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1、广东工业大学硕士学位论文嵌入式智能家居通信模型和协议的研究与应用姓名：罗嵘申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：汤荣江20050501摘要摘要随着计算机技术的广泛应用和现代化信息社会与电力线通信技术的发展，智能家居技术越来越成熟，但目前智能化家屠在普及的过程中，还存在着统一接口、统一协议等方面的问题。由于这些问题严重制约了家居网络的发展和普及，本文在研究分析了几种对家庭网络影响最大，最具竞争力标准之后，提出基于家居通信协议的网络参考模型。本文通过研究现有的现场总线技术、嵌入式I n t e r n e t 技术、计算机网络技术和电力线数据通信技术，将基于T C P I P 协议的计算
2、机网络结构与基于电力线通信的总线结构通过串口通信技术有机地结合起来，构建家庭网络硬件系统。本系统结构简单合理，可靠性和稳定性高，使用方便，并且经济，便于家居网络以后功能扩展，有利于家居网络的普及和发展。通过研究现有家庭网络协议，设计适合本系统运行的家居网络协议，并结合实验室现有的硬件设备资源，完成家电网络软件和硬件的调试，实现局域网内对家电的实时监控。本文从硬件和软件两方面来阐述家电组网监控方案，结构安排如下：第一章引出课题的研究背景，描述了其应用领域，并分析了本课题的技术核心嵌入式I n t e m e t 技术和电力线通信技术及其现状。第二章分析现有的智能家居总线技术，并进行对比。第三章详
3、细介绍本实现方案的硬件平台，采用技术成熟的串行通信方式进行家电与智能芯片之间的数据交互，为家庭网络功能扩展提供了无缝接口。第四章结合实验室现有的实验条件，参考计算机网络技术和现有的家居总线技术设计本系统的软件通信协议和家庭网络系统软件并加以实现。第五章论述家居监控软件实现通信过程以及举例说明设计步骤。关键字：智能家居；电力线通信；现场总线技术；嵌入式W e b S e r v e r：奎三些奎兰三兰堡圭兰竺墼三A b s t r a c tW i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya
4、 n dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o ns o c i e t ya n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,s m a r th o m et e c h n o l o g yg r o w sm o r em a t u r e B u tn o wi nt h es p r e a d i n gp r o c e s s，t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m si ns m
5、 a r th o m et e c h n o l o g y,s u c ha su n i t e di n t e r f a c ea n du n i t e dp r o t o c o l s D u et ot h e s ep r o b l e m sr e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n ta n ds p r e a d i n go fs m a r th o m en e t w o r kh e a v i l y,a f t e rs t u d y i n gs e v e r a lc r i t e r
6、 i aw h i c hm o s ti n f l u e n c eh o m en e t w o r ka n da l ec o m p e t i t i v em o s t，n e t w o r kr e f e r e n c em o d e lb a s e do nh o m ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sp r o d u c e d S t u d y i n ge x i s t i n g 位l db u st e c h n o l o g y,e m b e d d e dI n t e
7、r a c tt e c h n o l o g y,c o m p u t e rn e t w o r kt e c l m o l o g y,a n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y，c o m b i n i n gc o m p u t e rn e t w o r ks t r u c t u r eb a s e do nT C P I Pp r o t o c o la n db u ss t r u c t u r eb a s e do np o w e rl i n ec o m
8、m u n i c a t i o nb ys e r i e sp o r tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,t h eh a r d w a r es y s t e mo fh o m en e t w o r ki sc o n s t r u c t e d T h es y s t e mi sb r i e f,s o u n d，o fh i g hr e l i a b i l i t y,a n do fh i g hs t a b i l i t y I ti sa l s oc o n v e n i e n t
9、，e c o n o m i c a l，e a s yt ob ee x p a n d e di nf u n c t i o na n de a s yt ob es p r e a d e da n dd e v d o p e d S t u d y i n ge x i s t i n gh o m en e t w o r kp r o t o c o l s，d e s i g n i n ga d a p t a b l eh o m en e t w o r kp m t o c d sf o rt h es y s t e m,u s i n gh a r d w a r
