摘? 要: 介紹了目前國際上知名度較高,應用比較廣泛的四種家庭自動化" title="家庭自動化">家庭自動化網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展及其特點。

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

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　　家庭自動化是通過使用家庭網(wǎng)絡" title="家庭網(wǎng)絡">家庭網(wǎng)絡或者家庭總線將家庭中的照明、視聽、安全、通訊、制冷、加熱以及空氣調(diào)節(jié)等各種設備連接起來,協(xié)同工作,從而將你的家庭從一個被動的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成一個主動的伙伴。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,給你營造舒適溫馨的家庭氛圍。

　　一個完整的家庭網(wǎng)絡由下述五部分組成。

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

　　· 信息網(wǎng):主要實現(xiàn)對黑色家用電器(如電視、錄/攝像機和DVD等飾以黑色外表的電器)和計算機的信息交換和控制。

　　· 路由器/網(wǎng)關(guān)或電話接口:主要實現(xiàn)控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的信號綜合,并提供與外界的接口,以便作遠程控制和信息的交換。這個功能的實現(xiàn)也為集成商/控制中心的遠程監(jiān)測/維護提供了良好的基礎。

　　· 控制中心/通用遙控器:用以對家庭網(wǎng)絡上的任意一個家用電器的控制和監(jiān)測,同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡上的家用電器作參數(shù)設置。

　　· 用戶程序的開發(fā)環(huán)境:這是在通用計算機上運行的一個軟件開發(fā)環(huán)境,它不是家庭網(wǎng)絡上的必備部分,一般只是由系統(tǒng)集成公司的技術(shù)人員來使用。它的主要功能有兩個:一是在初始建立一個家庭網(wǎng)絡時為用戶生成應用程序,為系統(tǒng)設置必要的初始化參數(shù),并將它們下載到遙控器和各個模塊中去;另一個功能是用于調(diào)試和維護家庭網(wǎng)絡。

　　本文介紹了目前國際上知名度較高并且比較成熟的幾種網(wǎng)絡協(xié)議標準:X-10、CEbus、LonTalk、EIB。

1 X-10

　　X-10是世界上最早出現(xiàn)的,也是最簡單的智能家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)。X-10在二十世紀70年代就開始在美國流行,成為當時最具代表性的家庭自動化產(chǎn)品。

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

　　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備地址,房間地址有16個,設備地址也有16個,所以X-10最多可以有256個設備。發(fā)送器和接收器的控制關(guān)系是由其地址來決定的。也就是說,當發(fā)送器A的地址與接收器B的地址相同時,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,當發(fā)送器A和接收器B的兩者中的某一個的地址改變后,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,有的可以進行燈光亮度調(diào)節(jié),有的可實現(xiàn)定時控制等。

　　X-10系統(tǒng)的低廉價格使其得到了一定的發(fā)展。2001年,美國650萬戶家庭裝備了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,這點在國內(nèi)表現(xiàn)的尤為明顯。另外X-10的尋址空間小,對模擬量支持不夠也限制了他的可擴展性和應用范圍。

2 CEbus

　　CEBus的全稱是消費電子" title="消費電子">消費電子總線(Consumer Electronics Bus)。它的發(fā)展可以追溯到1984年,美國電氣工業(yè)協(xié)會(EIA)的消費電子小組開始制定在家庭中使用的消費產(chǎn)品的網(wǎng)絡通訊標準。此標準后來就被稱作消費電子總線。1989年,消費電子總線的部分草案發(fā)布。直到1992年,所有的消費電子總線規(guī)格說明書才得以發(fā)布,這就是EIA600標準。1994年,“消費電子總線委員會”(CEBus Industry Coucil - CIC)成立。這是一個非盈利性組織,由生產(chǎn)制造消費電子總線兼容產(chǎn)品和提供相應服務的公司組成。負責CEBus標準的制定和發(fā)布;并監(jiān)督市場、保證產(chǎn)品的互操作性、以及認定產(chǎn)品是否符合CEBus標準。

　　消費電子總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線型、星型、樹型或混合型?？偩€中的每個節(jié)點的地位是平等的,不需要一個主控設備。對于多節(jié)點競爭訪問網(wǎng)絡資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突解決(CSMACD/CR),網(wǎng)絡中各節(jié)點的控制關(guān)系通過綁定來實現(xiàn),從而使整個家庭中的電器系統(tǒng)能成為一個智能的整體。

　　參照ISO的OSI網(wǎng)絡協(xié)議建議書,消費電子總線可劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層" title="網(wǎng)絡層">網(wǎng)絡層和應用層。

　　消費電子總線的物理層是開放的,目前支持的媒介有電力線、紅外線、無線電、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,因而對于現(xiàn)有住宅的改造非常方便,同時不同的媒介能滿足不同設備對通訊量的要求。例如對于低速的控制信號可以走電源線和紅外線,對于大量的和實時的視頻數(shù)據(jù)信號可以走同軸電纜,這樣就使得控制信號和數(shù)據(jù)信號分開,提高了通信的快速性和可靠性。

　　消費電子總線的數(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:要求響應和無響應;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、低三個優(yōu)先級,可以滿足不同信息對時間的要求。

　　網(wǎng)絡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備之間要傳遞信息,就必須通過網(wǎng)絡層來轉(zhuǎn)發(fā)。

　　應用層包括了三個子層: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語言;用戶子層,根據(jù)CAL語言執(zhí)行的結(jié)果來控制設備的運行,消費總線的規(guī)格說明書是EIA600。

