（系统工程专业论文）EIB家庭网络通信系统的研究开发.pdf

浙江大学t 学硕- j + 学位论文 信息科学与工程学院系统工程研究所刘错 摘要 计算机和通信技术的飞速发展促进了家用电器设备的网络化和智能化，家庭楼字自动化 技术已经越来越深的走入了人们的生活。在该领域内，国际上几十种主流协议进行着激烈的 竞争，我国的家庭网络应用研究业已起步。 本文以家庭网络广阔的市场需求为基础，选取了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。在对e i b 深入研究的基础上，成功开发 了舣值输出设备，进行了短消息s t l i n t e r n e t 远程监控类产品的设计，并总结出了一套e i b 网络 设备的开发流程和规范。 全文共分为八章： 第一章介绍了家庭自动化( h a ) 和楼宇自动化( b a ) 的应用背景和发展概况，并且对于目 前国际上最土要的儿种h a 、b a 协议进行了简介。 第二章详细研究了e i b 总线七层协议的规范，并通过一个测试对上述规范进行了验证。 对e i b 总线的组地址通信机制进行了研究分析。 第三章介绍了进行e i b 产品开发前的准备工作。通过荧光灯调光电子镇流器和无线遥控 浴霸的设计开发，完成了e i b 产品开发的技术储备。 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 的双值输出设备的设计开发过 程。 第五章将双值输出设备的开发经验总结为个完整的开发流程，并归纳出了一系列开发 规范，为进一步深入研究和后续开发奠定了基础。 第六章探讨了e i b 网络远程监控的实现。完成7 e i b 短消息控制软件 1 e i b i n t e r n e t 霞 关 的系统设计。 第七章对e i b 协议的发展进行了跟踪研究。介绍了从e i b l i j k n x 的演进过程，并对k n x 协议的特点进行了分析。 第八章总结了整个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。 第1 页 浙江大学工学颂一卜学位论文 信息科学与工程学院系统工程研究所刘锴 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 si nc o m p u t e r s c i e n c ea 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 s d a i l yl i f e n o w ，t h e r e a r et o n so f w o r l d w i d eh o m ea 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 l m 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 nt h i sa r e ah a sa l r e a d ys t a r t e d d r i v e nb yl a r g em a r k e tr e q u i r e m e n t s ，w ec h o s et h en o1h o m ea u t o m a t i o np r o t o c o li 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 hc o n t e n t b a s e do ni n - d e p t hs t u d y o fe i b p r o t o c o l ，s 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 yo u t p u tm o d u l e ，a n df i n i s h e dd e s i g no f t w or e m o t e l n o u i t o rm a dc o n t r o lp r o d u c t sf o re i b t h ee i bs m sc o n t r o ls o f t w a r ea n de i b - i n t e r a c tg a t e w a y t h r o u g ht h ee x p e r i e n c e si nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k ，w es t u m m a r i z et h es t a n d a r dp r o c e s s o fe i bp r o d u c t s d e v e l o p m e n ta n dm a k eas e to f d e v e l o p m e n tp r i n c i p l e s t h ep a p e ri sc o m p o s e do fe i g h tc h a p t e r s ： c h a p t e r1i n l 