（系统工程专业论文）家庭楼宇自动化系统的研究与开发.pdf

浙江大学工学 硕士学位论文 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 进入日常生日 人们越来越关注生活质量的提高 家庭自动化顺应了这股潮流而 日益深入人心 本文论述的欧洲设备安装总线系统的研究与开发就是在这方面进 行的一次有益尝试 本文以第七章的实例贯穿全文 每章内容均围绕此实例展开 欧洲设备安装总线协议 e i b e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb 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 基于其优秀表现 该协议 已被美国消费电子制造商协会 c e m a 吸收作为家庭网络e i a 一7 7 6 标准 本文针对e i b 系统协议及相关内容进行了深入的研究 并在此基础上进行了 开发和应用 f 全文分九章 第一章简要的介绍了家庭楼宇自动化及其主流协议 这些协议 与标准对e i b 系统的研究开发有相当的借鉴参考作用 第二章详细介绍了e i b 系统的系统结构 系统组件 为全文提供了一个e i b 系统全貌 第三章对遵循i s o o s i 的e i b 通讯协议网络层次关系进行了深入的研究与论 述 第四章对e i b 通讯机制的主要元素 物理地址 组地址和编码结构 以及 e i b 内部工作标准 e i s 进行了阐述 第五章介绍了e i b 通讯机制 对通讯对象以及三个通讯用表一一进行详细描 述 第六章以开关控制模块为例介绍了e i b 总线元件从a m 应用模块到a p 应用 程序的开发流程 第七章对照明系统的发展进行回顾 搭建了 个基于e i b 协议的智能照明应 用演示系统 并于市场层面对几大协议进行比较 第八章介绍了针对低端市场开发的数字化智能照明系统 并对此系统红外遥 控模块的设计进来了描述 第九章对全文进行了总结 并对e i b 系统的研究开发提成了新的构思与想 漾 一一 一 j t 我 二 反盖 o 一 一 一 t h 1p f f w j 引 9 j 一 l 一一 tr 分屯3 参 7 文哼 伊 7 一 浙江大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k h o m e a u t o m a t i o ni s s t e p p i n g t o d a i l yl i f e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u sw h i c hi sam a i np r o t o c o lo ft h eh o m e a u t o m a 6 0 n e i b e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u si st h ed o m i n a n tp r o t o c o lo fb u i l d i n ga u t o m a t i o na n d h o m ea u t o m a t i o ni nt h ew o d d b e c a u s eo fi t se x c e l l e n e e i th a sb e e na b s o r b e di nh o m e n e t w o r ke i a 7 7 6c r i t e r i o nb yc 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 s a s s o c i a t i o n c e m a t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i st h e s i sa r eb a s e do nt h es p e c i f i c a t i o n sa n d r e l a t e dd o c u m e n t s o f e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb u s t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t on i n e c h a p t e r s c h a p t e ro n e i n t r o d u c e st h ec o n c e p to fh o m ea u t o m a t i o na n ds o m ew o r l df a m o u s p r o t o c o l si nh o m e a u t o m a t i o n f i e l d s w h i c ha r eh e l p f u lf o r o u rw o r k c h a p t e r t w oi st h eg u i d e l i n eo ft h e e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb u s s y s t e m w j t hd e t a i l i n f o r m a t i o no fs y s t e ma r c h i t e c t u r e f u n c t i o n p r o t o c o la n d s p e c i f i c a t i o n c h a p t e rt h r e ep r e s e n t s t h ee l l sn e t w o r k w h i c hi sb a s e do nt h ei s o o s i p r o t o c 0 1 c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st h ep h y s i c a la d d r e s s g r o u pa d d r e s sa n ds y s t e mc o d i n g f r a m e w o r k t h e ne m p h a s i z e so ne i bi n t e r w o r k i n gs t a n d a r d s c h a p t e r f i v ed e s c r i b e se i bc o m m u n i c a t i o nr u l e sw h i c ha r eb a s e do n c o m m u n i c a t i o n o b j e c ta n d t h r e ec o m m u n i c a t i o nt a b l e s c h a p t e rs i xi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sf r o ma p p l i c a t i o nm o d u l et o a p p l i c a t i o np r o g r a m w i t ht h e e x a m p l e o fs w i t c hc o n t r o ld e v i c e c h a p t e rs e v e nc o m p a r e st h et r a d i t i o n a ll i g h t i n gs y s t e m t h eh o m ei n t e l f i g e n t c o n t r o ls y s t e ma n ds h o w sai i g h t i n gi n s t a n c eo ft h ee i b s y s t e m c h a p t e re i g h t d e s c r i b e s d i g i t i z e di n t e m g e n tl i g h t i n gs y s t e m a n di t si n f r a r e d r e m o t e c o n t r o l l e rm o d u l e a tl a s t c h a p t e rn i n es u m m a r i z e st h ew h o l ep a p e ra n dp u t sf o r w a r ds o m en e w i d e a sf o rt h ee u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u ss y s t e m 4 浙江大学工学 硕士学位论文 致谢 在硕士论文完成之际 我衷心地感谢我的导师吴明光副教授多年 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 吴老师热诚 的为人 敬业的精神和广博的知识使我受益非浅 感谢杭州市科委的楼建人处长 从项目的立项到项目的开展 他 都给予了具体 细致的指导 提供了许多极具价值 建设性的意见 感谢机械电子研究所的黄克强老师 作为技术指导 他事必躬亲 业务精通 处事严谨 在他身上我学到了很多 感谢杭州鸿雁电器公司的杜贵福老总 在他亲自过问下 杭州鸿 雁电器公司提供了经费和国外产品样机 项目的顺利开展是和他的大 力支持分不开的 非常感谢已经毕业的师兄谢峰 周永 陈引 周缵 同学刘敢峰 娄嘉俊 王修辉 翁浩海以及师弟郭锐 蒋仙华 陈思国 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 特别感谢师弟刘楷 在调 光模块与e i b 项目的合作中 我受益良多 谢谢你们的关心和帮助 感谢所有教育过我和帮助过我的老师们 你们的谆谆教导是我一 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 最后 我要感谢父母和亲人多年来在生活上无微不至的照顾和精 神上的支持 我的每一个足迹都离不开你们的默默付出 你们鼓励的 目光永远是我前进的动力 2 0 0 2 年1 2 月于求是园 浙江大学工学 硕士学位论文 第一章家庭楼宇自动化与主流协议 9 9 年同家经贸委组织编制的 近期行业技术发展重点 纲要指出 