中北大学总线应用调研报告.doc

专业综合调研报告 电气工程与智能控制专业分类号：TH89 单位代码：10110 学 号：1407054147中 北 大 学综 合 调 研 报 告题 目:智能家居行业总线应用现状与发展趋势 系 别: 计算机与控制工程学院 专业年级: 电气工程与智能控制2014级 姓 名: XX 学 号: XX 指导教师: XXX讲师 2016年11月06日摘 要智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、总线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居项目中，总线系统方案相对无线系统方案一直以其稳定性、可靠性和可扩展性等优势得到智能家居集成商的推崇。将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置，通过总线技术连接到一个家庭智能系统上，进行集中或异地监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。总线技术是智能家居的基本单元，也是智能家居的核心。随着智能家居的不断发展，已经有一些较为成熟并广泛应用的智能家居总线技术， 如RS-485、X10、LonWorks、CAN等。本调研主要阐述以上所诉的智能家居的4 种主流总线技术应用现状，并介绍其原理和特点，最后分析未来智能家居总线技术的发展趋势。关键词：智能家居；总线技术；设备AbstractSmart home is a residential platform, the use of integrated wiring technology, bus technology, network communications, security technology, automatic control technology, audio and video technology will be home life-related equipment (such as audio and video equipment, lighting systems, curtain control, Remote control, indoor and outdoor remote control, burglar alarm, environmental monitoring, HVAC control, infrared (IR), infrared remote control, infrared remote control, security control system, digital cinema system, AV server, video cabinet system, network appliance, etc. Forward and programmable timing control and other functions and means to build efficient residential facilities and household schedule management system to enhance the home security, convenience, comfort, artistic, and to achieve environmental protection and energy saving living environment. Smart home project, the bus system program relative to the wireless system program has been its stability, reliability and scalability advantages of smart home integrators have been respected. The family of various information-related communications equipment, household appliances and home security devices, through the bus technology to connect to a family of intelligent systems for centralized or remote monitoring, control and family affairs management, and to maintain these family facilities and residential Environment Harmony and Coordination. Bus technology is the basic unit of intelligent home, but also the core of intelligent home. With the continuous development of intelligent home, there are already some of the more mature and