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 ) a n db u i l d i n g a u t o m a t i o n ( b a ) ，a n di n t r o d u c e ss e v e r a lm o s tp o p u l a rh a b ap r o t o c o l s c h a p t e r2d e s c r i b e st h e7 - l a y e rm o d e lo f e i bp r o t o c o lt h r o u g hag r o u po f t e s t i n gd a t ao nt h e b u sa l s oe x p l a i n st h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo f e i bn e t w o r kb a s e d0 ng r o u pa d d r e s s ， c h a p t e r3i n t r o d u c e st w oh a r d w a r ed e s i g np r o j e c t s ：d i m a r 6 n gb a l l a s tf o rf l u o r e s c e n tl a i r s a n dt h er e m o t ec o n t r o l l e db a t h x o o mm a s t e r t h e s et w op r o j e c t sa r et e c h n i c a lp r e p a r a t i o n sf o r f u r t h e rd e v e l o p m e n to fe i bd e v i c e s c h a p t e r4d e s c r i b e st h ep r o c e s so f d e v e l o p m e n to f e i bb i n a r yo u t p u tm o d u l e ，b a s e do ne 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 r5g i v e sac o m p l e t ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n ds e v e r a ld e v e l o p m e n tp r i n c i p l e sf o re i b p r o d u c t s ，b a s e do ne x p e r i e n c e sg a i n e di nb i n a r yo u t p u tm o d u l e ， c h a p t e r6d i s c u s s e sr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o lf o re i bn e t w o r k ，a n di n t r o d u c e st h ed e s i g n o f e i bs m sc o l l t r o ls o f t w a r em a dt h ee i b i n t e r a c tg a t e w a y c h a p t e r 7i n t r o d u c e st h em o s tr e c e n td e v e l o p m e n to f e 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 s m a i nc h a r a c t e r i s t i e so f k n x t h en e we l b c h a p t e r8d r a w sc o n c l u s i o no f t 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 r t h er & d o f e i bn e t w o r ki nt h ef o t u r e 第2 页 浙江大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刘锴 致谢 在硕士论文完成之际，我衷心地感谢我的导师吴明光番4 教授多年来在各个方面给予我的 关怀和帮助。在我的科研工作和论文写作过程中，吴老师始终给予了精心的指导和热心的帮 助。同时，炅老师热诚的为人、敬业的精神和广博的知识使我受益非浅。吴老师在日常的学 习生活中给予我中肯的建议和指导，在我两年半的研究生阶段乃至今后的人生道路中都始终 是一种激励。 感谢浙江大学机械电子研究所的黄克强老师。在遥控浴霸项目中，黄老师丰富的知识和 经验给了我很大的帮助。 感谢厦门恒远智能科技有限公司的王尧民总经理。王总在e i b 项目开发的设备采购，资 制搜集和最终样品的模具等各个方面给予了大力支持，使项目得以顺利完成。 感谢已经毕业的师兄谢峰、周永、陈引、周缵、黄h 夫、刘敢峰。