我国现在 住宅的年建造量达1 0 亿多平方米 投资额约1 4 0 0 亿 占国民生产总值的6 一 8 住宅产业要成为拉动内需的经济增长点 离不开高新技术的全方位支撑 纲 要 中列举了六项有待开发的重点高新技术项目 住宅智能化榜上有名 随着 人们生活水平的提高 计算机和信息技术的发展 人们对家庭楼宇的智能化 网 络化 个性化的需求越来越高 传统封闭系统采用分层式结构 即节点一网关一控制中心 系统信息汇总到 控制中心处理 面对不断增加的需求 控制中心需要同时处理数量庞大的设备信 息 成为系统的 瓶颈 制约整个系统的运行效率 另一方面 控制中心一旦 出错 整个系统随之崩溃 这是用户所不能接受的 这类系统的可扩展性 可维 护性差强人意 伪开放系统采用总线式结构 控制子系统直接挂在总线上 控制系统通过一 条通用的控制总线连成控制网络 但由于没有统一的协议 出现了各种彼此不兼 容的控制总线 如现场总线 设备总线等 和子系统 形成各种控制网络 孤岛 各子系统之间通过网关与总线连接 增加安装费用的同时不能彻底解决网关的 瓶颈 问题口 1 1 楼宇自动化 b a 与家庭自动化 h a 首先要说明的是楼宇自动化 b u l l i n g a u t o m a t i o n 和家庭自动化 h o m e a u t o m a t i o n 是两个既有联系又有区别的概念 家庭自动化是一种过程或系统 通过使用不同的方法或技术 使居住环境 达到舒适 安全和有效 它能将家庭中的照明 娱乐 安全 通讯 制冷 加热 以及空气调节等各种设备连接起来 协同工作 由一个中央监视 设置器 一般 为计算机 监视 设置 形成一个高度自治的自动化控制网络 从而将你的家庭 从一个被动的结构转变成一个主动的伙伴 一个能帮助你工作 提高效率 节约 你的时间 增加安全感 节省能源消耗 节约你的金钱的工具 家庭自动化的概 念足近十几年逐渐发展起来的 随着越来越多的计算机和带有控制芯片的家用电 器进入家庭 网络技术的发展 以及人们对美好生活的向往 其发展十分迅猛 就连象m i c r o s o f t 这样的大公司也开女a 这方面的研究 例如其提出的 维纳斯 瓜南 浙r r 大学工学岵 硕 a 学位论文 一 l 一 计划和u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y 标准 微软公司总裁比尔 盖兹在其著作 未来 之路 中描写的他的住宅 就是家庭自动化一个令人神往的例子 1 3 1 相比较而言 楼宇设备自动化的发展历史则要久远的多了 以一个多世纪 前发明的自动调温器为标志 楼宇设备自动化就翻开了发展进程的扉页 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 个整体 各系统独 立运行 集中监控 4 1 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 近十几年来 楼宇自动化的主流技术是将网络技术引入其中 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 从上面的描述可以看出 家庭自动化和楼字自动化两者涉及的范围有大小 具体控制对象有区别以及目的的不同 但是 就一些具体的网络协议标准则在两 方面都有应用 1 2 家庭自动化的构成 在介绍一个家庭自动化系统的功能和组成之前 先介绍一下白色家用电器 和黑色家用电器的概念 自 黑色家用电器从家用电器外表的颜色来区分的 白 色家用电器主要是指电灯 微波炉 空调和洗衣机等白色外表的家用电器 与之 相对 黑色家用电器主要是指电视 录 摄象机和d v d 等 一个完整的家庭自动化系统应该具有以下的功能哪 1 对白色家用电器和其他设备的控制 调节和监测 比如微波炉 洗衣 机 灯光 电动窗帘 防盗报警器 自动门烟雾探测器 有害气体检测装置 温 度和湿度控制器 风量调节器 各种手动开关和遥控器等 在这部分网络上 主 要传输速率比较低的控制信号和设备状态信息 它占用的信道带宽比较窄 我们 称之为控制网络或家庭总线 2 对黑色家电实施监控的控制流与白色家电相似 但黑色家电有别于白 色家电的是它的信息流 沟通黑色家电和其他音 视频设备以及与外部世界之间 的信息通道 包括 台式 手持计算机 电视机 录 摄像机 监视器 v c d d v d 和数码照相机等 同时 也可以实现对它们的控制和监测 在这部分网络上 主 要传输速率比较高的音 视频信号和数据信息 我们称之为信息网络或宽带网 3 通过对外的接口 实现远程控制和信息交换 如 通过电话线 有线 电视电缆 市电电源线 无线通讯方式和专用电缆等 建立与局域网或i n t e r n e t 的联系 d 毓 浙江大学工学 硕士学位论文 一 一 一个完整的家庭网络由下述五部分组成 1 控制网 主要实现对白色家用电器 如微波炉和冰箱等饰以白色外表 的电器 的开关量和少量模拟量的控制和监丰见 实现对传统家用电器和其他设备 的控制 调节和检测 在这部分网络上主要传输的是占用信道带宽比较窄的控制 信号 因此我们称之为控制网络 也就是我们通常意义上所说的家庭自动化 这 也是本文所要论述的主要内容 2 信息网 