w e rf a c t o r c o r r e c ta n dt h ea n a l y s i so f i m p l e m e n t i n ga dc o n v e r t e rt h r o u g hp w m t h e nt h es o f t w a r ed e s i g n i sd i s c u s s e d c h a p t e r5g i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fs w i t o h i n gm o d u l e ，w h i c hi su s e dt od r i v e b i n a r yo u t p u tm o d u l e ，d i m m i n gm o d u l ea n ds h u t t e rm o d u l a t es o f t w a r ed e s i g ni st h ec h a l l e n g e c h a p t e r8d r a w sc o n c l u s i o no ft h ew h o l ep a p e r a n dg i v e sa d v i c e sa n dp l a n sf o rt h er & d o fe i b n e t w o r ki nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s m a r th o m e ，e i b ，b i n a r yi n p u td e t e c tm o d u l e ，d i m m i n gm o d u l e ，s w i c h i n gm o d u l e 2 浙江人学工学硕士学位论文信息科学与工程学院系统工程研究所 第一章智能家居协议介绍 智能家居，亦称智能住宅，相应的英文是s m a r th o m e 。相似的称谓还有数 码家庭、数码家居、网络家庭、e h o m e 、家庭自动化等等。智能家居是以家 为宿主，涉及建筑、网络通讯、信息家电、网络家电、自动化等领域，集系统、 结构、服务、管理、控制于一体的高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保 的家居环境。智能家居也是一个过程或系统，利用先进的网络通讯技术、电力自 动化技术、计算机技术和无线电技术，将与居家生活有关的各种设备有机地结合 在一起，通过网络化的综合管理，让居家生活更舒适。智能家居不仅具有传统的 居住功能，而且具有智能化的特点，能提供全方位的信息交换功能，改变人们的 生活方式，优化居住环境，帮助人们有效地安排时间，节约各种能源，提供优质、 高效、安全的生活空间 1 】 2 1 。 1 1 智能家居主流协议介绍 1 1 1c e b u s 协议 薹黧篆豢莩南f 兰孽 是一个非盈利性组织，由生产制造消 i! ! ! 竺il 闻隧懑黼粼笺 费电子总线兼容产品和提供相应服务l ￥譬茎一l 菩攀鬻鬻鋈霉遴 的公司组成。负责c e b u s 标准的制定h 玉f 磊1 一：| h 订而i 而 c e b u s 标准 ”。 消费电子总线网络拓扑结构可以 是总线型、星型、树型或混合型。总 线中的每个节点的地位是平等的，不 需要一个主控设备。网络中各节点的 图11 i s o 开放系统模型和 浙江人学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院系统 。程研究所 控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整 体。 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 ( 图1 1 ) 。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。数据链路层的媒体访问子层( m a c ) 利用具有冲突检测 和冲突鉴别的载波侦听多路访问( c s m a c d c r ) 协议，可让网络上的任何一种装 置在任何时间访问媒体，以避免传输数据分组时产生冲突。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 4 】。 c e b u s 在应用层定义了一种面向对象的、严格的设备描述语言c a l ( c o m m o n a p p l i c a t i o nl a n g u a g e ，e i a 7 2 1 ) ，简称公共应用语言，其内容涵盖了家庭中f u 能拥有的家电。公共应用语言采用了面向对象的方法，把任意一个家电设备按照 功能分解成几个预定义的对象模型。在面向对象的编程语言中，一个对象由数据 和操作这些数据的函数组成。在消费总线中，这些对象也由数据( 称为实例变量) 和操作( 称为方法) 组成。 