摘? 要: 介紹了目前國(guó)際上知名度較高,應(yīng)用比較廣泛的四種家庭自動(dòng)化" title="家庭自動(dòng)化">家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展及其特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞: X-10? CEbus? LonTalk? EIB? 協(xié)議

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　　家庭自動(dòng)化是通過(guò)使用家庭網(wǎng)絡(luò)" title="家庭網(wǎng)絡(luò)">家庭網(wǎng)絡(luò)或者家庭總線將家庭中的照明、視聽(tīng)、安全、通訊、制冷、加熱以及空氣調(diào)節(jié)等各種設(shè)備連接起來(lái),協(xié)同工作,從而將你的家庭從一個(gè)被動(dòng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成一個(gè)主動(dòng)的伙伴。幫助你提高工作效率,增加安全感,節(jié)省能源消耗,節(jié)約金錢(qián),給你營(yíng)造舒適溫馨的家庭氛圍。

　　一個(gè)完整的家庭網(wǎng)絡(luò)由下述五部分組成。

　　· 控制網(wǎng):主要實(shí)現(xiàn)對(duì)白色家用電器(如微波爐和冰箱等飾以白色外表的電器)的開(kāi)關(guān)量和少量模擬量的控制和監(jiān)視。

　　· 信息網(wǎng):主要實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色家用電器(如電視、錄/攝像機(jī)和DVD等飾以黑色外表的電器)和計(jì)算機(jī)的信息交換和控制。

　　· 路由器/網(wǎng)關(guān)或電話接口:主要實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)綜合,并提供與外界的接口,以便作遠(yuǎn)程控制和信息的交換。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)也為集成商/控制中心的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)/維護(hù)提供了良好的基礎(chǔ)。

　　· 控制中心/通用遙控器:用以對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)家用電器的控制和監(jiān)測(cè),同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的家用電器作參數(shù)設(shè)置。

　　· 用戶程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境:這是在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境,它不是家庭網(wǎng)絡(luò)上的必備部分,一般只是由系統(tǒng)集成公司的技術(shù)人員來(lái)使用。它的主要功能有兩個(gè):一是在初始建立一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)為用戶生成應(yīng)用程序,為系統(tǒng)設(shè)置必要的初始化參數(shù),并將它們下載到遙控器和各個(gè)模塊中去;另一個(gè)功能是用于調(diào)試和維護(hù)家庭網(wǎng)絡(luò)。

　　本文介紹了目前國(guó)際上知名度較高并且比較成熟的幾種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn):X-10、CEbus、LonTalk、EIB。

1 X-10

　　X-10是世界上最早出現(xiàn)的,也是最簡(jiǎn)單的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。X-10在二十世紀(jì)70年代就開(kāi)始在美國(guó)流行,成為當(dāng)時(shí)最具代表性的家庭自動(dòng)化產(chǎn)品。

　　X-10采用電力線作為其網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì),系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備直接掛在電力線上就可以相互通信,所以X-10系統(tǒng)不需要另外再鋪設(shè)信號(hào)總線,這為系統(tǒng)組網(wǎng)帶來(lái)了很大的方便。

　　X-10系統(tǒng)主要由發(fā)送器" title="發(fā)送器">發(fā)送器和接收器組成,發(fā)送器和接收器都有地址。X-10的地址分為房間地址和設(shè)備地址,房間地址有16個(gè),設(shè)備地址也有16個(gè),所以X-10最多可以有256個(gè)設(shè)備。發(fā)送器和接收器的控制關(guān)系是由其地址來(lái)決定的。也就是說(shuō),當(dāng)發(fā)送器A的地址與接收器B的地址相同時(shí),發(fā)送器A就可以控制接收器B。并且,發(fā)送器和接收器的地址是可以改變的,當(dāng)發(fā)送器A和接收器B的兩者中的某一個(gè)的地址改變后,他們之間的控制關(guān)系就不再存在了。根據(jù)不同需要,發(fā)送器有多種類型,有的可以進(jìn)行燈光亮度調(diào)節(jié),有的可實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制等。

　　X-10系統(tǒng)的低廉價(jià)格使其得到了一定的發(fā)展。2001年,美國(guó)650萬(wàn)戶家庭裝備了X-10模塊。但是,由于其只支持電力線傳輸,而電力線容易受到干擾,所以系統(tǒng)的抗干擾性能比較差,這點(diǎn)在國(guó)內(nèi)表現(xiàn)的尤為明顯。另外X-10的尋址空間小,對(duì)模擬量支持不夠也限制了他的可擴(kuò)展性和應(yīng)用范圍。