主要实现对黑色家用电器和计算机的信息交换和控制 信息 网的技术相对比较成熟 这部分是当今i t 行业最为活跃的领域之一 3 路由器 网关或电话接口 主要实现控制网络和信息网络的信号综合 并提供与外界的接口 以便作远程控制和信息的交换 这个功能的实现也为集成 商 控制中心的远程监测 维护提供了良好的基础 4 控制中一c 通用遥控器 用以对家庭网络上的任意一个家用电器的控 制和监测 同时实现对网络上的家用电器作参数设置 5 用户程序的开发环境 这是在通用计算机上运行的一个软件开发环境 它不是家庭网络上必备部分 一般只是由系统集成公司的技术人员来使用 它的 主要功能有两个 一是在初始建立一个家庭网络时为用户生成应用程序 为系统 设置必要的初始化参数 并将它们下载到遥控器和各个模块中去 另一个功能是 用于调试和维护家庭网络 1 3 主流网络协议简介 目前 在楼宇自动化 家庭自动化中已有几种比较成熟的网络协议标准 熟悉这些协议 对于我们的智能照明系统的开发有相当大的借鉴作用 因此 本 章对一些知名度较高的协议做一个简单的介绍 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 目前在国际已经有一些比较成熟的网络协议标 准 如l o n w o r k s e l b x 一1 0 h b s b a c n e t 和c e b u s 等 下面对这些协议做一 个简单的介绍 浙江大学工学 硕士学位论文 1 3 1l o n w o r k s 1 3 1 1l o n w o r k s 发展概况 在8 0 年代后期 埃施朗公司 e c h e l o n 开始开发l o n w o r k s 技术平台 确信它 将成为控制网的通用标推 控制网是以对等方式工作 监控传感器 控制执行器 之间可靠地通信 并管理网络操作 提供对网络数据全面接入的集合 l o n w o r k s 控制网使用l o n t a l k 协议来完成这些任务 l o n w o r k s 技术已经成为控制网的通 用标准 7 l o n w o r k s 控制网在某些方面相似于被称为局域网或l a n 的数据网 数据网由 结合各种通信介质以路由器连接的计算机组成 它们使用公用协议相互通信 实 现理想的控制功能的专用网络就是局部操作网络或称为l o n l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k l o n 的特征使网络系统能扩展到数据组网技术无能为力的一类应用 中 控制系统和装置的制造商通过在他们产品中组合l o n w o r k s 的设计能缩短开 发和设计的时间 8 结果使开发低成本以及不同制造商的装置能相互通信 从而 增强了系统的协调性 l o n w o r k s 控制网的复杂程度不一 从机器内装的小网到几千个节点的控制熔 化用激光器 造纸机和楼宇自动化的大网 在楼宇控制产业中 充分利用 l o n w o r k s 技术意味着对所有楼宇系统采用共用的基础结构 1 3 1 2l o n t a i k 协议 l o n t a l k 通信协议是l o n w o r k s 技术的核心 该协议提供一套通信服务 使装 置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑 名 称 地址或其他装置的功能 l o n t a l k 协议能有选择地提供端到端的报文确认 报文证实 优先级发送以便设定有界事务处理时间 对网络管理业务的支持使远 程网络管理工具能通过网络和其他装置相互作用 包括网络地址和参数的重新配 置 下载应用程序 报告网络问题和节点应用程序的起始 终止 复位 l o n t a l k 协议是一个分层的以数据包为基础的对等通信协议 如有关的以太 网和因特网协议一样 它是一个公开的标准并遵守国际标准化组织 1 s o 的分层 体系结构要求 9 可是 l o n t a l k 协议设计用于控制系统而不是数据处理系统 每个包由可变数目的字节构成 长度不定 并且包含应用层 第7 层 韵信息 寻 址和其他信息 信道上的每个装置监视在信道上传输的每个包 以确定自己是否 收信人 假如是的 它处理该包以判明是否包含节点应用程序所需的信息或者是 否是刚络管理包 在应用包中的数据是提供给应用程序的 如果合适 要发一个 浙江大学工学 硕士学位论文 确认报文给发送装置 为了处理网上报文冲突 l o n t a l k 使用类似以太惩昕用的 载波监听多路访 问 c s m a 算法 l o n t a l k 协议建立在c s m a 基站上 提供介质访问协议 使得可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽的数目 通过动 态调整网络带宽 称为预测性p p e r s i s t e n tc s m a 协议的算法 使网络能在极高 网络业务量出现时继续运行 而在业务量较小时期不泽低网络速度 1 3 2 e i b 欧洲安装总线 e i b e u r o p e a ni n s t a l l i n gb 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 