c e b u s 是一个较完整的开放系统，其协议规范和接口技术都比较复杂，因此 价格高昂，在国内应用并不广泛。系统工程所已经开发了完整的c e b u s 系统，包 括电力线通信通用模块、c a l 辅助设计软件、照明系统、大型家电系统、环境系 统和安防系统等。目前正在开发基于c e b u s 的家用电器控制芯片s o c 平台技术， 包括s o c 架构、网络通讯协议、控制方法、支撑软件等，并提供基于s o c 平台的 家庭网络整体解决方案及使用范例，以期进一步降低系统成本，推广基于c e b u s 的家庭网络系统。2 0 0 5 年1 2 月，c e b u s 项目已通过了国家8 6 3 项目组的验收。 2 0 0 0 年，消费总线委员会( c e b u si n d u s 仃yc o u n c i l ，c i c ) 将c e b u s 标准完全 开放，微软公司联合众多公司开始在c e b u s 基础上开发s c p ( s i m p l ec o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ，作为与u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 搭配的一项家电控制技术， 该技术可使制造商更轻松地开发出支持u p n p 的家电并通过低速网络进行连接。 1 1 2b a c n e t 协议 为创建使不同厂家的暖通空调子系统相连接的标准方法，美国供暖制冷及空 调工程师协会( h m e r i c a n s o c i e t yo fh e a t i n gr e f r i g e r a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g e n g i n e e f s - - a s h r a e ) 于1 9 9 5 年制定了一种开放标准，被称为“楼 2 浙江大学工学硕学位论文信息科学与t 程学院系统工程研究所 宇自动化和控制网络，即b a c n e t ( b u - i d i n ga u t o m a t i o n a n dc o n t r o ln e t w o r k ) 。 b a c n e t 数据通信协议阐述了建筑物自动控制网络的功能，系统组成单冗相互分 享数据实现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部 规则。因此，它确立了不必考虑生产厂家、各种兼容系统在不依赖任何专用芯片 组的情况下，相互开放通讯的基本规则。目前，8 a c n e t 已成为国际上智能建筑 发展的方向和主流通信协议，是一项极具开拓性的技术，它使不同厂商生产的设 备与系统在互连和互操作的基础上实现无缝集成成为可能。 b a c n e t 数据通信协议作为一种开放网络协议，采用了包含四个层次的分层 体系结构。如图1 2 所示，这四个层次相对于o s 模型的物理层、数据链路层、 网络层和应用层 6 1 t l c n e _ t 数据通信协议的层次 图1 2b a c n e t 体系结构层次 对应豹i s 0 层次 应用层 阿络层 数据链路层 物理层 考虑到实现协议硬件的多样性、数据传输速率、与传统建筑物自动控制系统 的兼容性和设计的复杂性等因素，b a c n e t 支持目前已得到广泛应用的5 种协议 的物理层数据链路层技术规范。这五种类型的技术分别为i e e e8 8 0 2 3 以太网、 a r c n e t 、主从令牌传递( n s t p ) 网、点到点( p t p ) 连接和l o n t a l k 协议。 网络层的功能是实现不同物理层数据链路层技术规范的b a c n e t 连接，能实 现异类网络连接的设备称为“b a c n e t 路由器”。网络层向应用层提供了同一的网 络服务平台，屏蔽了异类网络的差异。同时，b a c n e t 网络层协议也创建路由和 维护路由的方法，使得路由器自动配置和报文在路由器之间的流动成为可能”1 。 b a c n e t 数据通信协议采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象 来表示建筑物设备的功能。b a c n e t 中的设备之间的通信，实际上就是设备的应 用程序将相应的对象数据结构装入设备的应用层协议数据单元( a p d u ) 中，按照协 议传输给相应的设备。对象数据结构中携带的信息就是对象的属性值，接收设备 的应用程序对这些属性进行操作，从而完成信息通信的目的。b a c n e t 定义1 8 种 标准对象， 1 2 3 种标准属性。对象有些属性是必须的，如对象编号、对象名称， 浙江人学工学顿k 学位论文 信息科学与工程学院系统下程研究所 对象类型。其它的属性根据对象所实现的功能而定”1 。 在面向对象的技术中，与对象相关联的是属性和方法。属性用来描述对象， 而方法是外界用来访问或作用于对象的手段。