尤其感谢谢峰和周永 两位师兄的指导，使我得以快速入门，从两位师兄身上学到了很多知识。两位师兄的敬业精 神也是对我的激励。 感谢实验室的师兄娄嘉峻，同学姬亚朋、郭锐、蒋仙华和师弟崔佳林、陈思国、封宁波。 在你们身上我学到了不少新知识和新方法，你们对我学习和工作提出的中肯的意见和建议使 我能够更好更快的完成课题。娄嘉峻师兄丰富的经验在e r b 网关的设计中给了我很大的帮 助。 感谢所有教育过我和帮助过我的老师们，你们的淳谆教导是我一生中最宝贵的财富。感 谢我所有的朋友和同学，一起生活和学习的美好时光里，你们给予我的真诚的鼓励和无私的 帮助是终生难忘的。 感谢父母和家人多年来在物质和精神上的巨大支持，这是我每一项成就背后最大的动 力。 2 0 0 4 年2 月1 5 日 第3 页 浙江大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刘锴 第一章家庭楼宇自动化概况以及协议简介 1 1 家庭自动化( h a ) 与楼宇自动化( b a ) 简介 家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) ；自l 楼宇自动化( b u i l d i n g a u t o m a t i o n ) 经常被一起提及， 这两个概念有很多相似之处，在应用上也有很强的关联，但总的来说。两者之间是既有联系 义有区别的。本论文中主要讨论的欧洲安装总线( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 的功能涵盖了 家庭自动化和楼宇白动化的方方面面，而作者研究与开发的主要方向是家庭自动化( h a ) 领域。 随着家庭自动化技术的发展，很多像是科幻小说中的场景已经在现实中实现了。用一句 “看电视”的语音把电视打开，这时窗帘拉上了，房间的光线逐渐调整到最适宜看电视的程 度或者在回家的路上，打个电话，h a 系统自动为您提前打开空调，调整室内温度到 台适程度，接通通风装置，调节好室内的光线，把预先准备好的食物用微波炉加热。这样， 一同到家里就可以享受到清新的空气、舒适的环境，和刚刚热好的食物随着i t 产业的发 展和人们生活水平的提高，“家庭自动化”、“智能家居”、 “网络家电”、“家庭网络” 等技术的发展止受到人们的密切关注，相关产品也在逐渐成熟。进一步完善“智能家居” ( s m a r th o i l e ) ，更好的实现上面描述的清景，给人们的生活带来本质的变化，就是研究 家庭自动化技术的意义所在。 家庭自动化系统从功能上大体上可以划分为以下子系统( 图11 ) ： 图1 1 智能家居的各个功能子系统 照明控制系统：提供灯光的调光、场景控制； 家居安防系统：通过各种传感器与安防模式，实现防盗、防灾与求助； 电器控制系统：包括红外家电控制、连接网络家电等功能； 环境控制系统：对窗帘、通风设备、采暖设备、空调器等进行统一管理 第4 页 浙江大学工学硕一l 学位论文 信息科学与工程学院系统工程研究所刘锴 互联网远程监控：经由网页浏览器，就可以远程控制家庭设备； 电话远程控制：通过电话、手机，甚至短信，随时随地控制家中设备： 网络视频监控：通过浏览器，在办公室就可以看到家中的情景； 智能化协同工作：设备之间可以设计联动操作，实现协同效果； 室内无线遥控：通过无线射频、红外遥控等手段，对全家设备进行遥控。 家庭自动化系统的出现是以计算机、嵌入式系统和通讯技术的快速发展为前提的。可以 说没有先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，就不可能实现将家中的各种设备( 如照 明系统、环境控制、安防系统、网络家电) 通过家庭网络连接到一起的高度智能化的家庭自 动化系统。一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥 控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联 动：另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状 态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。 相比较而言，楼宇设各自动化的发展历史则要久远的多了，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一个整体，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。目前人们经常提起的智能小区，智能大 厦充分利用了楼宇自动化的技术。以f 是楼宇自动化的部分控制对象，从中可以清楚的看到 他嗣i 家庭自动化系统的不同： 中央空调 一冷冻机房白控 新风及空调机 主要的供风和l 排风机 一空调系统分区开关监控 ，中央空调计费系统 给水排水设备 公共照明系统分区分层开关监控 变屯系统监控 ，高压及配电监控 通过电力变送器对整个楼字供电情况作模拟监控 自动扶梯和电梯监控 消防系统报警监控 锅炉机房及热水供应监控系统 防漆系统 从上面的描述可以看出，家庭自动化和楼宇自动化两者涉及的范围有大小，具体控制对 第5 页 浙江大学工学硕i 。