他是当s i e m e n s a b b 等一些知 名企业首先提出的 e 1 8 a 是e l b 的管理机构 目前在全球已经拥有 o 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 s a s s o c i a t i o n 批准e l b 为家庭网络标准 e i a 一7 7 6 o e i b 一出现 就获得了巨大的成功 国际上很多訇名公司都推出了符合e i b 规范的相关产品 有关此协议在以后章节将详细介绍 1 3 3 x 1 0 x i o 是世界上最早出现的 也是最简单的智能家庭网络系统 x 一1 0 在7 0 年代就开始在美国流行 成为当时最具代表性的家庭自动化产品 x 一1 0 采用电力线作为其网络通信介质 系统中酶各个设备直接挂在电力线 上就可以相互通信 所以x 一1 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 一1 0 系统主要由发送器和接收器组成 发送器和接收器都有地址 x 一1 0 的地址分为房间地址和设备地址 房间地址有1 6 个 设备地址也有1 6 个 所以 x 一1 0 最多可以有2 5 6 个设备 发送器和接收器的控制关系是由他们的地址来决宅的 也就是说 当发送器 a 的地址与接收器b 的地址相同时 发送器a 就可以控制接收器b 发送器和接 收器的地址是可以改变的 当发送器a 和接收器b 的两者中的某一个的地址改变 后 他们之间的控制关系就不再存在了 根据不同需要 发送器有多种类型 有的可以进吁灯光亮度调节 有的可实 现定时控制等 浙江大学工学 硕士学位论文 x l o 系统的低廉价格使其得到了一定的发展 2 0 0 1 年 美国4 0 0 万户家庭 装备了x l o 模块 但是 由于只支持电力线传输 而电力线容易受到干扰 所 以系统的抗干扰性能比较差 这点在国内表现的尤为明显 另外x 一1 0 的寻址空 间小 对模拟量支持不够也限制了它的可扩展性和应用范围 1 3 4h b s 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 无线工程电子协会 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 oe n g i n e e f m 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 h b s 以双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9 6 k b p s h b s 对开放系统互联 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t 5 1 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 r s 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 f i b s 的予网和其他网之间用网关连接 h b s 的典型连 接图如图1 1 所示 图1 1h b s 拓扑结构 塑垩查兰三竺鱼塑圭兰垒塑 目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长处使其得到广泛应用 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 1 3 5b c n e t b a c n e t 是美国采暖 制冷和空调工程师协会 a s h r a e 组织2 0 多位世界 级专家 经过近9 年时间的研究制定的世界上第一个楼宇自动控制网络协议 该协议1 9 9 5 年一经颁布 即引起了各国政府 专家学者和企业的广泛关注 1 9 9 5 年由美国国家标准学院通过成为美国国家标准 目前韩国 日本已将其列为国家 标准 也成为欧盟标准草案 同时 一些主要的自动控制设备生产商都支持 b a c n e t b a c n e t 遵从o s i 七成模型的原则 将协议分为四层 物理层 数据链路层 网络层和应用层 b a c n e t 的物理层和数据链路层支持l o n g t a l k 协议 另外 他 的物理层还支持e i a 2 3 2 e i a 4 8 5 e t h e m e t 和a r c n e t 协议 数据链路层还 支持i e e e 8 0 2 2 m s t p 主w 令牌传递 和p t p 点到点 协议m 1 b a c n e t 采用了面向对象的技术 它定义了一组具有属性的对象 o b j e c t 来表示任意的楼宇自控设备的功能 从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的 方式 同时b a c n e t 定义了四种服务原语来传递某些特定的服务参数 目前 b a c n e t 共定义了1 8 个对象 1 2 3 个属性和3 5 个服务 由于一个楼字自控系统 中并不是所有的设备都要有必要支持b