在b a c n e t 中，将对象的方法称为 服务，对象是建筑物自动控制设备的抽象描述，而服务提供了用于访问和操作对 象的方法。b a c n e t 共定义了3 5 种服务功能，分为5 大类：报警和事件服务( a ia r m a n de v e n t ) ，文件访问服务( f i l ea c c e s s ) ，对象访问服务( o b j e c ta c c e s s ) ，远程 设备管理服务( r e m o t ed e v i c em a n a g e m e n t ) ，虚拟终端服务( v i r t u a l t e r m i n a l ) 9 1 o 从b a c n e t 数据通信协议的体系结构分析可知，b a c n e t 的数据链路层和物理 层利用的是已有的其他协议，而应用层和网络层是b a c n e t 的独特所在。对象和 属性的引入使得不需了解设备内部细节就可识别和访问设备信息。该协议是为采 暖、通风、空调、制冷控制设备而制定，同时它也为其他建筑物控制系统的集成 提供了基本原则，例如照明、保安、消防系统等。虽然这些扩展超出了该标准的 范围，但实现起来却简单明了。b a c n e t 协议适用于旧系统的改造和集成，和与 为家庭楼宇自动化量身定制的e i b 等协议相比，显得过于复杂。 1 1 3e i b 欧洲安装总线( e i b ) 是一个在欧洲占主导地位得楼宇自动化和家庭自动化 标准，是由s i e m e n s ，a b b 等一些知名企业首先提出来的。目前国际上很多公司 都推出了符合e i b 规范的产品，e i b 在欧洲得到了很好的应用，占据了欧洲楼宇 及家庭自动化8 0 的市场。1 9 9 9 年，欧洲三大协议机构e i b 、b a f i b u s 和e h s a 合并成立了k o r m e x 协会，提出了k o n n e x 协议。该掷议以e i b 为基础，兼顾了 b a t i b u s 和e h s a 的物理层规范，并吸收了b a t i b u s 和e h s a 中配置模式等优斟1 0 】。 此协议细节将在以后章节介绍。 1 1 4e c h o n e t 协议 鉴于全球能源逐渐枯竭、人口结构逐渐迈向老龄化、家庭消耗能源日益增加 及环境保护弓远距离家庭医疗的需求提升等原因，s h a r p 、t o s h i b a 、h i t a c h i 、 p a n a s o n i c 、m i t s u b i s h i e l e c t r i c 等家电大厂与东京电力公司，于1 9 9 7 年1 2 月在日本 政府支持下，成了了e c h o n e t ( e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dh o m e c a r en e t w o r k ) 协会， 主要目标是开发一个标准化的家庭网络国际标准，并应用于家庭能源管理、居家 医疗保健等服务上。 4 浙江大学工学融上学位论文 信息科学与工程学院系统工程硼究所 剥象类型。其它的属性根据对象所实现的功能而定”。 在面向对象的技术中，与对象相关联的是属性和方法。属性用来描述对象， 而方法是外界用来访问或作用于对象的手段。在b a c n e t 中，将对象的方法称为 服务，对象是建筑物自动控制设备的抽象描述，而服务提供了用于访问和操作对 象的方法。b a c n e t 莛定义了3 5 种服务功能，分为5 大类：报瞽和事件服务( aia r m a n de v e n t ) ，文件访问服务( f i l ea c c e s s ) 对象访问服务( o b j e c ta c c e s s ) ，远程 设备管理服务( r e m o t ed e v i c em a n a g e m e n t ) ，虚拟终端服务( v ir t u a i t e r m ir l a l l 州。 从b a c n e t 数据通信协议的体系结构分析可知，b a c n e t 的数据链路层和物驯 层利用的是已有的其他协议，而应用层和网络层是b a c n e t 的独特所在。对象和 属性的引入使得不需了解设备内部细节就可识别利访问设各信息。该协议是为采 暖、通风、空调、制冷控制设备而制定，同时它也为其他建筑物控制系统的集成 提供了基本原则，例如照明、保安、消防系统等。虽然这些扩展超出了该标准的 范围，但实现起来却简单明了。b a c n e t 协议适用于旧系统的改造和集成，和与 为家庭楼宇自动化量身定制的e l b 等协议相比，显得过于复杂。 1 1 3e i b 欧洲安装总线( e i b ) 是一个在欧洲占主导地位得楼宇自动化和家庭自动化 标准，是由s i e m e n s ，a b b 等一些知名企业首先提出来的。目前国际上很多公司 都推出了符合e i b 规范的产品，e i b 在欧洲得到r 很好的应用，占据_ r 欧洲楼宇 及家庭自动化8 0 的市场。