　　CAL語言全稱公共應用語言,它定義了安全、照明,環(huán)境、能源管理、公用設施(水、電、煤氣等)、計算機和娛樂等應用的一系列功能產(chǎn)品部件,構(gòu)成業(yè)界普遍認同的家用電器設備模型。

　　因而,CEbus在很多方面彌補了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。

3 LonTalk

　　LonTalk協(xié)議是美國Echelon公司于1990年推出的LonWorks Networks中使用的通訊協(xié)議。它是第一個宣稱提供OSI參考模型所定義的全部七層服務的協(xié)議。目前,LonWorks網(wǎng)絡在樓宇自動化、交通運輸行業(yè)、工業(yè)自動化以及家庭與公用事業(yè)自動化方面獲得了廣泛的應用。LonTalk協(xié)議已經(jīng)包括在美國供暖、空調(diào)和制冷工程師協(xié)會(ASHRAE)的Bacnet標準及美國國家標準協(xié)會(ANSI)的標準中。而且它也是美國消費者電子制造商協(xié)會(CEMA)的家庭網(wǎng)絡EIA-709標準的基礎。

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

　　在一個LonWorks網(wǎng)絡上,各個節(jié)點的地位是相等的,每個節(jié)點隨時可以發(fā)起對另外節(jié)點的通訊。LonTalk協(xié)議采用了一種改進的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議,稱為“帶預測的P堅持 CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議”,從而能有效地減少網(wǎng)絡碰撞,提高網(wǎng)絡的利用率。網(wǎng)絡重載時,以太網(wǎng)吞吐量急劇下降,而對LonWorks影響較小,這一優(yōu)良的網(wǎng)絡特性對實時應用場合尤為重要。

　　通訊通過網(wǎng)絡地址來進行尋址。網(wǎng)絡地址分三層結(jié)構(gòu):域(Domain)、子網(wǎng)(Subnet)、節(jié)點(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立的,例如,不同的節(jié)點共處于同一個通訊介質(zhì)中,如無線電。不同域的區(qū)分可以保證它們的應用完全獨立,彼此不受干擾。域地址可以為0,1,3或6個字節(jié),可根據(jù)實際需要采用不同的長度。

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

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

　　LonTalk協(xié)議提供四種基本類型的報文服務:確認、請求/響應、非確認重復和非確認。

可靠性最高的是請求/響應。當一個報文發(fā)給一個或多個節(jié)點,發(fā)送者盼望來自每個節(jié)點的響應,接收者在報文被處理后發(fā)回響應。

　　與之等價的是確認。當一個報文發(fā)給一個或多個節(jié)點后,發(fā)送者等待來自每個節(jié)點的確認,而接收者收到一個正確的報文就發(fā)回確認。

　　可靠性在以上兩種之下的是非確認重復。報文被多次發(fā)給一個或多個節(jié)點,同時不期望得到響應。

　　可靠性最低的是非確認。報文被發(fā)給一個或多個節(jié)點,且只發(fā)送一次,同時不期望得到響應。

4 EIB

　　歐洲安裝總線( EIB- European Installing Bus)是一個在歐洲占主導地位的樓宇自動化(BA)和家庭自動化(HA)標準,他是由Siemens、ABB等一些知名企業(yè)首先提出的。EIBA是EIB的管理機構(gòu),目前在全球已經(jīng)擁有110多家生產(chǎn)廠商。美國消費電子制造協(xié)會(CEMA-Consumer Electronics Manufacturers Association)批準EIB為家庭網(wǎng)絡標準(EIA-776)。

　　EIB采用雙絞線、電力線、同軸電纜、無線作為其通訊介質(zhì),在很多場合,主要還是使用雙絞線和電力線。使用雙絞線時,每個物理段可長達1000m,傳輸速率為7.6Kbps;

　　使用電力線時,最大傳輸距離為600m。EIB網(wǎng)絡也是一個完全對等(peer-to-peer)的分布式網(wǎng)絡。網(wǎng)絡上的每個設備具有相等的地位,網(wǎng)絡拓撲圖如1所示。EIB中每個Domain最多可以有15個Area(域),每個Area最多可以有15條Line(線),而每條Line最多可容納255個設備。

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

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

　　EIB一出現(xiàn),就獲得了巨大的成功,國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)議也相當有名,如獲得歐盟委員會支持的EHS(European Home System)協(xié)議,諾基亞、IBM等公司推出的無線協(xié)議“藍牙”(Bluetooth),以及Microsoft公司推出的“通用即插即用”(Universal Plug and Play)協(xié)議等。

　　應該說,目前在樓宇自動化和家庭自動化領域還沒有一個統(tǒng)一的標準,采用不同協(xié)議的各家廠商都在爭取擴大自己的影響,不斷推出符合各類協(xié)議的實用產(chǎn)品。

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參考文獻

1 Marc Goossens,The EIB System for Home?& Building Electronics,EIBA s.c.,1998

2 Data Communication for HVAC Applications?Automation Net Part4:EIB,CEN,1997.9

3 Kenneth P. Wacks,，Home Automation and?Utility Customer Services,Cutter Information?Corporation,1998

4 www.homeautomation.org

5 www.hometoys.com

6 www.cebus.org

7 www.cema.org

8 www.eiba.com

9 www.echelon.com

10 www.lonmark.org

11 www.homerf.org

12 www.bluetooth.com

13 www.ehsa.com

14 www.upnp.org