a c n e t 所有的功能 b a c n e t 协议还定义 了6 个性能级别和1 3 个功能组 b a c n e t 是一个完全开放性的楼字自控网协议 其开放性表现在 独立于任 何制造商 不需要专门芯片 并得到众多制造商的支持 有完善和良好的数据表 示和交换方法 按标准制造的产品有严格的性能等级和完攘的说明 产品有良好 的互操作性 有利于系统的扩展和集成 1 3 6c e b u s c e b u s 的全称是消费电子总线 c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s 它的发展可以追 溯到1 9 8 4 年 美国电气工业协会 e i a 的消费电子小组开始制定在家庭中使 用的消费产品的网络通讯标准 此标准后来就被称作消费电子总线 1 9 8 9 年 塑婆查兰三兰型堕主堂皇堡奎 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 标准 1 9 9 4 年 消费电子总线委员会 c e b u s i n d u s t r yc 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 1 1 8 1 s 0 齐越幕 訇c 磺型 c e 日u s 阳错壁越 表达层 层 豢麓 台话层 闻 传转层 阿铬屡 管 阿铬层 数据链酶层 理 囊鼍链垮息 锄理层均瑷层 圈 图1 2i s 0 开放系统模型和c e b u s 采用的模型 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 不需要主控设备 对于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解决 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 网络协议建议书 消费电子总线可划分为物理层 数据链 路层 网络层和应用层 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走电源线和红外线 对于大量的 和实时的视频数据信号可以走同轴电缆 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 广播和讣广播 此外 数据帧有商 正常 浙江大学工学 硕士学位论文 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 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 rl a y e r 传递四 种类型的消息 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 消费总线的规格说明书是e i a 6 0 0 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 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 1 3 7 其他协议 以上所述的六个协议 是在家庭自动化方面 人们使用的最多和研究的最多 的协议 除此之外 还有一些比较有名的协议 比如无线通讯协议i e e e s 0 2 1 l 以前曾风靡 时的蓝牙 b l u e t o o t h 协议 现在逐渐被i e e e 8 0 2 1 1 协议取代 相信在以后的家庭无线网络中 i e e e s 0 2 11 协议定能大展风采嘲1 1 4 本章小结 本章对一些在楼宇自动化和家庭自动化领域内比较有名的协议作了简单的 介绍 应该说 目前在楼宇自动化和家庭自动化领域还没有一个统一的标准 采 用不同协议的各家厂商都在争取扩大自己的影响 不断推出符合各类协议的实用 产品 而环顾国内 类似的产品几乎没有 中国进入w t o 后 必将丽临严峻的 形势 第二章e i b 系统概述 欧洲设备安装总线协议 e i b e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb 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 作为e i b 的管理机构 e l b a 委员会 e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s a s s o c i a t i o n 拥有1 0 0 多家会员 包括s i e m e n s a b b a r d a n e l e c t r i u m 等 这些会员占据了欧洲楼宇 家庭自动化设备销售额 的8 0 基于其优秀表现 该协议已被美国消费电子制造商协会 c e m a 吸收 作为家庭网络e i a 7 7 6 标准 稠1 1 e m 系统总捱圈 以用户为导向 借鉴自动化领域 现场总线 和网络技术的最新成果 具有 开放性 互操性和灵活性的e i b 协议摒弃了控制中心思想 其拓扑结构为典型 的分层分布式网络结构 2 1 i e i b 