学位论文 信息科学与工程学院系统工程研究所刘锴 象有区别以及目的的不同。但是，就其运h 的技术和发展趋势却是相似的。无论是h a 还是 b a ，其趋势都是网络化，并且向着越来越开放和标准化的方向发展。这可以和工业控制领 域的发展相类比。在工业领域，最初的控制系统是孤立的单元式的控制器件；随着计算机的 普及，出现了集散控制系统；随着网络技术和嵌八式技术的迅速发展，出现了分布式的现场 总线系统：在技术和市场的推动下，现场总线系统的协议越来越趋向于开放的和统一的协议。 同样，在家庭楼宇自动化领域，也经历着从传统的单元控制到集中控制，再到开放式总线系 统的发展。本文探讨的e i b 总线就是一个开放的，互联互操的总线式网络系统。 总线系统出现的意义就如同计算机领域中网络出现的意义，他将从根本上改变家电和楼 宇控制的格局，也代表了可预见的未来中这个领域的发展方向。正如在计算机领域和工业控 制领域中出现的问题一样，家庭自动化和楼宇自动化领域中目前也面临着众多网络协议麸存 的现象。这种现象从一定程度上制约了家庭网络的推广，损害了用户的利益。但是就目前来 讲，由于开发商的利益等历史原因，这种多种协议共存的格局还必定要存在较长的时间。国 际上对家庭自动化的研究起于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在北美、欧洲和日本等一些经济比较 发达的国家。因此目前国际上已有的一些比较成熟的网络协议标准，女d e i b 、l o n w o r k s 、 c e b u s 、x 1 0 、h b s 、b a c n e t 等也源自上述地区。2 0 0 3 年6 月成立的数字家庭工作组 3 1 ( d h w g ) 组织1 刍i n t e l 、i b m 、m i c r o s o f l 、h p 等大型跨国企业牵头建立，引起了广泛关注。值得一提的 是我国知名企业联想集团也是该组织的发起企业之一。近年来，我国除了积极研究和学习发 达国家的家庭自动化网络协议也在开始关注具有自主知识产权的相应的协议标准。2 0 0 3 年，联想、t c l 、康佳、海信、长城等国内企业建立了“闪联”标准和标准工作组【4 1 。虽然 “闪联”标准离被市场广泛接纳还有距离，但是国内企业迈出的这一步，将很有可能成为一 个历史性的开端。 或许将来会出现一种像i n t e m e t 中的t c p ，i p 一样的事实上的全球标准，但鉴于市场的不 确定性和技术突破的不可预见性，现在预测上述哪一个标准会成为事实上的标准还为时过 早，因此，针对已有的，l 个比较重要的家庭自动化协议进行研究和开发无疑具有重要的意义。 1 2 现有h a b 协议研究 当前世界上比较主要的h a b a 协议就超过几十种。我所目前进行研究和开发的涉及到 x 一1 0 ，c e b u s 、h b s 和e i b 等晟主要的协议以及相关的产品。 1 2 1x _ 1 0 协议的研究与应用 x l o 是世界上第一个利用电力线来实现电灯等家用电器控制的规范，其技术最初是由 p i c oe l e c t r o n i c sl t d 于1 9 7 9 年开发成功，后转让给当时比较著名 约b s r 音响公司口1 。在1 9 9 0 年，b s r 公司休业后，x - 1 0 的开发 电力线、嵌形 人员买f 了该项技术并成立了x 1 0 公司，生产和销售x 1 0 的产品，美 国的一些公司如s h a c k 、s t a n l e y 、 l e v i t o n 、h o n e y w e l l 也生产和销售 x i o 的产品，包括照明设备，遥控 器，保安设备等等。目前，数百万 圈i 2 x 1 0 电力线载波 第6 页 浙江大学丁学 i ) i - i ：学位论文 信息科学与工程学院系统工程研究所刘锴 美国家庭在使用x 1 0 产品。 x 1 0 是以5 0 h z 或( 6 0 h z ) 为载波，再以1 2 0 k h z 的脉冲为调变波( m o d u l a t i n g w a v e ) ， 发展出来的控制技术，信号的传输是利用市电电源的正弦信号的过零点同步来进行的。x 一1 0 协议规定，当经过过零点1 m s 的时间内有1 2 0 k n z 脉冲，表示信号“】”，无脉冲则表示信号 0 。码元“l ”是用信号“l o ”来表示的，即在第一个过零点发送载波信号，在第二个过零点 插入空闲信号( 不发送载波) ，码元0 是用信号“0 1 ，来表示的，即在第一个过零点插入空 闲信号，第- 二个过零点发送载波。如图1 2 显示的是两个码元“1 ”的信号。 x 1 0 规定的数据有地址码和功能码，可以对同一地址发送连续多个命令，也可以对连续 多个地址发送同一命令。 x 一1 0 协议出现甲，与c e b u s $ 1 _ i e i b 等复杂的总线协议相比，结构简单。x 1 0 只可寻址2 5 6 个单元，其使用的1 2 0 i c h z 的电力载波的带宽有限，不能传送大量的信息，1 2 0 k h z 的电力 载波也易受干扰。 x 1 0 的特点是结构简单，规模小，价格低。