智能家居网络通信系统的研究Word文档下载推荐.docx
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海内的市场规模大,我国政府连续促使信息化、智能化城市的发展,大力发展宽带普及和宽带提速,加速促进信息消费的不断增长,这也为智能家居在国内的成长打下了坚固的根基。
在中国,智能家居还是个新出现的产物,处在一个新生期与发展期的过渡期,市场消费观念还未成熟,但随着推广普及和进步落实智能家居市场,培养起消费者的消费风俗,智能家居市场的消费后劲一定是强大的,行业前途光明。
正因为这些原因,海内杰出的智能家居生产企业越来越重视对智能家居的发展,特别是对企业发展状况和客户需求趋向转变的深入钻研,一大批海内杰出的智能家居生产商快速速崛起,逐步成为智能家居产业中的魁首!
1.3本课题研究的内容和主要目标
1.3.1研究内容
本课题以智能家居为研究对象,以智能建筑、现场总线相关理论为基础,剖析并研究智能家居在国内外的发展近况、采取的主流技术等,针对家居网络对通信系统的特殊需要,本课题着重分析现场总线系统在这一领域的应用通过分析现有控制网络协议(特别是主流现场总线协议),设计智能家居网络通信系统框架和主要控制单元。
1.3.2课题的主要目标
本论文的首要目的是研究出适宜一般家用电器采用的协议模型即适合家用电器传送数据特点的数据包结构和控制类型,并且完成对家电节点硬件部分的设计运行,基本上让使用者可以在户外时能够达成控制家用电器的功能,即完成一个最小化的智能家居网络系统。
此系统应具有以下特点:
1、性能价格比高,系统通用性较强。
2、与目前以太网兼容的的网络接口、协议和数据格式。
3、易于扩充、方便安装。
第2章对主流智能家居现场总线的研究
要进行对智能家居通信系统的研究,首先要对目前国内外存在的主流现场总线进行深入的研究,这也是论文的目的所在。
通过研究各种方案的优点和存在的不足,为本人设计的家居通信系统梳理线索和思路。
在世界上智能家居的通信系统的研究与开发已经成为新一轮的关注焦点,而今五种主流的世界上频繁使用的智能家居现场总线的概念和特色如下:
2.1X-10
1、X-10的定义
在智能家居通讯体系的史籍中,X-10不仅是行使最容易且开发最早的一种,而且在1978年诞生于美国后,于今还是美国智能家居的主导系统。
X-10协议是使用平时生活中的电线连接家用电器,并且能够长途掌控设备的国际通信协议,X-10智能家居系统是指以X-10协议为基础,系统的发射信号装置发出X-10的控制数据,之后X-10的控制数据经过生活电线网传送到信号接受装置,继而信号接收装置再控制家用电器的体系。
2、X-10的组成特点及原理
X-10是在电力线上发送信号,在电力线上接收信号来完成通讯。
系统是由发射器、接收器、系统保障设备三部分组成的。
发射装置发送的控制指令经过生活电线传送给接收装置,之后接收装置按照指令远程掌控被控器件。
处理电力线干扰的工作便是系统保障设备完成的,用来检测和解决电子线噪声的问题,首要目标是保证X-10信号在电力线上稳定的传输,并且能够让信号一直保持系统能分辨的强度,这也让X-10系统能够稳定工作。
X-10是使用现存的电力线网络来控制家庭里的电子电器设备的通信系统,而且是国际上第一个使家庭自动化产品商业化成功的技术。
X-10是采用频率为60Hz(或50Hz)电力为载体波,借用调变技术来传输信息所开发出的数据掌控技术,并由此制订出一套控制规则。
在X-10网中,Transmitter模块是处于控制装置上的,Receiver模块接受分析发射模块发出的命令,还有不但能发出命令,而且能回应确认信号的Two-Way模块。
总系统拥有256个控制节点,也就是说可以控制256个电器设备。
根据设定好的指令发出信号到电力线网络上的X-10控制器,由此来控制家庭中的电器。
3、X-10通信系统的优缺点
它的优点是:
无需重新布线,升级比较容易,只需用微型模块更换普通的电器开关即可,安设方便,更加利于改变空间结构,用户可以自己安装,价格也相对较便宜。
而作为与因特网互联的家庭网络。
X-10的弊端也有目共睹:
遇到各种情况反应迟钝;