2 CEbus

　　CEBus的全稱是消費(fèi)電子" title="消費(fèi)電子">消費(fèi)電子總線(Consumer Electronics Bus)。它的發(fā)展可以追溯到1984年,美國(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)的消費(fèi)電子小組開(kāi)始制定在家庭中使用的消費(fèi)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)就被稱作消費(fèi)電子總線。1989年,消費(fèi)電子總線的部分草案發(fā)布。直到1992年,所有的消費(fèi)電子總線規(guī)格說(shuō)明書(shū)才得以發(fā)布,這就是EIA600標(biāo)準(zhǔn)。1994年,“消費(fèi)電子總線委員會(huì)”(CEBus Industry Coucil - CIC)成立。這是一個(gè)非盈利性組織,由生產(chǎn)制造消費(fèi)電子總線兼容產(chǎn)品和提供相應(yīng)服務(wù)的公司組成。負(fù)責(zé)CEBus標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)布;并監(jiān)督市場(chǎng)、保證產(chǎn)品的互操作性、以及認(rèn)定產(chǎn)品是否符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)。

　　消費(fèi)電子總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型、樹(shù)型或混合型?？偩€中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是平等的,不需要一個(gè)主控設(shè)備。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源的解決方法是采用沖突檢測(cè)和沖突解決(CSMACD/CR),網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的控制關(guān)系通過(guò)綁定來(lái)實(shí)現(xiàn),從而使整個(gè)家庭中的電器系統(tǒng)能成為一個(gè)智能的整體。

　　參照ISO的OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建議書(shū),消費(fèi)電子總線可劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層" title="網(wǎng)絡(luò)層">網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

　　消費(fèi)電子總線的物理層是開(kāi)放的,目前支持的媒介有電力線、紅外線、無(wú)線電、雙絞線、同軸電纜等。特別是電力線,利用了家庭中已有的走線,而不需要另外布線,因而對(duì)于現(xiàn)有住宅的改造非常方便,同時(shí)不同的媒介能滿足不同設(shè)備對(duì)通訊量的要求。例如對(duì)于低速的控制信號(hào)可以走電源線和紅外線,對(duì)于大量的和實(shí)時(shí)的視頻數(shù)據(jù)信號(hào)可以走同軸電纜,這樣就使得控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)分開(kāi),提高了通信的快速性和可靠性。

　　消費(fèi)電子總線的數(shù)據(jù)鏈路層保證正確收發(fā)數(shù)據(jù)幀。發(fā)送的數(shù)據(jù)幀有幾類:要求響應(yīng)和無(wú)響應(yīng);帶地址和不帶地址;廣播和非廣播。此外,數(shù)據(jù)幀有高、正常、低三個(gè)優(yōu)先級(jí),可以滿足不同信息對(duì)時(shí)間的要求。

　　網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是為了連接不同的物理媒體,例如,連接在雙絞線和電力線上的設(shè)備之間要傳遞信息,就必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。

　　應(yīng)用層包括了三個(gè)子層:消息傳遞子層(Message Transfer Layer),傳遞四種類型的消息;CAL子層,解釋執(zhí)行CAL語(yǔ)言;用戶子層,根據(jù)CAL語(yǔ)言執(zhí)行的結(jié)果來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行,消費(fèi)總線的規(guī)格說(shuō)明書(shū)是EIA600。

　　CAL語(yǔ)言全稱公共應(yīng)用語(yǔ)言,它定義了安全、照明,環(huán)境、能源管理、公用設(shè)施(水、電、煤氣等)、計(jì)算機(jī)和娛樂(lè)等應(yīng)用的一系列功能產(chǎn)品部件,構(gòu)成業(yè)界普遍認(rèn)同的家用電器設(shè)備模型。

　　因而,CEbus在很多方面彌補(bǔ)了X-10的不足,它的物理層幾乎定義了所有的傳輸介質(zhì),尋址能力也得到了很大的加強(qiáng)。

3 LonTalk

　　LonTalk協(xié)議是美國(guó)Echelon公司于1990年推出的LonWorks Networks中使用的通訊協(xié)議。它是第一個(gè)宣稱提供OSI參考模型所定義的全部七層服務(wù)的協(xié)議。目前,LonWorks網(wǎng)絡(luò)在樓宇自動(dòng)化、交通運(yùn)輸行業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化以及家庭與公用事業(yè)自動(dòng)化方面獲得了廣泛的應(yīng)用。LonTalk協(xié)議已經(jīng)包括在美國(guó)供暖、空調(diào)和制冷工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)的Bacnet標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)的標(biāo)準(zhǔn)中。而且它也是美國(guó)消費(fèi)者電子制造商協(xié)會(huì)(CEMA)的家庭網(wǎng)絡(luò)EIA-709標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

　　LonTalk協(xié)議支持的介質(zhì)包括雙絞線、電力線、無(wú)線、紅外線、同軸電纜和光纖。

　　在一個(gè)LonWorks網(wǎng)絡(luò)上,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是相等的,每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可以發(fā)起對(duì)另外節(jié)點(diǎn)的通訊。LonTalk協(xié)議采用了一種改進(jìn)的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議,稱為“帶預(yù)測(cè)的P堅(jiān)持 CSMA介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議”,從而能有效地減少網(wǎng)絡(luò)碰撞,提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。網(wǎng)絡(luò)重載時(shí),以太網(wǎng)吞吐量急劇下降,而對(duì)LonWorks影響較小,這一優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合尤為重要。