系统广泛应用于包括照明 安防 h v a c 通风 温度控制 时间事件管理等家庭楼字领域的所有分支 其系统总框图见图2 1 它具有以下三大特点 瞄 分布性 无中心分布式结构彻底解决控制阙络 孤岛 和 瓶颈 问题 可使系统发挥其最佳效率 同时增强了系统的鲁棒性和伸缩性 互操性 开放性结构与组编址通讯使设备间具有互操性 形成协调一致的 自动化控制网络 灵活性 e i b 对电力线传输和无线频率传输的支持使系统扩充修改简易化 浙江大学工学 硕士学位论文 2 1e i b 网络拓扑 e i b 网络是一个完全对等 p e e r t o p e e r 的分布式网络 接入网络的每个设 备具有同等的地位 其网络拓扑参见下图 从图中可以看出 网络采用了域 d o m a i n 区 a r e a 线 l i n e 的分层结构 每一条l i n e 上最多可以连接 2 5 5 个设备 一个a r e a 内最多可容纳1 5 条l i n e 而一个d o m a i n 则可容纳1 5 个a r e a p 一个e i b 系统中可容纳2 5 5 1 5 1 5 6 5 0 2 5 个设备 2 3 区域间连接通 过特殊的线耦合器 l i n ec o u p l e r 和区耦合器 a r e ac o u p l e r 实现 相应的设 备的地址也分为区地址 4 位 线地址 4 位 和设备地址 8 位 2 3 1 从网络 结构角度看 独立的 分散的单体测量与家用电器仅仅是e i b 的一个分布式网 络节点 其内涵属现场总线控制系统 从信息交互角度看 已经从简单的状态信 息组合和基于监控的处理 发展到基于内容的处理融合 e i b 系统摒弃控制中心 概念 换言之 任何一个网络节点的失效都不会使系统瘫痪 同时避免因信息量 过大而形成的控制中心瓶颈问题 因此 e i b 具备高度自治的优良特性 图2 2 e l b 网络拓扑 在整个拓扑系统中 线路耦合器 l i n ec o u p l e r 是一个很重要的器件 在 实际使用中 由于建筑的地理位暨及管理的方便性等因素 常常出现传感器和驱 动器分布在不同的线路或区域中的情况 这些跨线路 跨区域的信号传送都要经 过耦合器 在耦合器的内部有一个过滤列表 只有储存在这个过滤列表中的组地 址才能够被传递通过 它同时起到监视 过滤 计数等作用 浙江大学工学 硕士学位论文 2 2e i bo s i 通讯协议与通讯媒质 e i b 通讯协议遵循o s i 开放式系统互联参考模型 模型 提供了o s i 模型 所定义的全部七层服务 2 4 这是其先进性之一 物理层和链路层明显依赖于 物理媒质的特性 e i b 通过优化防冲突规定了带有冲突检测的载波侦听多路存取 c s m a 以控制媒质接口 网络层通过网络协议控制信息 n p c i 控制跳跃 数 传输层的逻辑通讯关系包括一对多无连接 多终点组传输 一对多无连接 广播 一对一无连接 一对一连接 它提供了地址与抽象内部表达之间的映 射一通讯访问标识符 c r i d 通过预留的会话层和表示层 所有设备被直接映 射出来 应用层行使e i b 网络用户 服务器管理的a p i 应用程序接口 功能 应用层对通讯对象组内部请求 或共享变量 分配通讯访问标识符 以完成收 一 对多 和发 一对一 功能 图2 3 e i b 网络层次示意圉 e i b 通讯协议支持通讯介质分段组合的网络 包括双绞线 输电线 无线传 输 这是其先进性之一 e i b 双绞线自由拓扑结构成本较低 控制逻辑0 的位级 别冲突检测提高传输的可靠性 每个双绞线物理段可长达1 0 0 0 米 e i b 输电线 运用扩展频率调制技术 通过相应数量的匹配筛选 保证输电线组地址传输的完 整性和可靠性 在装修改造工程中比较经济 最大传输距离为6 0 0 米 e i b 无线 频率传输由不同载波频率作物理区分 在无法使用其他通讯媒体时提供解决方 法 距离约为3 0 0 米 p 叫 浙江大学工学 硕士学位论文 2 3e i b 网络 e r an e t w o r k l e i b 网络规范允许在所有媒质中实现包括遵循i s o i e c 8 0 2 2 的逻辑链路 层 以及1 0 兆位的以太网 e i b 网络不受制于高速主干线 它允许管理设备和 自动化设备直接连接 e i b 网络可以路由访问办公网络和楼宇通讯网络 或使用 i n t e m e t 协议通过i n t e m e t 远程访问 e i b 设备可以看成分散资源的集合 通过网络进行管理 网络资源管理中 运用广播通讯和点对点通讯的结合方式 通过广播通讯 选择使用唯一的连续设 备码 对系统中的每个设备分配一个唯一的物理地址 此物理地址供下一步点 对点通讯使用 专用主一从快速轮询模式确保对主要子系统的现场检测 每个e i b 设备执行服务器的指令 服务器提供高于本地资源 包括外部c p u 和存储资源接口 优先级的控制信号 通过引入e i b 分配对象 网络资源实际 上成为系统目标对象 o r i e n t a t i o n o b j e c t 2 4 组编址与数据格式 e i b 支持多址通信组编址 每个设备可以公布几个单独的有效通讯对象 被 称为组 这些对象可以独立于其他对象编组 