不能很好的抵抗外界因素的影响;
单调的控制方向,电器之间的互动也很少,X-10的单调的控制方向,即控制指令只可从发射器发送到接收器,这也是它的一大弊端。
X-10的制约性还在于,由于在起初时X-10系统是为家庭内网制作的一个智能系统,并没有想到以后会和互联网连接,在与外部网络连接时,X-10系统要想接入外网还需要花费大量的金钱购买协议转换器,技术繁琐而且实现起来很复杂,继而导致成本较高。
总之,在眼下网络化大潮情况下,X-10系统作为一种最初的智能家居系统,存在的缺陷暴露无遗。
如果使用X-10系统与互联网互联,对它的设备安装及维护将会十分复杂。
2.2CEBus
1、CEBus的定义
CEBus(ConsumerElectronicBus)是在1984年4月由美国电子工业协会(EIA)机构拟定的家居网络准则,在1992年该组织正式推出了定为EIA-600标准的CEBus。
CEBus是一种整体开放式的家庭联网准测,它定义了几乎全部传输媒介中信息的传输准测,满足标准的电器产品均可以直接连接到网络。
2、CEBus的组成特点及原理
CEBus是点对点网络,它不需要系统控制器,利用CSMA/CDCR方法来控制其节点对传输介质的访问。
CSMA/CDCR是对Ethernet协议CSMA/CD的一种改良。
这种协议使得几个节点争用传输通道,冲撞不会影响传输数据的正常传输,而这几个节点传输的指令肯定会有一个权限比较高的可以发送出去。
CEBus参考简化之后的IS0/0SI模型,分为物理层、数据链路层、网络层和应用层,如图2-1所示。
物理层支持7种不同传输媒介,包括电力线、双绞线、同轴电缆等,可满足不同应用场合需要。
CEBus的协议模型如下图。
图2-1CEBus采用的协议模型
CEBus的数据链路层保证无差错的收发数据帧。
按照数据帧里面是不是包括源节点地址和是不是要求响应分为四种服务:
有地址与没有地址的;
要求响应和无响应的。
另外,数据帧有很高的、普通、低三个等级,能够满足不同报文对时间的要求。
3、CEBus通信系统的优缺点
CEBus通信系统的优点:
标准化的系统协议。
只要是符合协议准则的家用电器都能够直接连接通信。
控制力及强大的功能。
CEBus组成的系统,寻址能力超强,能达到数十亿次,足能够媲美互联网,且自身的控制功能十分强大。
采用有效协议,避免发生冲突。
为了避免CEBus网络上面可能会出现的数据冲突,CEBus使用CSMA/CDCR,从而大大提高了数据传输的稳定性。
CEBus通信系统的缺点:
成本昂贵。
由于CEBus协议规范要求十分的高,接口技术实现起来很复杂,这也导致使用CEBus会花费很多钱,所以使用CEBus系统的家庭相对较少,在中国,使用CEBus的家庭更加的少。
数据速率低。
因为与其他总线相比CEBus总线传输信道的的速度十分低,所以它不能一直适应现有的网络,也不会被太多的人所认可。
特有的编写语言限制。
虽然面向对象特性的CEBus的公共应用语言,让它在计算机上应用自如,但对家庭的每个角落微控制器,公共应用语言不像C语言等其它语言有很多产品的支持,故而并不方便编写调试。
当CEBus在与互联网链接时,必须在它们两个间添加协议转换装置进行转换协议,面对所产生的成本,CEBus通信系统需要面对的问题还有就是安装复杂和系统维护。
2.3EIB
1、EIB的定义
EIB是欧洲安装.总线协会EIBA推出的用于电气装配领域的智能控制网络。
在电气布线领域中多种的布线方式准则中,EIB是行业产品中使用范围最广的。
EIB总线系统不使用以往的分离式电缆和电力线,而是使用一条双绞线作总线,这是欧洲安装总线标准,EIB使各个家庭系统智能化,并成为一个完整的总线系统。
EIB总线系统是一个面向使用者、体现个性的系统,又是一个面向管理者的系统。
控制者在合理的标准下可以根据自己的想法修改系统,达到控制者所想要的效果,并能够使用传感器操控系统和家用电器。
2、EIB的组成特点及原理概述
EIB系统使用双绞线传送信息,它是分布式的系统。
通信协议遵循OSI模型提供OSI定义的六层服务。