　　通訊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)進(jìn)行尋址。網(wǎng)絡(luò)地址分三層結(jié)構(gòu):域(Domain)、子網(wǎng)(Subnet)、節(jié)點(diǎn)(Node):

　　第一層結(jié)構(gòu)是域。域的結(jié)構(gòu)可以保證在不同的域中通訊是彼此獨(dú)立的,例如,不同的節(jié)點(diǎn)共處于同一個(gè)通訊介質(zhì)中,如無(wú)線電。不同域的區(qū)分可以保證它們的應(yīng)用完全獨(dú)立,彼此不受干擾。域地址可以為0,1,3或6個(gè)字節(jié),可根據(jù)實(shí)際需要采用不同的長(zhǎng)度。

　　第二層結(jié)構(gòu)是子網(wǎng)。每一個(gè)域最多可以有255個(gè)子網(wǎng)。

　　第三層結(jié)構(gòu)是節(jié)點(diǎn)。每個(gè)子網(wǎng)中最多有127個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣,在一個(gè)域中最多可以有255×127共32385個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　LonTalk協(xié)議提供四種基本類型的報(bào)文服務(wù):確認(rèn)、請(qǐng)求/響應(yīng)、非確認(rèn)重復(fù)和非確認(rèn)。

可靠性最高的是請(qǐng)求/響應(yīng)。當(dāng)一個(gè)報(bào)文發(fā)給一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn),發(fā)送者盼望來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng),接收者在報(bào)文被處理后發(fā)回響應(yīng)。

　　與之等價(jià)的是確認(rèn)。當(dāng)一個(gè)報(bào)文發(fā)給一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)后,發(fā)送者等待來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的確認(rèn),而接收者收到一個(gè)正確的報(bào)文就發(fā)回確認(rèn)。

　　可靠性在以上兩種之下的是非確認(rèn)重復(fù)。報(bào)文被多次發(fā)給一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn),同時(shí)不期望得到響應(yīng)。

　　可靠性最低的是非確認(rèn)。報(bào)文被發(fā)給一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn),且只發(fā)送一次,同時(shí)不期望得到響應(yīng)。

4 EIB

　　歐洲安裝總線( EIB- European Installing Bus)是一個(gè)在歐洲占主導(dǎo)地位的樓宇自動(dòng)化(BA)和家庭自動(dòng)化(HA)標(biāo)準(zhǔn),他是由Siemens、ABB等一些知名企業(yè)首先提出的。EIBA是EIB的管理機(jī)構(gòu),目前在全球已經(jīng)擁有110多家生產(chǎn)廠商。美國(guó)消費(fèi)電子制造協(xié)會(huì)(CEMA-Consumer Electronics Manufacturers Association)批準(zhǔn)EIB為家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(EIA-776)。

　　EIB采用雙絞線、電力線、同軸電纜、無(wú)線作為其通訊介質(zhì),在很多場(chǎng)合,主要還是使用雙絞線和電力線。使用雙絞線時(shí),每個(gè)物理段可長(zhǎng)達(dá)1000m,傳輸速率為7.6Kbps;

　　使用電力線時(shí),最大傳輸距離為600m。EIB網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)完全對(duì)等(peer-to-peer)的分布式網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備具有相等的地位,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如1所示。EIB中每個(gè)Domain最多可以有15個(gè)Area(域),每個(gè)Area最多可以有15條Line(線),而每條Line最多可容納255個(gè)設(shè)備。

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　　EIB通訊協(xié)議遵循OSI七層模型。在介質(zhì)訪問(wèn)子層,EIB采用帶碰撞避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CA-Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層主要用來(lái)設(shè)置節(jié)點(diǎn)間通信所經(jīng)過(guò)的路由器的最大數(shù)目。傳輸層支持面向連接和面向非連接的兩種服務(wù)。

　　EIB網(wǎng)絡(luò)中,最基本的單元是總線耦合單元(BCU-Bus Couple Uint)和應(yīng)用單元(AU-Application Unit)。BCU中固化了EIB的部分通訊協(xié)議,以便設(shè)備與總線交互。在BCU的基礎(chǔ)上,用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用選擇不同的AU。

　　EIB一出現(xiàn),就獲得了巨大的成功,國(guó)際上很多知名公司都推出了符合EIB規(guī)范的相關(guān)產(chǎn)品。但是,EIB較低的傳輸速率影響了他的適用范圍。

　　除了筆者介紹的以上四種協(xié)議以外,還有一些協(xié)議也相當(dāng)有名,如獲得歐盟委員會(huì)支持的EHS(European Home System)協(xié)議,諾基亞、IBM等公司推出的無(wú)線協(xié)議“藍(lán)牙”(Bluetooth),以及Microsoft公司推出的“通用即插即用”(Universal Plug and Play)協(xié)議等。

　　應(yīng)該說(shuō),目前在樓宇自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化領(lǐng)域還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),采用不同協(xié)議的各家廠商都在爭(zhēng)取擴(kuò)大自己的影響,不斷推出符合各類協(xié)議的實(shí)用產(chǎn)品。

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參考文獻(xiàn)

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