1 9 9 9 年，欧洲三_ 夫协议机构e i b 、b a t i b u s 和e h s a 合并成立了k o n n e x 协会，提出了k o n n e x 协议。该协议以e i b 为基础，兼顾了 b a t i b u s 和e h s a 的物理层规范，井吸收了b a t i b u s 和e h s a 中配置模式等优点1 1 0 o 此协议细节将在以后章节介绍。 鉴于全球能源逐渐枯竭、人口结构逐渐迈向老龄化、家庭消耗能源日苘增加 及环境保护与远距离家庭医疗的需求提升等原因，s h a r p 、t o s h i b a 、h i t a c h i 、 p a n a s o n i c 、m i t s u b i s h i e l c c t 【 i c 等家电大厂与东京电力公司，于1 9 9 7 年1 2 月在日本 政府支持f ，成了f e c h o n e t ( e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d h o m e c “e n e t w o r k ) 协会， 丰要目标足开发一个标准化的家庭网络国际标准，并应用于家庭能源管理、居家 年要目标足开发一个标准化的家庭网络国际标准，并应用于家庭能源管理、居家 医疗保健等服务上。 浙江大学t 学硕士学位论文 信息科学与工程学院系统1 _ 程硎究所 e c h o n e t 的家庭网络架构是i 二 t e c h o n e t 控制装置、e c h o n e t 路由器及 e c h o n e t 机器设备所构成，采用无线方式或电力线方式连接，将家中的空训、 冰箱、照明器具、保安传感器及家庭医疗设备连接到同一个网络。e c h o n e t 的 网络架构如图1 3 所示】。 s m r c e ：e o - i o i j e t 图1 3e c h o n e t 网络架构 2 0 0 2 年11 月，e c h o n e t 协会发表了最新版的家庭网络技术标准e c h o n e t 3 , 0 ，在底层传输媒介技术中增加t b l u e t o o t h s e i 以太网络。因此，e c h o n e t 3 0 可以使用的通信媒介由此前的3 种：电力线、扩展h b s 用双绞线与红外线增加至5 种。 e c h o n e t 技术特征总体来说有以下五点，详细如下表所示。 特征主要内容 由于通讯媒介是使用电力线与允线传输技术，因此不需要在施工配 不需要配线 线，可以降低铺设成本，广泛使用在既有的住宅里 实现不同产品的整合 通过e c h o n e t 可以让各种不同的电器互相连接，并进行操控 e c h o n e t 的共同标准提供厂商一个更容易的中介软件与机器设备 弃易的开发应用环境 之间的应用开发环境，这样可以缩短产品开发时间 即插即用设备之间不但可以互连，更可以简易地增设或变更设备 2 j i n t e m e t 互连通过网关与i n t e m e t 互连，形成一个无所不在的网络世界 e c h o n e t 的远景是希望通过通用的语言、通用的应用和跨平台连接技术， 把家电和感应器连接起来，建立分享信息和互操作的家庭网络。然后，在此基础 浙江夫学工学硕十学位论文 信息科学与工程学院系统工程研究所 上，利用卫星、广播、有限电视干l 1 1 s d n 等通讯方式，进一步把电力公司、煤气 公司、医院和办公室与家庭连接起来，形成个无处不在的网络世界。 1 1 5z i g b e e 智能家居无线网络系统 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双 向无线通信技术，遵循i e e e 8 0 2 1 5 4 协泌，是i e e e 工作组专门为短距离通讯制 定的新标准。z i g b e e 的协议结构如图1 4 所示，它由高层应用规范、会聚层、网 络层、数据链路层和物理层组成。i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组主要负责制定物理层和 m a c 层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准”。 1 ) 物理层 z i g b e ep r o f i l e s ( 高层应用规范) 会聚层 网络层 i e e e 8 0 2 1 5 4l l ci e e e 8 0 2 2l l c i e e e 8 0 2 1 5 4 ，个质访问控制层 8 6 8 9 1 5 m h z 物理层2 4 g h z 物理层 图1 4z i g b e e 协议结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 物 理层两个物理层都基于d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直接序列扩频) 使用相同的物理层数据包格式但在工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速 率有一定区别1 ”。 ( 1 12 4 g h z 频段为全球统一无须申请的i s m 频段，它有1 6 个信道，采用 1 6 进制正交相移调制，传输速率为2 5 0 k b p s 。该频段物理层通过采用 高阶调制技术，可获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的：i ：作 周期，从而更省电。 ( 2 ) 8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，它只有一个信道，传输速率为2 0 k b p s ， 9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，它有1 0 个信道，传输速率为4 0 k b p s ， 8 6 8 915 频段均采用b p s k ( b i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ，二进制移相键控) 调制。该频段无线信号传播损耗较小，可降低对接收机灵敏度的要求， 获得较远的通信距离，即可用较少的设备覆盖较大的区域。 6 浙江大学t 学硕士学位论文 2 ) m a c 层 信息科学与工程学院系统工程研究所 i e e e s 0 2 系列标准将数据链路层分成l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路 控制) 和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，媒介按入控s q ) 两个子层。i e e e s 0 2 1 5 4 的 m a c 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束，确认模式的帧 传送与接收，信道接人控制，帧校验，预留时隙管理及广播信息管理。z i g b e e 在m a c 层采用c s m a c d 机肯r ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t 载 波侦听多路访问肿突避免) 的信道接入方式和完全握手协议，提高了数据传输的 可靠性。 网络层采用基于a d h o c 技术的网络协议，包含以下功能：寻址、路由和安 全。与i e e e 8 0 2 1 5 4 标准一样，非常省电。有自组织、自维护功能，最大程度 地减少消费者的开支和维护成本。应用会聚层主要负责把不同的应用映射到 z i g b e e 网络上，具体包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现及业务 发现。 3 ) 网络拓扑结构 z i g b e e 支持3 种通信设备的网络拓扑，即s t 卅星形) 、m e s h ( 圈j 状) 和c l u s t e r t r e e ( 树丛状) ”。其中，s t a r 网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络。 m e s h 网络是一种高可靠性检测网络，它通过无线网络连接可提供多个数据通信 通道，即它是一个高级别的冗余性网络，一旦设备数据通信发生故障，则存在另 个路径可供数据通信；c l u s t e rt r e e 网络是s t a r m e s h 的混合型拓扑结构，是 成本和可靠性的一个折衷。 为了说明这三种拓扑结构，先介绍三种z i g b e e 设备。r f d ( r e d u c e d f u n c t i o n d e v i c e ，简化功能器件) ：它在网络中作为源节点，只发送与接收信号，并不起 转发器路由器的作用。f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，全功能器件) ：它是具有转 发与路由能力的节点。如某个f f d 的信息传输路由失效或脱离网络，则将有另 一个邻近的f f d 节点快速地承担起数据传送至目的地的作用。还有一种就是网 络主机或网关，它起到与外部系统接口或协调与其他z i g b e e 网络的路由作用。 三种拓扑结构如图1 5 所示。 浙江j l ；：= 学工学硕士学位论文 s t a r 型拓扑 信息科学与t 程学院系统t 程研究所 r i l e s h 型拓扑 c l u s t e rt r e e 型拓扑 图1 5z i g b e e 拓扑结构 z i g b e e 网络具有如下优点1 5 1 ： 1 ) 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式。对 于r f d ，z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的 使用时间。 