EIB器件大多是拥有内置微处理器和存储器的模块化元件,可以十分方便的直接的安装在配电箱中,器件的检修和维护都十分容易,内置的模块化系统。
当根据需求设计的应用程序被下载到全部元件模块中去之后,每个元件就可以独立地完成工作。
如果一个元器件的不能工作,这不会影响整个系统的工作,也不会影响其他元件。
EIB使用的串行异步传送模式。
EIB系统最大的传输速率为9.6kb/s。
EIB数据的传输是及时性的。
通俗的说,当没有事件发生时,在系统的总线上是没有数据流动传输的。
EIB采用了CSMA/CA协议,这抬高了系统的保险性,并且能够使传送速度达到最大值,EIB使用CSMA/CA技术,在很多元件一起发出数据时,EIB按照之前设定好的数据优先权把数据不断的依次发送出去,而且这也不容易丢失数据。
EIB协议中添加了物理地址和组地址。
不同的元件会分配一个不同且唯一的一个物理地址。
有了物理地址,元件就很容易区分辨别,并经过总线下载与自己需要的程序段。
组地址是多样性的,一个元器件可能有多个组地址,不仅仅局限于一个。
实际,组地址是用来实现通讯的。
当一个元器件要实现一个目的时,元器件会通知拓扑上其他与自己组地址相同的元件,以协助自己完成该指令。
利用组地址的特性,能够很容易的完成以往电气技术中很难完成的“一控多”和“多控一”任务,同时也保证了系统能够准确的交换信息。
3、EIB通信系统的优缺点
EIB有自身的优点:
设计和功能的模块化。
EIB系统是模块化结构的原因,使得其可以灵活设计、装配简单,很容易的扩展功能,也为日后的升级或者软件功能变化提供了便利条件。
开放性和标准化。
EIB能够满足很多不同的环境状况和不同的用户要求。
使用拥有统一器件信息库的软件ETS策划、编辑和调试EIB,通过互联网这些元件的数据库多数可以免费获得。
数据的稳定性。
EIB智能系统在使用的传送模式中应用了CSMA/CA技术,这个技术的有点在多个信号同时发送时显现出来,信号不会因为冲撞而丢失。
而作为与因特网互联的家庭智能网络,EIB也有其较为明了的缺陷:
线路的独特性。
EIB系统需要配备特殊的双绞线和专门的装置,这两点就会增加不少的安装费用,这也是EIB系统缺陷之一。
传输速率低。
EIB不能不提的缺陷就是它的传输速率与其他的总线相比简直是太低了,传输速率只有9.6kbps,这也是它的串行异步的传输模式造成的。
此外,EIB需要进行协议转换后才能与互联网连接,这就需要用户购买安装协议转换器,这也是使用EIB无法避免的的一些费用,EIB网络同样无法实现与因特网的无缝连接。
总之,EIB最显著的优点就是它的系统的标准化和安装的灵活性。
但是EIB对于通信线路的不同要求,加上EIB成本很贵和传送速度低,还有就是在与互联网链接时需添加特定的协议转换设备,这些不利因素也成为了EIB作为智能家居网络与因特网互联的绊脚石。
2.4LonWorks
1、LonWorks的定义
在各个国家先后推出自己的总线时,在20世纪80年代,美国Echelon公司公布出的一个分布式的点对点双向收发的现场总线技术,这便是LonWorks协议。
它试图控制整个网络,LonWorks技术的组成除了硬件部分和NEURON芯片部分外,还有其他总线不同的软件部分,它专属的通信协议LonTalk。
2、LonWorks的组成特点及原理
监控模块是LonWorks网络的基本组成模组,监控模块即是节点,所有的节点可以通过一根总线连接在一起。
LonWorks可以使用多种传输介质,而且网络中可以存在多种介质。
LonWorks协议组网方式十分灵便,支持不同结构的网络拓扑结构。
LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、智能家居等,在组建分散式监控网络方面,有较好的性能。
LonWorks技术以神经元芯片为中枢,它其中有固化的协议LonTalk,三个微处理器,同时执行不同工作系统和灵便的PutIN/OUT模式。
LonTalk协议除了1-6层固化了OSI模型所定义的六层协议,只有应用层这一层是按照使用目标自行设计的,很大程度上节省了开发时间和投入的成本。
LonWorks节点使用固定在自身NEURON芯片中的LonTalk协议传输信号至网中,节点分析数据,接收指令,继而实现控制操作等功能。