widely used smart home bus technology, such as RS-485, X10, LonWorks, CAN and so on.This research focuses on the 4 main types of the smart home technology application status, and introduces its principle and characteristics, and finally analyzes the future development trend of smart home bus technology.Key Words： Smart home; Bus technology; equipment专业综合调研报告 电气工程与智能控制专业第1章 总线应用概述智能家居在国内市场经过十数年的发展，通过在技术上的不断探讨和研究，各项技术与集成衔接已逐渐趋于成熟。总线技术的主要特点是所有设备通信与控制都基于一条总线，是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。市场上比较有影响力的总线技术包括RS-485、X10、LonWorks、CAN等1。1.1 RS-485总线RS-485 是一种非常常见的总线。在通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。它采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。市场上RS-485 一般采用半双工工作方式， 任何时候只能有一点处于发送状态。因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32 台驱动器和32 台接收器。在早期的智能家居产品中经常能看到其应用，目前已经较少使用。但大部分的智能家居产品都会留有对RS-485 的接口，以便于设备的兼容。RS-485 总线相较于现在其他的总线，在通信效率，抗干扰能力等诸多方面都存在着不足。但其总线协议简单，且已经得到广泛应用，得到了大多数厂商的支持，所以仍有其存在的价值。以下予以简单介绍一种基于RS-485总线的智能家居系统。1.1.1 系统构成本系统采用RS-485 总线的主从网络。嵌入式ARM开发板为总线主设备, 以轮询方式检查各接入模块的传感器状态信息, 任何时候仅存在一对主从之间的通信。传感器接入模块为总线的从设备, 包括单片机控制器、接入检测电路和信号调理电路。其中接入检测电路负责完成传感器接入和移除的检测。它的输出和单片机的一个引脚相连, 通过引脚高低电压跳变指示传感器状态的改变, 展示了传感器从接入子网系统正常工作到被用户移除的一个完整生命周期。信号调理电路实现了传感器输出电信号与后端电路隔离,并将其线性地转化为标准单片机输入信号。该系统采用SN75176将单片机串行口转换为RS-485, 并通过RS-232/RS-485单串口转换器实现和嵌入式开发板的串口通信2。系统结构如图1所示。图1 系统结构图1.1.1.1 数据传输速度数据的传输速度受到串口速度的限制，必须提高串口波特率。根据系统特点，在使用串口传输方式3时，波特率可变，可以根据传输效果实时改变。表1所示是采用不同波特率时一帧（一帧按9.6 KB计算）图片的传输时间3。表1-1 不同波特率时一帧传输时间波特率/(b/s)晶振频率/MHz传输时间/s62 50011.059 21.2319 20011.059 24.009 60011.059 28.001.1.2 通信机制系统采用了RS-485总线通信方式，如图2所示。通信中采用“轮询制”，中继器作为主设备不断向下发送设备请求应答帧，而接人从设备不能主动发送数据。任何时刻，总线只处于一种方式，即接收数据或发送数据。系统初始化一旦完成，总线即被置为接收状态，当从设备接收完主设备发来的消息后，立即通过软件将总线置为发送状态，等从设备发送完一帧数据又立即转为接收状态，等待主设备的请求帧。如果发来的请求帧中，设备ID地址和自身ID地址一致，接收设备就检查这个帧是否正确。图2 RS-485多机通信1.2 X10 总线X10 是一种国际通用的智能家居电力载波协议。该协议支持通过电力线相互通信，无需重新布线，被控制的电器可多达256 路。在智能家居20 余年的发展过程中，X10 是最引人注目的。X10 是全球第一个利用电力线载波来控制灯饰及电子电器产品，并将其商业化的成功模式，皮可电子公司（Pico ElectronicsLcd.） 成功地研发出该项技术。X10 是以60Hz （或50Hz）为载波，以120Hz 的脉冲为调变波而研发出的数位控制技术，并制订出一套控制规格。X10 总线协议已成为如今美国智能家居产品的主要领导者，在欧美，日本，新加坡，韩国等国也有广泛的应用。其最大的优势是用电力线来进行通信，不需要另外布线，安装方便，使用简单，价格便宜。但其缺点是传输速度较慢，且抗干扰能力较弱，对电网的稳定性要求相对较高4。1.2.1 技术简介X10是一种国际通用的智能家居电力载波协议（即一种通讯“语言”），用这种“语言”的兼容产品可以通过电力线相互“说话”，无需重新布线，被控制的电器可多达256路。