2 1 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时 隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 3 、成本低。模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1 5 美元到2 5 美元之间，且z i g b e e 协议是免专利费的。 4 ) 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延 都非常短。 5 ) 网络容量大。一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络。 6 ) 安全。z i g b e c 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 鉴于这些特性，z i g b e e 在今后有望成为无线网络的主流技术，而且支持 z i g b e e 的设备的价格会越来越低。它在家庭楼宇自动化得到了初步的应用，其应 用特点如下 15 1 ： 浙 人学工学硕士学位论文 信息科学与工程学院系统t 程研究所 ( 1 1 控制功能。可灵活地管理家庭内部任何位置的照明、供热及空训系统， 也可一体化集中管理照明、暖通空调与安防系统，并通过自动控制系统 以改善其节能、便利及安全性。 节能。通过优化管理暖通空调以达到节省能源消耗的目的，并基于现场 实际消耗数据实现准确的用户能耗数据计量。 ( 3 1 便利性。川快速重构照明系统以满足现场办公及工作区域的需要，并r u 方便地实现楼宇系统架构的扩展与升级。 ( 4 ) 安全性。通过多个传输路由实现控制点数据的网络化与集成化管理，并 采用无线网络提高信号数据传输可靠性。 z i g b e e 技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用 的便捷性是该技术成功的关键，它适用于短距离小范尉的基于无线通信的控制领 域，将在家居控制、楼宇自动化得到广泛应用。 1 1 6e 家佳 2 0 0 1 年成立的“中国家庭网络标准工作组”，由国家信息产业部与原国家经 贸委联合组织，推选海尔集团为组长单位，致力于中国家庭网络标准的制定、系 统平台的搭建、技术的研发和产品产业化及市场的推进。2 0 0 4 年，e 家佳联盟 ( i t o p h o m e ) j e 式成立。联盟的目标是以完善的产业链形式共同搭建家庭网络系统 平台，探索家庭网络商业的运作模式，促进家庭网络产品的产业化和市场推广。 日前，由建设部携1 0 0 多家众多行业的企事业单位加入e 家佳，联盟成员已逾2 0 0 家。e 家佳联盟日前宣布，e 家佳已得到国家建设部的支持，成员已经扩展到包括 芯片、安防、i t 、无线通迅、可视对讲、家居集成等2 0 0 多家企业。2 0 0 5 年6 月， e 家佳联盟所支持的家庭网络系统标准被信息产业部正式批准为行业推荐标准。 该标准由6 个标准文本组成： ( 1 ) 家庭网络体系结构和参考模型 f 2 1 家庭网络设备描述文件规范 f 3 ) 家庭主网通讯协议规范 ( 4 ) 家庭主网接口一致性测试规范 ( 5 1 家庭控制子网通讯协议规范 ( 6 ) 家庭控制子网接口一致性测试规范 联盟以上述标准为基础，进行产品开发及产业化推广，并以产业化促进标准 的完善。 浙江大学工学倾士学位论文 1 ) 家庭网络体系结构和参考模型 信息科学与工程学院系统t 程酬究所 家庭网络是融合控制网络利多媒体信息网络于一体的家庭信息化网络平台。 家庭网络通过有线或无线的方式接入因特网( i n t e m e t ) 、公众电话网、广电网、 小区局域网等网络；将家庭或类似的室内场所中的信息设备、通讯设备、娱乐设 备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安( 监控) 装置及水电气热表或概称 的三表三防设备等连成网络。通过有线或无线的方式为家庭或类似的室内场所提 供声音、图像和数据等业务的服务，实现资源共享及家庭自动化控制。 家庭网络采用分层次的网络拓扑结构 “】，分为两个网段：家庭主网和家庭 控制子网。其中，家庭主网通过家庭主网关与外部网络相连接，家庭控制予网通 过子网关与家庭主网相连接。家庭主网中的设备可以互相通讯，并通过家庭主网 关访问外部网络。家庭控制子网中的设备通过子网关、家庭主网关与外部网络通 信。家庭网络的体系结构和参考模型，如图1 6 所示。 图1 6 冢庭网络体系结构及参考模型 家庭主网的信息传输速率在1 0 m b p s 以上，主要用来连接家庭主网关、家庭 娱乐设备、信息设备、通讯设备、家庭控制子网关以及其它高数据传输速率的设 备。家庭主网协议采用简化的i s o o s l 分层结构，由物理层、网络传输层和应用 层组成。 