摘  要: 介绍了目前国际上知名度较高,应用比较广泛的四种家庭自动化" title="家庭自动化">家庭自动化网络协议的发展及其特点。

　　关键词: X-10  CEbus  LonTalk  EIB  协议

　　家庭自动化是通过使用家庭网络" title="家庭网络">家庭网络或者家庭总线将家庭中的照明、视听、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,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。帮助你提高工作效率,增加安全感,节省能源消耗,节约金钱,给你营造舒适温馨的家庭氛围。

　　一个完整的家庭网络由下述五部分组成。

　　· 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视。

　　· 信息网:主要实现对黑色家用电器(如电视、录/摄像机和DVD等饰以黑色外表的电器)和计算机的信息交换和控制。

　　· 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。

　　· 控制中心/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。

　　· 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,它不是家庭网络上的必备部分,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。

　　本文介绍了目前国际上知名度较高并且比较成熟的几种网络协议标准:X-10、CEbus、LonTalk、EIB。

1 X-10

　　X-10是世界上最早出现的,也是最简单的智能家庭网络系统。X-10在二十世纪70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-10采用电力线作为其网络通信介质,系统中的各个设备直接挂在电力线上就可以相互通信,所以X-10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-10系统主要由发送器" title="发送器">发送器和接收器组成,发送器和接收器都有地址。X-10的地址分为房间地址和设备地址,房间地址有16个,设备地址也有16个,所以X-10最多可以有256个设备。发送器和接收器的控制关系是由其地址来决定的。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。并且,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,有的可以进行灯光亮度调节,有的可实现定时控制等。

　　X-10系统的低廉价格使其得到了一定的发展。2001年,美国650万户家庭装备了X-10模块。但是,由于其只支持电力线传输,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-10的寻址空间小,对模拟量支持不够也限制了他的可扩展性和应用范围。

2 CEbus

　　CEBus的全称是消费电子" title="消费电子">消费电子总线(Consumer Electronics Bus)。它的发展可以追溯到1984年,美国电气工业协会(EIA)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。1989年,消费电子总线的部分草案发布。直到1992年,所有的消费电子总线规格说明书才得以发布,这就是EIA600标准。1994年,“消费电子总线委员会”(CEBus Industry Coucil - CIC)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CEBus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CEBus标准。

　　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,不需要一个主控设备。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(CSMACD/CR),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ISO的OSI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" title="网络层">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;广播和非广播。此外,数据帧有高、正常、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(Message Transfer Layer),传递四种类型的消息;CAL子层,解释执行CAL语言;用户子层,根据CAL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EIA600。

　　CAL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一系列功能产品部件,构成业界普遍认同的家用电器设备模型。

　　因而,CEbus在很多方面弥补了X-10的不足,它的物理层几乎定义了所有的传输介质,寻址能力也得到了很大的加强。

3 LonTalk

　　LonTalk协议是美国Echelon公司于1990年推出的LonWorks Networks中使用的通讯协议。它是第一个宣称提供OSI参考模型所定义的全部七层服务的协议。目前,LonWorks网络在楼宇自动化、交通运输行业、工业自动化以及家庭与公用事业自动化方面获得了广泛的应用。LonTalk协议已经包括在美国供暖、空调和制冷工程师协会(ASHRAE)的Bacnet标准及美国国家标准协会(ANSI)的标准中。而且它也是美国消费者电子制造商协会(CEMA)的家庭网络EIA-709标准的基础。

　　LonTalk协议支持的介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。

　　在一个LonWorks网络上,各个节点的地位是相等的,每个节点随时可以发起对另外节点的通讯。LonTalk协议采用了一种改进的以太网介质访问控制协议,称为“带预测的P坚持 CSMA介质访问控制协议”,从而能有效地减少网络碰撞,提高网络的利用率。网络重载时,以太网吞吐量急剧下降,而对LonWorks影响较小,这一优良的网络特性对实时应用场合尤为重要。

　　通讯通过网络地址来进行寻址。网络地址分三层结构:域(Domain)、子网(Subnet)、节点(Node):

　　第一层结构是域。域的结构可以保证在不同的域中通讯是彼此独立的,例如,不同的节点共处于同一个通讯介质中,如无线电。不同域的区分可以保证它们的应用完全独立,彼此不受干扰。域地址可以为0,1,3或6个字节,可根据实际需要采用不同的长度。

　　第二层结构是子网。每一个域最多可以有255个子网。

　　第三层结构是节点。每个子网中最多有127个节点。这样,在一个域中最多可以有255×127共32385个节点。

　　LonTalk协议提供四种基本类型的报文服务:确认、请求/响应、非确认重复和非确认。

可靠性最高的是请求/响应。当一个报文发给一个或多个节点,发送者盼望来自每个节点的响应,接收者在报文被处理后发回响应。

　　与之等价的是确认。当一个报文发给一个或多个节点后,发送者等待来自每个节点的确认,而接收者收到一个正确的报文就发回确认。

　　可靠性在以上两种之下的是非确认重复。报文被多次发给一个或多个节点,同时不期望得到响应。

　　可靠性最低的是非确认。报文被发给一个或多个节点,且只发送一次,同时不期望得到响应。

4 EIB

　　欧洲安装总线( EIB- European Installing 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,他是由Siemens、ABB等一些知名企业首先提出的。EIBA是EIB的管理机构,目前在全球已经拥有110多家生产厂商。美国消费电子制造协会(CEMA-Consumer Electronics Manufacturers Association)批准EIB为家庭网络标准(EIA-776)。

　　EIB采用双绞线、电力线、同轴电缆、无线作为其通讯介质,在很多场合,主要还是使用双绞线和电力线。使用双绞线时,每个物理段可长达1000m,传输速率为7.6Kbps;

　　使用电力线时,最大传输距离为600m。EIB网络也是一个完全对等(peer-to-peer)的分布式网络。网络上的每个设备具有相等的地位,网络拓扑图如1所示。EIB中每个Domain最多可以有15个Area(域),每个Area最多可以有15条Line(线),而每条Line最多可容纳255个设备。

　　EIB通讯协议遵循OSI七层模型。在介质访问子层,EIB采用带碰撞避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA-Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)协议。网络层主要用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。传输层支持面向连接和面向非连接的两种服务。

　　EIB网络中,最基本的单元是总线耦合单元(BCU-Bus Couple Uint)和应用单元(AU-Application Unit)。BCU中固化了EIB的部分通讯协议,以便设备与总线交互。在BCU的基础上,用户可以根据不同的应用选择不同的AU。

　　EIB一出现,就获得了巨大的成功,国际上很多知名公司都推出了符合EIB规范的相关产品。但是,EIB较低的传输速率影响了他的适用范围。

　　除了笔者介绍的以上四种协议以外,还有一些协议也相当有名,如获得欧盟委员会支持的EHS(European Home System)协议,诺基亚、IBM等公司推出的无线协议“蓝牙”(Bluetooth),以及Microsoft公司推出的“通用即插即用”(Universal Plug and Play)协议等。

　　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。

参考文献

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