通俗地说，它是一种通过普通电力线来转输控制信号从而实现对家里所有灯和电器的智能管理和控制的技术，低廉的价格、上千种的产品以及简单的设置方式可以使您迅速进入智能家居时代。1.2.2 X10协议X10协议是由英国 PICOElectronics公司的工程师在 20世纪 70年代后期开发并获得专利的, X10系统由三部分组成,即发射器、接收器和系统保障设备 。发射器通过电力线发射控制信号给接收器, 由接收器对被控器件进行远程控制 。 X10信号根据电力线信号正负过零点处 120 kHz脉冲信号出现与否来进行传输 。利用该电力线网络做载体传输控制信号, 将 120 kHz的编码信号加载到 60 Hz(我国是 50Hz)的电力线上, 有载波信号表示数据1,无载波信号表示数据 0(在正弦波的 0相位处有 120 kHz脉冲群 ,并且紧随其后的 相位处无脉冲群则表示 1信号 ,如果在正弦波的 0相位处没有脉冲群, 并且紧随其后的 相位处有脉冲群则表示0信号 ),如图 3所示 。图3 载波信号示意图1.3 LonWorks总线LonWorks 是美国 Echelon 公司推出的现场总线技术，该总线可为智能控制系统提供一套完整的解决方案，其核心技术是 LonTalk 协议和神经元芯片。其中，神经元芯片都内嵌有LonTalk 协议的固件，同时神经元芯片还具有通信和控制功能，可提供 34 种常见的 I/O 控制对象。LonWorks 网络采用分布式结构，实现网络上节点相互通信5 。LonWorks 作为一种开放、互操作、全数字的现场总线技术，以实时性好、灵活性好、可靠性高等特点，赢得了相关领域的生产商、研究机构和用户的青睐得到了极为广泛的应用6 。LonWorks 产品中的的电力线收发器不需要另外布线，可使各种设备组成智能网络进行数据测控与通信，而且组网维护十分方便。1.4 CAN总线CAN 总线起初是 BOSCH 公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能高可靠性、实时性等优点现也已广泛应用于智能家居系统中。 CAN 总线协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制， 数据块的标识码可由 11 位或 29 位二进制数组成，因此可以定义 2 或 2 个以上不同的数据块。 这种按数据块编码的方式， 还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。 数据段长度最多为 8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。 同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN 总线协议采用 CRC 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 CAN 总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，已越来越受到各界的重视，并已公认为最有前途的总线之一。1.4.1 CAN总线技术特点 同其它总线相比，CAN总线具有高可靠性、灵活性和实时性，总结其技术特点如下7. (1) CAN总线从本质上讲是一种多主通信，或称之为对等网络。CAN通信方式灵活，网络上所有节点都能主动发送报文，没有所谓主从之分。 (2)废除了传统的基于地址的编码，报文不是根据地址从一个节点发送到另一个节点，而是根据通信数据进行编码，支持点到点和组播报文。 (3)采用短帧结构，报文一帧数据域最多八个字节，传输时间短，降低了总线受干扰的概率。 (4)检错机制健全，检错效果极好。CAN报文的每帧信息都带有CRC及其它检错机制，如位错误和位填充错误检测、报文格式及应答错误检错等，发生严重错误的节点 (5)通信媒介选择灵活，可为双绞线、同轴电缆或光纤等。 (6)最高传输速率达1 Mbit/s，在总线速率为1000Kbit/s时传输距离可达1Okm. (7) CAN总线网络节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符标准格式可达2032个，扩展格式的个数几乎不受限制。 (8)当有多点访问冲突时，采用非破坏性逐位仲裁机制。当多个节点同时请求信息发送时，总线自动按照节点报文标识符进行优先级判定，低优先级的报文自动退出发送继而转入接收状态，高优先级的报文继续发送。这大大节省了总线冲突仲裁时间，即使网络负载很重，也不会导致总线瘫痪。1.4.2 CAN总线分层结构 CAN的ISO/OSI参考模型的分层结构如图4所示。CAN协议的结构划分为两层:物理层和数据链路层。图4 CAN的ISO/OSI参考模型的分层结构1.4.2.1 物理层 物理层定义信号是怎样进行传输的，主要又细分为三层:物理信号子层PLS:实现位编码/解码、定时和同步等功能。CAN位流根据“不归零”NRZ方式来编码;物理介质连接PMA:实现总线发送/接收的功能电路并提供总线故障检测方法;介质相关接口MDI:实现物理介质与媒体访问单元之间的机械和电气接口8。1.4.2.2 数据链路层 数据链路层由逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)组成。 (1)逻辑链路控制子层(LLC, Logical Link Control):功能包括验收滤波、过载通知、恢复管理;为数据的传输或者是远程请求提供服务，确认报文己被LLC子层接收并处理;并为超载和错误恢复管理提供信息、。在定义目标处理时一，存在许多灵活性9。(2)介质访问控制子层(MAC，Medium Access Control):如图5所示，介质访问控制子层功能主要是制定传送规则，即执行仲裁、控制帧结构、错误检测、出错标定和故障鉴定。MAC层还要确定是否马上开始接收、是否为新的发送开放总线等，MAC子层不存在修改的灵活性。MAC子层有“故障界定”的逻辑电路，此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来10。图5 MAC子层功能1.4.3 CAN报文帧结构 在CAN总线系统中，报文是以四种不同格式的帧结构和一个帧间间隔在节点间进行传输的，它们分别是数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间间隔。其中数据帧又分两种格式:标准格式和扩展格式。标准格式的数据帧有11位标识符，而扩展格式数据帧标识符为29位。帧的种类用途如表2所示。表2 CAN报文帧的种类及用途帧类型帧用途数据帧用于发送节点向接收节点传送数据的帧远程帧用于接收节点向具有相同的发送节点请求数据的帧错误帧用于当检测出错误的节点向其它节点通知错误的帧过载帧由接收节点发送通知总线其还未做好接收准备的帧帧间隔分离将数据帧或远程帧与前面巾贞间隔的帧1.4.4 CAN组网典型的网络如图6所示。图6 典型CAN网络 第2章 特色及比较以下简单介绍基于以上4种总线的系统特色并对RS-485和CAN做一些比较。2.1 RS-485从智能照明发展的轨迹看，最早的产品一般采用的RS485的技术，这是一种串行的通讯标准，因为只是规定的物理层的电气连接规范，每家公司自行定义产品的通讯协议，所以RS485的产品很多，但相互都不能直接通讯。RS485一般需要一个主接点，通讯的方式采用轮询方式，模块之间采用“手拉手”的接线方式，因此存在着通讯速率不高（一般9.6Kbps），模块的数量有限等问题。2.2 X101) 无需布线，轻松升级：无需重新布线，无论新装修户还是已装修户都只需轻松替换普通开关或暗藏微型小模块,就能实现家庭智能化控制。 2) 技术成熟，应用广泛：X10技术已有20多年的历史，现已成为欧美家庭自动化控制系统的主流技术之一。 3) 大众消费，超值享受：兼备布线类产品的功能，无线类产品的方便，无以伦比的价格性能比。 4) 品种齐全，功能实用：X10协议的兼容产品，将近几千种，充分满足不同消费层次和不同功能需求。 5) 使用简单，控制灵活：多种控制方式，轻松实现一对多和多对一的智能组合控制。 6) 按需选配，随时升级：个性化按需选配，可分阶段逐步实现家庭智能化。 7) 兼容性好，互不冲突：它与家庭内现有各种系统兼容性好，互不冲突。 2.3 LonWorksLonWorks总线技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron神经元的芯片中，并得以实现。在智能家居领域，其最大的特点就是不像别的智能家居总线系统，必须有一个类似大脑的主机。LonWorks总线技术不需要主机，它采用的是神经元网络。每个节点都是一个神经元，这些神经元连接到一起的时候就能协同工作，并不需要另外一个大脑来控制。所以安全性和稳定性较其他总线大大提高。LonWorks的实时性、处理大量数据的能力有些欠缺；其次，由于LonWorks依赖于Echelon公司的Neuron芯片，所以它的完全开放性也受到一些质疑。2.4 CANCAN总线协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性，CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，已越来越受到各界的重视，并已公认为最有前途的总线之一。CAN总线与485具有相同的缺陷，不能连接树状总线，信号线要像有线电视一样连接，它常常作为大系统的分支连线。2.5 RS-485和CAN一些比较表3 RS-485和CAN的比较 特性RS-485CAN单点成本低廉稍高系统成本高较低总线利用率低高网络特性单主网络多主网络数据传输率低高容错机制无可靠的错误处理和检错机制通讯失败率高极低节点错误的影响导致整个网络的瘫痪无任何影响通讯距离1.5km可达10km（5kbps）网络调试困难非常容易开发难度标准Modbus协议标准CAN-bus协议后期维护成本高低第3章 发展趋势从上面介绍的总线技术本身来分析，总线技术需具有如下特点：现场控制设备具有通信功能，便于构成底层控制网络；通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性；功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性；控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。目前，国内专业智能家居厂家的数量正在迅速增长。 智能家居市场在未来的三五年内会高速增长，新技术、新产品也会不断出现并投入应用。 就目前的发展趋势分析，预计今后两年内全世界有将近 1 亿的家庭将构建智能家