因此被广泛应用于家庭应用场合，例如安全 监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制和住宅仪表数字读取等方面。目前国内 也有多家生产x l o 系统的公司。系统工程所开发了x 1 0 电力线收发模块、智能控制开关等。 x l o 产品与c e b u s * r j e i b i | 比具有明显的价格优势，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。 1 2 2c e b u s 协议的研究与应用 c e b u s 的全称是消费电子总线( c o n s u m e r e l e c t r o n i c s b u s ) 。它的发展可以追溯到1 9 8 4 年，美国电气j 一业协会( e i a ) 的消费电子d , - h 开始制定在家庭中使用的消费产品的网络通 讯标准。此标准后米就被称作消费电子总线。1 9 8 9 年，消费电子总线的部分草案发布。直到 1 9 9 2 年，所有的消费电子总线规格说明书才得以发布，这就是e i a 6 0 0 j u e i a 7 2 1 标准【”。1 9 9 4 年，“消费电子总线委员会”( c e b u si n d u s t r y c o u c i l c i c ) 成立。这是一个非盈利性组 织，由生产制造消费电子总线兼容产品和 提供相应服务的公司组成。负责c e b u s 标准 的制定和发布：并监督市场、保证产品的 互操作性、以及认定产品是否符合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。对丁多节点竞争访问网络资源的解 决方法是采用冲突检测和冲突分辨协议 ( c s m a ，c d c r ) ，网络中各节点的控制关 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。 参照i s o 的o s i 网络协议建议二m 消费 i s 0 开艘幕 锰撞型 鹰用层 表选层 会话层 转箱层 腭努层 数捂链瞎层 _ 物理层 层 问 管 理 c e 日u s 同摊磺型 鹰翔层 舛络层 数据键踌层 均理层 图1 3i s o 开放系统模型和c e b u s 采用的模型 第7 页 一 转精 一 酉氧览广境 一万皱轴额外纤鲠一百襄曰射红光一 浙江大学工学颂l ：学位论文 信息科学与工程学院系统t 程研究所刘锴 电子总线可划分为物理层、数据链路层、网络层芹f f 应用层( 图1 3 ) 。 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 制信号可以通过电源线和红外线，对于大揖的和实时的视频数据信号可以通过同轴电缆，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。 消费电子总线的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，连接在取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 e t r a n s f e r l a y e r ) ，传递四神类型的消 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。 目前，国外生产c e b u s 智能家电产品的有g e s m a r t 等公司。相关的产品包括灯光控制、 开关、传感器、插座、能源控制器、协议转换器等。 支持c e b u s 协议的应用产品开发过程大致可以分为以下几个步骤： c e b u s 通用模块设计。通用模块实现和c e b u s 总线的接口，完成协议各层的解析， 是每一个基于c e b u s 的应用产品的基础。其核心部分为物理层接口设计和数据链路 层软件设计； 应用模块的硬件设计。应用模块在通用模块的基础上实现特定的应用功能，根据相 应功能设计出p c b 电路板。 分析设备，确定功能模型。该步骤的核心是c a l 语言。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。根据 c a l 的规定，确定设备所属类型，以及在c a l 中的上下文和对象。 软件设计。由上下文对象模型构造对象实例，编写应用软件以及相应的函数接口。 系统调试。 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1 = i j 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，利用先进集成电路制造技术实现该平台，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，以期进一步掌握核心技术，降低系统成本，推广基于c e b u s 的家庭网络系 统。 1 2 3h b s 协议研究与应用 h b s 的全称是家庭总线系统( h o m eb u ss y s t e m ) 。