使之成为网络共享资源 目标对 象的属性可以作为共享资源 这是组编址的一个优点 共享资源可以完全双向读 写 因此 所有设备可以主动发送多址通讯帧 e i b 为这些共享资源提供了1 6 位有效地址空间 考虑某些执行机构的1 5 位限制 每个设备可以有多达3 2 k 的 共享资源 即组地址 考虑范围和效率 组编址通讯采用适合的运行模式以优 化e i b 设备通讯 系统控制信号在总线中以数据帧形式进行传输 基本数据格式由e i b 协议 所规定 一帧可携带多达1 4 字节的数据 包括控制码 地址码 操作码 校正 码四部分口 地址码包括源地址信息和目标地址信息 源地址指示了命令发送设 备所在 此物理地址由项目设计时总线耦合器唯一确定 目标地址指示了通讯对 象所在 通讯对象可为单一设备或设备组 可在同一l i n e 上或跨越不同的l i n e 组地址决定系统中基本设备单元间的关联 操作码在设备间传送设备信息 如命 令 消息 预设值 测量值等等 几乎可用于所有物理量 2 7 1 基本数据类型的 属性组成目标对象 可通过网络存取 终端用户设备通过b c u 总线耦合单元 与总线通讯 j 堑兰世三堂墅 曼主差垒丝奎 2 5 其他系统组成 2 5 1 e i b 家庭管理系统 e i b 本地导向对象管理的特征通过e i b 家庭管理系统得以体现 其核心是用 于家庭网络监视控制的家庭辅助应用程序接口 a p i 体系 一 此体系使设备互操成为现实 e i b 系统支持家庭即插即用 h o m ep n p 规范 遵循传输协议独立性原则 无论设备由谁提供 只要能够符合e i b 协议 就可以互相控制或操作 i n t e r o p e r a b i l i t y 不必在不同设备之间设置昂贵的语言 翻译网关 每个设备肓自己的地址 设备的资源有唯一的名称 设备之间可以 相互 对话 接入该体系的设备可通过电话或i n t e m e t 随时查询控制设备状态 实现真正的远程遥控 符合e i b 标准的设备通过此体系连接 共同组成协调一 致具有互操性的家庭自动化控制网络系统 2 8 二 此体系使系统扩充修改灵活 该体系灵活的网络拓扑结构 足够的编址 空间 多种媒质的支持为用户提供设备简易接口 使增减设备简易化 通过对 该体系节点数据库中节点信息 节点互连关系信息的更新 使修改系统简易化 支持电力线 无线传输方式使e i b 在旧房系统改造中免除重叛布线 扩展了e i b 的适用范围 e i b 家庭管理系统的开放性和互操性使设备容易集成为功能齐全 结构灵 活 容易安装 维护和扩充的一体化智能家庭管理控制系统 2 5 2e i b 开发应用软件 在具体项目设计中 e i b 遵循一个思想核心 把一系列独立的设备连接成一 个功能模块 这具体体现在基于w i n d o w s 的e i b 开发应用软件中 利用e t s e i b t 0 0 ls o f t w a r e 开发编辑功能 制造商把独立设备功能压缩为一系列抽象表示 隐藏了所有执行细节 仅输出描述部分 成为一完整的功能模块 暖鬲 浙江大学t 学w y 硕士学位论文 e i b 的总线设备主要由三部分组成 应用耦合单元 b c u 应用模块 a m 和应用程序 a p b c u 提供了e i b 标准物理外部接口p e i p h y s i c a le x t e r n a l i n t e r f a c e 应用模块通过b c u 连接到e 1 b 系统中来 应用程序基于系统程序 和应用模块实现设备功能 3 0 i b c u 的结构如下图2 4 所示 图2 4 b c u 结构图 b c u 主要由两部份组成 控制器和收发器 控制器包括微处理嚣及r o m r a m 和e e p r o m 三种存储器 r o m 中包含了系统软件 r a m 中存储了在总 线设备操作过程中系统和应用方面的临时数据 e e p r o m 中存有应用程序 物 理地址和组地址等各项参数 由e i b 的系统软件e t s 来写入 2 7 本章小结 e i b 体现了家庭楼宇自控领域的发展趋势 它提供的一体化解决方法 它 的无中心真正分布式模式 它的开放性 灵活性 以及市场的广泛认可 使之 成为楼宇自控领域的主流标准 使得基于e i b 协议开发真正开放性的智能家庭 楼字管理控制系统 不但是现实可行的 而且具有广阔前景 浙江大学工学 硕士学位论文 第三章e i b 通讯系统层次 e i b 通讯协议基于i s o o s i 参考模型 七层协议的结构使它与其他基于i s o 模型协议通讯时有技术优势 总线上的信号始于物理层而终于应用层 应用程序 a p 的信号始于应用层而终于物理层 e i b 协议中并没有运用i s o 中所有七层坍 议 其中预留了表示层 p r e s e n t a t i o n l a y e r 和对话层 s e s s i o n l a y e r 其他层 次将会在以下章节中详细介绍 3 1 物理层 物理层控制数据传输的物理机制 e i b 系统中采用c s m a 带冲突检测的 载波侦听多路存取 机制 在c s m a 机制中 若一总线应用单元 b a u 已经 开始发送信号 则系统禁止