为其适应的应用提供了较好的控制网络。
3、LonWorks通信系统的优缺点
LonWorks作为一种开放式的交互网络,其优点如下:
协议的标准化。
因为大多数LonTalk协议是固化在芯片里面固化的,因此使用者不用担心配置的繁杂。
这样用户可以不需要花很多的时间,来构造芯片里面的协议。
正是由于LonWorks的这一特性,使得它可以以很少的费用,适应于各种应用场合。
良好的实时性。
发生最坏的情况下,为了使响应时间得到控制,在LonTalk协议中加入了设想网络数据量和防止堵塞色的方案。
使用把信号分为优先信号、普通信号、可延时信号的方法来传送数据,能够很大程度上提高报文的回应时间,它的传输速率高达1.25Mbps,并可使用多种及时的应用。
设计的模式化。
LonTalk协议的应用层协议可以传输单个信号的变量,也可以传输结构式的信号变量。
协议只要利用关键字“NETWORK”来定义这些变量,这意味着程序员不必关心缓冲管理、报文初始化、报文分析和错误处理等问题。
节点的独立性。
在LonWorks的网络中,每个节点地位一样,没有主从关系。
各个节点之间能够彼此操纵,掌控十分灵活。
既然是与Internet链接的家庭网络,LonWorks同样也拥有自己的缺陷:
开放性值得怀疑。
虽然Echelon公司宣称LonWork具有完全的开放性,但是LonWorks依赖于被垄断生产的芯片,只有使用不依赖于硬件的通讯协议,才有可能具有完全的开放性。
被垄断生产的Neuron并不一定具备真实情况上的开放性。
受限制的单一芯片。
有限的Neuron的容量和存储结构和LonWorks设计的性能瑕疵,局限了LonWorks应用逻辑段的规模和范围,而且制约了逻辑段之间的互相操纵,同时信号传送速率也受到影响。
虽然LonWorks一直说网络速度达到1.25M波特率,但可以达到这个速度只有在短距离内和专用网络上的计算机之间而已。
而眼下LonWorks在装置和控制器之间现实通信速率仅仅不到0.1kBaud。
此外,LonWorks和其他总线技术一样,在与互联网链接时必须要转换协议,想要联网的使用者一定要购买特意针对于LonWorks制作的协议转换设备,这不仅增加了安装的难度还需要花费大量的金钱。
同样LON没有法实现家居网络与互联网的完美链接。
总之,目前LonWorks已经被广泛的应用到智能家居中,而且它还很先进,优点还很多,相对其他的总线技术有很多亮眼的优点。
然而,如果要是想把智能家居网络全部接入互联网,使得家居系统与互联网做到完美连接,LON系统的缺乏的开放性、传送速度太低乃至要添加的协议转换设备才能与互联网互联的问题,这些都是LON技术让智能家庭系统与互联网完美的链接的障碍。
2.5工业以太网
1、工业以太网的定义
所谓工业以太网,一般来讲,是指技术上与商用Ethernet(即IEEE802.3标准)兼容,是应用于工业控制领域的以太网技术,但在产品设计时,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面与商业以太网有所不同。
目前,智能家庭内部使用的以太网络也被归为工业以太网的一种。
2、工业以太网的组成特点及原理概述
工业以太网在结构层次上原则上遵循了商用Ethernet标准(IEEE802.3)的标准,即ISO/OSI七层通信模型。
但商用Ethernet技术标准,它仅仅包含其中的物理层和数据链路层两层;
而在其之上的网络层和传输层,则以TCP/IP协议为主。
ISO/OSI七层通信模型如图2-1所示。
图2-2ISO/OSI标准七层通信模型
工业现场系统需求非常严格,不是任何总线协议都可以胜任。
必须建立完整的、高效的以太网+TCP/IP协议模型,还需要制作高效且不是无效的及时机制,把工业现场控制系统中数据的传送做到完美,许许多多的厂商和用户开始接受的这种协议,继而演变成开放的标准准则。
为此,各机构厂商将其总线网中的高速断换成以太网技术,其原理大多是协议的物理层、数据链路层、传输层和网络层采用标准的以太网+TCP/IP协议,而节点之间的通信和网络寻址则使用各自编写的应用层协议来完成,并且这些协议及程序保证了工业现场控制系统的以太网的实时性、准确性。