他是由日本电子工业联合会无线：l 秽电子仂会( e i a j r e e a - - e l e c t r o n i c i n d u s t r y a s s o c i a t i o n o f j a p a n r a d i o e n g i n e e r i n g & e l e t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) h b s 标准委员会于1 9 9 7 年制定的，得到了日本政府和商会的支持。 第8 页 浙江人学工学硕1 卜学位论文 信息科学与工程学院系统工程叼f 究所刘锴 h b s 以坝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 有控制通道和信 息通道之分，控制通道用于低速数据的传输，信息通道用于高速数据的传输。控制通道最多 可以有6 4 个节点，传输速率为96 k b p s 。h b s n 络的拓扑结构如图1 ，4 所示。 图1 4 h b s 网络拓扑结构 h b s 对o s 七层模型作了精简，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。在介质访问子层，h b s 采用带碰撞检测的载波侦听多路访问( c s m a c d c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea 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 的子网 之间由路由器连接，h b s 的子网和其他网之间用网关连接。 日本政府以及各大公司对h b s 投入了巨大的资金，h b s 主要面向白色家电，价格低廉性 能可靠的氏处使其得到厂泛应用。日本黑色家电主流技术为h a v i ，h b s 通过网关与h a v i 实现互联。但是，h b s 不支持电力线和无线传输，并且传输速率仅为9 6 k b p s ，这些不足限 制了他的使用范围。 譬卫 o - 1 客 蛐。 卧室 囫 & f l 、 翟焉翟。 灯山桃 弦 调光上 l i 一 _ 驱动幽 刚翡& b 鬈悬 主- r , f l 块l 蘑 _ 1 i l 同 。息挂 * 藁 电话毒耋人 控 开 2关 耋白卣萋蠹 w 由开关 白耋卤萎 羔 a c 2 2 0 一： 图1 5 h o m e b u s 系统应用实例 系统：l ：程所成功开发q h o m e b u s 家庭网络系统，已经投入小批量生产。图1 5 为系统工 第9 页 浙江火学工学硕：l 学位论文 程所h o m eb u s 系统的一个应用实例。 1 2 4e i b 协议研究与应用 信息科学与工程学院系统工程研究所刘锴 欧洲安装总线( e i b e u r o p e a n i n s t a l l i n g b u s ) 是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动 化( b a ) 和家庭自动化( h a ) 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的，它出 现较晚，但是发展比较迅速。e i b a 是e i b 的管理机构，目前在全球已经拥有1 1 0 多家生产厂 商。美国消费电子制造协会( c e m a - - c o n s u m e re l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 批准 e i b 为家庭网绍标准( e i a 7 7 6 ) ”“。 t | c e b u s 类似，e i b 也是一个开放的协议，同样采用双绞线、电力线、同轴电缆、无线 等丰富的通讯介质，其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。使用双绞线时，每个物理段可 长达1 0 0 0 m ，传输速率为7 6 k b p s ；使用电力线时，最大传输距离为6 0 0 m 。e i b 网络也是一个 完全对等( p e e r - t o - p e e r ) 的分布式网络。网络上的每个设备具有相等的地位，h b 网络中最 多可以有15 个域( a r e a 或z o n e ) ，每个域最多可以有1 5 条线( l i n e ) ，而每条线最多可容纳 2 5 5 个设备( d e v i c e ) ( 图16 ) 。 e i b 是面向家庭楼宇自动化的通信协议，其思想与现场总线如出一辙。e i b 参照o s i 七层 图1 6e i b 网络拓扑 模型，并进行了合理的简化，分别实现了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层， 会话层和表示层的功能则并人应用层。在介质访问子层，e i b 采用带碰撞避免的载波侦听多 路访问( c s m a c a ) 协议。网络层主要用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。 传输层支持面向连接和面向非连接的两种服务。 