摘  要： 介绍作为欧洲家庭楼宇自动化主流标准的欧洲设备安装总线(EIB)的系统框架,其网络拓扑、通讯协议和数据编码等系统组成。

　　关键词： EIB 家庭楼宇自动化 分布式 开放系统

　　1999年国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10亿多平方米,投资额约1400亿,占国民生产总值的6%～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^[1]。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-网关-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。而庞大布线量增加设计安装的工作量和费用的同时,降低了系统的可靠性。

　　伪开放系统采用总线式结构,控制子系统直接挂在总线上,将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^[2]。

1 EIB协议概况

　　欧洲设备安装总线协议(EIB-European Installation Bus)是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化(BA)和家庭自动化(HA)标准。作为EIB的管理机构,EIBA委员会(European Installation Bus Association)拥有100家会员,这些会员占据了欧洲楼宇、家庭自动化设备销售额的80%。基于其优秀表现,该协议已被美国消费电子制造商协会(CEMA)吸收作为家庭网络EIA-776标准^[3]。

　　以用户为导向,具有开放性、互操性和灵活性的EIB协议摒弃了控制中心思想,有效地应用于包括照明、安防、HVAC(通风温度控制)、时间事件管理等家庭楼宇领域的所有分支。其系统应用总框图如图1所示。它具有以下三大特点:

　　·分布性:无中心分布式结构彻底解决控制网络“孤岛”和“瓶颈”问题,可使系统发挥其最佳效率;同时降低了布线量和安装费用。

　　·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:EIB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^[4]。

2 EIB网络拓扑

　　EIB网络是一个完全对等(peer-to-peer)的分布式网络。接入网络的每个设备具有同等的地位。其网络拓扑参见图2。从图中可以看出,网络采用了域(Domain)、区(Area)、线(Line)的分层的结构。每一条Line上最多可以连接255个设备;一个Area内最多可容纳15条Line;而一个Domain则可容纳15个Area。连接通过特殊的线耦合器(Line Coupler)和区耦合器(Area Coupler)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)^[5]。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EIB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。EIB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,EIB具备高度自治的优良特性。

3 EIB OSI通讯协议与通讯媒质

　　EIB通讯协议遵循OSI(开放式系统互联参考模型)模型,提供了OSI模型所定义的全部七层服务^[6],这是其先进性之一。遵循OSI参考模型的EIB系统层次协议结构见图3。物理层和链路层明显依赖于物理媒质的特性,EIB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(CSMA)以控制媒质接口;网络层通过网络协议控制信息(NPCI)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)、一对所有无连接(广播)、一对一无连接、一对一导向连接,它提供了地址与抽象内部表达之间的映射通讯访问标识符(cr-id);通过预留的会话层和表示层,所有设备被明显映射出来;应用层行使EIB网络用户/服务器管理的API(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。

　　EIB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、无线频率传输。这是其先进性之二。EIB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1000米;EIB输电线运用新型扩展频率调制技术,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600米;EIB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300米^[7]。

4 EIB网络

　　EIB网络规范实现在所有媒质中包含遵循ISO/IEC802-2的逻辑链路层,及10兆位的以太网。EIB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。EIB网络可以路由访问办公网络和楼宇网络,或使用Internet协议通过Internet远程访问。

　　EIB设备可以看成分配资源的集合,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-从快速轮询模式确保对主要子系统的现场检测和状态检测。  每个EIB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CPU和存储资源接口)优先级的控制信号。通过引入EIB分配对象,网络资源实际上成为导向对象(OO)。

5 组编址与数据格式

　　EIB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,使之成为网络有效共享资源。分配对象的属性可以作为有效共享资源,这是组编址的一个优点。有效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。EIB为这些有效共享资源提供了16位有效地址空间。考虑某些执行机构的15位限制,每个设备可以有多达32K的有效共享资源(或组地址)。考虑范围和效率,组编址通讯采用适合的运行模式以优化EIB自主区域通讯。

　　控制信号与系统在设备间通过数据帧传输。基本数据格式由EIB协议所规定。一帧可携带多达14字节的数据,包括控制码、地址码、操作码、校正码四部分[8]。地址码包括源地址信息和目标地址信息。源地址显示设备所在,此物理地址由项目设计时总线耦合器唯一确定。地址显示通讯对象所在,通讯对象可为单一设备或设备组,可在同一Line上或跨越不同的Line。组地址决定系统中基本通讯关联。操作码在设备间传送设备信息,如命令、消息、预设值、测量值(其定义几乎可用于所有物理量)等等。基本数据类型的属性组成分配对象,可网络存取。终端用户设备通过BCU(总线耦合单元)与总线通讯。

6 其他系统组成

6.1 EIB家庭管理系统

　　EIB本地导向对象管理的特征通过EIB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(API)体系。

　　(1)此体系使设备互操成为现实。EIB系统支持家庭即插即用(Home PnP)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EIB协议,就可以互相控制或操作(interoperability),不必在不同设备之间设置昂贵的语言翻译网关。每个设备有自己的地址,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Internet随时查询控制设备状态,实现真正的远程遥控。符合EIB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^[9]。

　　(2)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EIB在原有系统改造中免除重新布线,扩展了EIB的适用范围^[10]。

　　EIB家庭管理系统的开放性和互操性使设备容易集成于功能齐全,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。

6.2 EIB开发应用软件

　　在具体项目设计中,EIB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Windows的EIB开发应用软件中,利用ETS(EIB Tool Software)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^[11]。项目工程师可将描述部分引入其ETS项目编辑中。通过组地址分配,所有设备满足项目具体要求和逻辑连接。

　　ETS建立在PC/Windows平台的软件工程组件的结构顶层,被称为EIB工具环境(ETE),作为EIB标准的一部分^[12]。

    EIB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EIB协议开发真正开放性的智能家庭楼宇管理控制系统,不但是现实可行的,而且具有广阔前景。

参考文献

1 近期行业技术发展重点纲要,中国国家经济贸易委员会,1999

2 刘运基.采用Lonworks技术设计和实施智能建筑自动化系统,www.chinaceenet.com

3 G.Seip，The future of the EIB system.In：EIB-proceedings，3/2000，9~13

4 EIB:a lot of things to a lot of people.In：www.eiba.com

5 Goossens M， The fast lane to EIB.EIBA，1998

6 R.Ott，Linking EIB Networks with Java：The EIBlet Concept. In：EIB-proceedings，2000；(3)33~41

7 Goossens.M，Easy Installation and Home Management.In：Feldbutechnik in Forschung Entwicklung und Anwen-

dung (Dietrich，Ed.)，1997；387

8 European Installation Bus：Technical Information.EIBA，1999

9 Christoph Sahm，EIB goes UpnP.In：EIB Journal 5/2000

10 Home Intelligence Quality of life·Security·Efficiency.EIBA，1999

11 Goossens M，Object-based Distributed Application Design.In：Feldbutechnik in Forschung Entwicklung und  

Anwendung (Dietrich，Ed.)，1997；152 

12 ETS-Visual Projest for EIB，EIBA 1999 

13 H.-R. Tr?nkler， Intelligentes Haus Deutschland-Just An Idea?. In：EIB-Proceedings，3/2000