家庭控制子网的信息传输速率一般不超过1 0 0k b p s ，主要用来连接家庭中各 种家用电器设备、三表三防设备以及照明系统等。家庭控制子网通讯协议采用四 层结构，分别是物理层，m a c 层，网络层和应用层。 1 0 渐江j ；学工学钡士学位论文 2 1 家庭网络设备描述文件 信息科学与工程学院系统t 程研究所 家庭控制子网设备不同于传统意义上的家用设备，除了具备传统家用设备的 功能外，最大的特点是具有信息交换的能力。家庭控制子网设备可以通过它的网 络通讯模块，以无线或有线的方式，同其它设备进行信息的交换。移动控制终端 是用户在家中使用的种通用、低功耗的便携式控制设备，通过移动控制终端可 以对家庭控制子网中所有设备进行控制。为了保证移动控制终端和家庭网关的通 用性，并使系统具有添加新设备的能力，采用设备描述文件的数据结构来描述设 备】。该文件描述了设备的各项控制、状态参数，以及对相关参数进行读取与 设置的命令、设备控制图形界面、语音提示和报告等内容。设备注册表是由子网 关保存的描述家庭控制子网中各个家庭控制子网设备信息的文件。当新设备加入 到网络中时，设备接收到控制终端或家庭子网网关发送的设备描述文件请求命令 后，将自身的设备描述文件发送给控制终端或家庭子网网关。控制终端或家庭子 网网关中保存着每个设备的设备描述文件，并将其整理成设备注册表，控制终端 根据设备注册表来显示系统中有哪些设备。 设备描述文件主要包括四部分：文件头、结构数据、字符资源和图标资源， 如图1 7 所示。 文件头 数据结构 字符资源 图标资源 图1 7 设备描述文件结构 其中，文件头部分主要包含设备厂家、设备描述文件大小等信息；结构数据 部分是设备描述文件中最主要的部分，它描述整个设备描述文件的组成结构；字 符资源部分包含了在设备描述文件中要显示的全部字符；图标资源部分包含了设 备描述文件中要显示的全部图标。 3 ) 家庭主网通讯协议规范 家庭主网通讯协议的物理层可以采用有线或无线方式，采用无线方式时，应 遵循无线局域网标准i e e e 8 0 2 1l b 、i e e e 8 0 2 1 1 9 或i e e e 8 0 2 1l a 协议，物理层 支持的信息最大峰值传输速率为1 1 m b p s 、2 2 m b p s 或5 4 m b p s 。采用有线方式时， 应遵循g b t 1 5 6 2 9 3 ( i e e e 8 0 2 3 ) 的规定，物理层支持的信息传输速率为 浙江 = 学t 学硕士学位论文 信息科学与工程学院系统 ：程研究所 1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 。网络传输层采用t c p i p 协议，且所有家庭主网设备应支持 t c p i p 协议。家庭主网设备可以根据自身功能的不同选择支持不同的应用层协 议。家庭主网设备的基本的网络通讯应用采用如下标准协议：w e b 浏览采用 h t t p ，文件传输采用f t p ，电子邮件采用s m t p ，远程登录采用t e l n e t 1 6 】。 家庭主网网关支持自适应1 0 0 1 0 b a s e t 接口。1 0 0 1 0 b a s e t 接口采用8 芯 双绞线作为物理介质，其中2 芯用于发送，2 芯用于接收；物理层采用曼切斯特 编码，用0 8 5 v 和一0 8 5 v 分别表示二进制1 和0 ，最大长度为1 0 0 m 。家庭主 网关是联系家庭内部和外部的接口，也是保护家庭内部网络安全的屏障。一方面， 主网关可以通过对数据包进行过滤而形成保护家庭内部网络的防火墙；另一方 面，主网关向外提供w e b 服务。为了提高安全性，在家庭主网关对外提供的w e b 服务中使用加密套接字协议( s s l ) 。s s l 是n e t s c a p e 公司设计的主要用于w e b 的安全传输协议。这种协议在w e b 上获得了广泛的应用。互联网工程小组( i e t f ) 将s s l 作了标准化，即r f c 2 2 4 6 ，并将其称为安全传输协议( t r a n s p o r tl a y e r s e c u r i t y ) 。s s l 介于h t t p 协议与t c p 之间，在t c p 之上建立了一个加密通道， 通过这一层的数据经过加密，达到保密的效果。 4 ) 家庭主网接口一致性测试规范 家庭控制子网物理层可以采用无线方式，工作频率范围为7 7 9 m h z 7 8 7 m h z 频段和4 3 0m h z 4 3 2m h z 。未来可扩展到2 4 g h z 的i s m 频段。使用频移 键控( f s k ) 进行调制，传输速率为3 8 4k b s 。也可以采用有线方式，有线物理 层包括逻辑单元和介质附属单元，逻辑单元将待发送字节分解成位和将接收位组 成字节。介质附属单元将待发送的逻辑位编码成物理位发送到总线上以及将从总 线上接收到的物理位解码成逻辑位。有线通讯以双绞线为总线通讯媒介，它既作 为节点的直流电源传输线又作为数据传输线，传输的直流电压范围为2 1 v 至l j 3