第1 0 页 浙江人学1 二学颧j j 学位论义 信息科学与工程学院系统工程研究所刘锴 e 1 b 网络中，最基本的单元是e i b 总线节点，节点由总线耦合单元( b c u - - b u sc o u p l e u i m ) 和应用模块( a m - - a p p l i c a t i o n m o d u l e ) 组成。b c u 中固化了e i b 的通讯协议，以便 设备与总线交互。在b c u 的基础上，用户可以根据不同的应用选择不同的a m 。 e i b 一出现，就获得了巨大的成功，国际上很多知名公司都推出了符合e i b 规范的相关产 赫。但是，e i b 较低的传输速率( 9 6 0 0 b i t s s ) 影响了他的适用范围。1 9 9 0 年5 月8 目欧洲主 要电气制造商共同制定t e i b 协议标准，截j r 2 0 0 2 年6 月，全世界有3 0 0 余家制造商生产5 0 0 0 余 q e i b 兼容产品【】”。德国商业功能建筑中的3 0 楼宇安装了e i b ，计划建造的楼宇中，这 一比例达到了6 0 【l “。1 9 9 9 年，e i b 进入中国。厦门国际会展中一f , , 2 0 0 0 年8 月投入运行，是 e i b 在中国的第一次成功应用，目前，e i b 在中国设有两个培训中心，2 0 余家代理集成商。 在中国，e i b 处于市场培育导入期向发展期的过渡阶段，发展态势良好。厦门国际会展中心、 人迎国贸中心、北京朝阳区体育馆、上海新国际博览中心、上海黄浦区政府办公大楼、浙江 人比大会堂等都是e 1 b 的成功应剧案例1 1 。 b c u = b u sc o u p h n gu n i t 肿a p p k a 由nm o d u l e p e i = p h y s i e a le x t e r n a li n t e r f a c e 图1 7e i b 总线设备结构 图1 7 显示了e i b 总线设备的结构。b c u 和a m 的分离使e i b 产品的开发具有更好的标准 化和兼容性。系统工程所2 0 0 0 年成为e i b 协会科学会员，在西门子公司的b c u 芯片基础上实 现了取值输出、双值输入、调光等应用模块，目前正在进行e i b i m e m e t 网关的设计。 制约e i b 推广的主要因素也是高昂的价格，这使得e i b 在国内主要应用于公共设施而难 以应用于家庭。与c e b u s 相比，e i b 协议结构相对简单标准化程度更高，由中立的非盈利 组织e l b a 负责安装配置软件( e t s ) 的提供和产品资质认证，确保e i b 协议对各生产厂商的 开放、公平、合理。e i b 基于现有b c u 芯片的开发成本也较低，如果能成功实现e i b 设备的 国产化，则可以大幅度降低e i b 系统的成本。因此e i b 在中国的应用有较大的潜力。 f 一章将详细介绍对e i b 协议的研究。结合测试与分析的结果阐释e i b 协议的结构，内 容以及通讯系统的原理。 1 3 本章小结 本章介绍了家庭自动化和楼宇自动化的概念和概况；介绍了几个主要协议的特点和现 状。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，借鉴国外研究经验，尽快开发相关产品具有重要意义。 第1 1 页 浙江大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刘锴 第二章e i b 总线协议研究 2 1e l b 总线协议结构分析与测试 如前一章所述，e i b 总线协议遵循i s o o s i ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n o p e n s y s t e m si n t e r c o r m e c t i o n ) 七层协议规范。i s o o s i 的七层规范白下而上分别为：物理层，数 据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层，其结构和功能如图2 1 所示。 图2 1i s o o s i 七层参考模型 e i b 对o s i 的七层规范做了合理的简化，其中第5 层和第6 层。印会话层和表示层并入应 用层。_ f 面将结台一个e i b 总线数据的测试实例，介绍e i b 5 层协议的规范和数据格式。 在测试中，记录一个e i b 按钮模块按f 一个按钮时发出的数据帧，测试条件如下： 测试模块：s i e m e n s5 w g l1 1 6 - 2 a b 0 1 传输介质：双绞线 物理地址：1 1 2 ( h e x0 0 0 1 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1 ) 通讯对象：o b j o ，o b j l 通讯对象的组地址均为1 1 1 ( h e x00 0 0 10 0 10 0 0 0 0 0 0 1 ) 注：物理地址、组地址、通讯对象的概念将衬：后续章节中阐述 2 1 1 物理层 5 v 理论波形 t 爹_ 、“专j | 、赵、i l 冀i l o j 图2 2e i b 物理层信号波形( 双绞线) 第1 2 页 浙江火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刘锴 物理层控制和实现物理的比特流在介质中的传输。