由此构成了各种工业以太网协议以及应用程序,如MODBUS、Ethernet等。
工业以太网实质上是以太网+TCP/IP+应用层协议,如
下图所示。
图2-3工业以太网常用协议层的结构
3、工业以太网的优缺点
工业以太网具备与Internets无缝连接性、通讯速度快、功耗小、安装装配容易和兼容性好等方面的优势,并且由于几乎所有的编程语言都支持其开发且得到几乎所有的主流软硬件厂商大力支持,所以其具有广泛的可支持性和可扩充性。
然以往的以太网运用各种拓朴构造和CSMA/CD通讯方式,在某些需要及时将数据传输处理的情况下,关键信号的传送进程可能会发生传送延时,这就是以太网的不确定性,这是以太网最大的缺陷。
2.6家居系统中以太网与以上总线的对比
本文选择以太网+TCP/IP协议作为基础,策划自己的网络体系,这是在智能家居网络中,以太网与其他各种总线通信系统相比,如表2-1:
表2-1家居系统中各总线的对比
支持开发语言
与Internet连接是否需要加协议转换器
通信速率
抗干扰能力
使用地区
X-10
电力载波协议
需要
350Kbps
差
美国
CEBus
CAL
10Kbps
一般
北美和欧洲
EIB
汇编语言
9.6Kbps
欧洲
Lonworks
Neuronc语言
78Kbps
强
工业以太网
C、Java等多种语言
不需要
10Mbps、100Mbps、甚至更快
全球
通过表2-1的对比,可以很明了的看出工业以太网在智能家居中占据的巨大优势,开发语言多,不像其他总线仅仅支持一种语言的产品开发。
在与Internet连接时,不需要添加协议转换器,这也减少了建造智能系统时的费用。
通信速率高,其他总线根本和工业以太网的传输速率没的比。
虽然它的抗干扰能力一般,但是这是可以通过一些措施来弥补的。
而工业以太网在全球被使用,这也使它占据了地利的优势。
正是由于以太网诸多的优势,本文选择尝试设计适合家庭环境的以太网+TCP/IP协议的智能家居网络系统。
第3章工业以太网近况及其在家居中的应用问题
3.1工业以太网技术的发展现状
随着互联网技术的不断成长和推广,以太网技术也得到了高速的成长,以太网传输速度的提升,和以太网互换技术的成长,为解决工业以太网通信的一系列问题带来了可能,而且使以太网全面应用于工业和家居领域成为可能。
时下工业以太网主要的近况表现在如下二个大方面:
(1)确定性与实时性的不断提高;
(2)稳定性与可靠性成为研究的热点,并且取得了一定的成果。
3.2与其他总线对比,以太网存在的缺陷和改进
恰是因为以太网所具备的优点,让它受到愈来愈重的重视。
但如何利用COTS(集成通信技术)这种不确定的技术来满足家庭网络的控制需要,是目前急于需要解决的问题,通过对比其他总线通信系统,得出以太网的这些问题主要是智能家居网络中的通信实时性问题和网络安全问题,它们直接影响以太网在智能家居中的应用。
以下是对以太网技术存在的主要问题的分析及目前提出的相应解决办法:
3.2.1以太网的通信实时性缺陷及改进
1、以太网的通信实时性的缺陷
长期以来,以太网在工业现场设备中应用的致命弱点是它的通信响应的不确定性。
显而易见,以太网用CSMA/CD机制来处理数据传输时发生的冲突。
其基本工作原理是:
当一台计算机发送数据时,总线上的所有计算机都能检测到这个数据。
这个就是广播通信方式。
通常人们不可能总是要在局域网上进行一对多的广播通信。
为了在总线上现实一对一的通信,可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他适配器都不同的地址。
在发送数据时,把接收站的地址写明在帧的首部。
只有在数据帧中的传送目的地标记与适配器ROM中存放的硬件地址一样时,该适配器才能接受这个数据帧。
适配器就会丢弃不是发送给自己的数据帧。
而CEBus和EIB分别采用了CSMA/CDCR和CSMA/CA。
2、对以太网的通信实时性缺陷的改进方法
目
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