e i b 协议允许多种不同的介质，如双 绞线，电力线，r f 等等。这里讨论的是晟常用的双绞线通信的物理层规范。图22 中左图是 e i b 双绞线上一个b i t 0 的理论信号波形，击图是实际波形。图中显示的信号为总线交流 信号，该信号叠加在一个2 9 v 的直流电压之上。 在双绞线系统中e i b 采用c s 凇c a ( c a r r i e rs e n s em u 】t i d l ea c c e s s c o l n s i o n a v o i d a n c e 带冲突避免的载波侦听多路存取) 机制。在c s m a c a 机制中，若一总线应用单元 ( b a u ) 已经开始发送信号，则系统禁i h 其他总线应用单元占用信道，避免信号发生冲突。 若两个总线应用单元同时发送信号，以终端总线节点的优先级决定信道的使用。起始信号用 来解决多机共享信道时的竞争问题。起始信号为1 的状态称为劣态( i n f e r i o rs t a t e ) ，起 始信号为0 的状态称为优态( s u p e r i o r ) 。信道竞争过程发生在帧头中，所以不会造成数据 的丢失。如果多个总线节点同时要传送数据，总线节点侦听总线状态，当一个劣态的总线节 点检测到优态状态时，它就停止传递，具有较离优先级的设备占用信道。低优先级的总线节 点保持侦听网络，等到信号传输结束后再传输数据。起始位0 优先级比“1 ”高。信号传 输中，1 信号保持在0 伏电压；只有在“o ”信号传输时，线路电压才进行改变。“0 ”信 号使线路保持3 5 uus 的一5 伏电乐，此后线路中的耦合设备( 主要是系统电源中的变压器和 扼流电感) 使信号产生时延，从而产生补偿脉冲，使得总线上的功率平衡。因此，o 信 号传输时间为1 0 4us 。 在测试中，按下一个按钮后，使用示波器在总线上测得一个脉冲信号序列，图2 3 显示 了其中一段。 圈2 3 物理层信号测试 根据图2 2 物理层规范，将该脉冲序列解码得到图2 4 所示物理层原始数据 第1 3 页 浙江夫学t 学硕k 学位论义 物理崩信号 进制数据 十 进删数姑 起数校停帧 始据驻止间 信息科学与工程学院系统t 程研究所刘锴 匝匝皿强亚珂匝匝呵强殂珂 9 c 1 10 2 物理联匝匪皿强碉亚田匝匪呵强鲴王圃匝匪珂巫田 n p d u 进制数据 十六进制数捌 0 90 1e 1 物理联信号e 1 日j ! i i ! e 1 日珊e i j e ! e 1 日j i 卿e i j i ! 目j i j 卿 进制数据 十六进制数据 0 08 11 8 图2 4e 1 b 总线数据测试分析 引中第一行即从总线上测得的物理层数据，关于第二二、三行，二进制数据和十六进制数 据的含义，见f 文分析a 2 1 ，2 数据链路屡 在e i b 系统数据链路层中，二进制 数据结台起始和结束标志位组成数据 帧。数据链路层同时还要处理接受数 据后的应答。 一个数据帧由一个单独起始位、 八个数据位、一个优先级标志位以及 一个停i e 标志位组成。两个相邻的帧 之闻有一个2 b i t s 长的间隔。传输的数 据是从字节的最低位( t h el e a s t s i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 开始，到虽高位 ( t h em o s ts i g a a i f i c a n tb i t 。m s b ) 结束 的。为了校验信息是否被正确接收， 接收方的总线1 ，点使削信号中的校验 。t ：l ；骧雯骘盂馨赫蘸。、。， t 3 = 数据包间隔( 5 0 b j t s ) 图2 5 数据链路层消息报文和确认帧的结构 第1 4 页 浙江大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刘锴 字节进行校验，然后对发送节点进行确认。 一个数据包包含若干帧，最屙一个帧是一个校验字节，采用奇校验方式。如果发送结束， 被寻址的网络。忸点会在1 3 个b i t 的间隔之后发送一个应答帧。如果有多个节点被寻址，则这些 h 点会完全同时发送这个应答帧，但是在总线上只有一个应答帧是可见的。如果一个节点接 受失败，则会发送一个负的应答帧( n a k ) ，接受丑三确的节点发出的是一个正的确认( 1 a c k ) 。 i n a k 可以覆盖所有的i a c k 。发送方受到一个i n a k 时会重新发送。应答帧是没有地址信息 的，因此发送方无法发现接受方没有收到数据的情况。 e i b 数据链路层中的数据包具有一定的优先级。由高到低分别为：1 系统级( s y s t e m ) ，2 警告级( a l a r m ) ，3 高级( h i g h ) ，4 低级( l o w ) 。在一个确认发送完毕后，经过大约5 0 b i t s 的时 间总线成为空闲状态。在下一个数据报文发送之前，发送方根据不同的优先级还要等待不等 的时间。