10、 er e s o u r c e si nt h el a b o r a t o r y,d e b u gf o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fh o m en e t w o r ki sc o m p l e t e d,a n dr e a l t i m em o n i t o r i n go fh o m en e t w o r ki nt h eL A Ni si m p l e m e n t e d H o m en e t w o r kb u i l d i n ga n dm o n i t o r i n gp
11、 r o j e c ti se x p a t i a t e di ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e T h es t r u c t u r eo ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s：R e s e a r c hb a c k g r o u n di si n t r o d u c e d，a p p h c a f i o nf i e l di sd e p i c t e d，e m b e d d e dI n t e r n e tt e c h n o l o g ya n dp o w e rl
12、 i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,w h i c ha l et h ek e r n e lt e c h n o l o g y,a r ea n a l y z e di nc h a p t e r1；E x i s t i n gb u st e c h n o l o g i e so fs m a r th o m ea r ea n a l y z e da n dc o n t r a s t e di nc h a p t e r2；I nc h a p t e r3，t h eh a r d w a r
13、ep l a t f o r mo ft h ei m p l e m e n t a t i o np r o j e c ti si n t r o d u c e di nd e t a i l，d a mi n t e r a c t i o nb e t w e e nh o m ea p p l i a n c e sa n di n t e l f i g e n tc h i p sp r o v i d e sj o i n tl e s si n t e r f a c ef o rf u n c t i o ne x p a n d i n go fh o m en e
14、t w o r k，u s i n gs e r i e sp o r tc o m m u n i c a t i o n I nc h a p t e r4，t h es o f t w a r ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dn e t w o r ks y s t e ms o f t w a r ea r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d，u s i n ge x i s t i n ge x p e r i m e n tc o n d i t i o ni nt h
15、 el a b，r e f e r r i n gt oc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n de x i s t i n gh o m en e t w o r kb u st e c h n o l o g y T h ei m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o c e s si nh o m en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mi sd i s c u s s e da n das a m p
16、l ei sd i s p l a y e di nc h a p t e r5 K e y w o r d sS m a r tH o m e；P o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n；F i e l db u st e c h n o l o g y；E m b e d d e dW e b S e r v e r1 1 I1 1 课题背景第一章绪论1 1 1 家电上网研究的意义随着科技的进步，数字网络已经延伸到公司和家庭的各个方面。公司利用网络传输文件和数据。在家庭中家用电器智能化和家电上网等己成为计算杌技术和网络技术发展的又一竞争的新目标。在设
17、计家电网络时候通常要考虑到两个问题：一是家用网络的数据流量。家用网络使用一般包括：电子邮件、视频语音、文件传输、家电控制系统等。不同的应用有不同的数据类型、延迟和设备要求。例如：一个简单的家庭控制网络系统有灯的开关和空调温度控制等，它们的数据类型和延迟要求各不相同。高速的网络应该实现多台电脑的大容量数据传输如视频文件共享等。二是网络建造价值，网络的安装费用和维护费用也是主要的考虑问题，如果价格太高将没有市场。作为一项新的宽带接入方式，电力线上网目前已经普遍受到关注，这种上网方式具有以下特点：1 投资少由于电力线上网以电力线路为传输通道，因此电力线上网可以充分利用现有的配电网络基础设施，无需任何
18、布线，从而可以节省巨大的新增投资。2 连接方便现在2 2 0 V 低压电力线几乎已经接入每一个普通家庭中，因此家庭用户在需要宽带上网时，就可以利用电力线来轻松实现因特网接入，不需要重新添置其他设备，只需在事先安装好的万能插座上插入电源插头即可方便连接到因特网中。各种家用设备互联并实现I n t e m e t 的接入是未来家庭网络的发展趋势。而家电上网是家电在功能上的重大的扩展，并提高了家电的性能。从而更加方便地满足了人们对家庭自动化和信息化的要求，有效地提高了家庭生活质量。主要表现在两个方面：1 可实现家用电器的远距离控制。用户可以通过网络远距离控制自己家中的广东工业大学工学硕士学位论文电器
19、。2 可实现家用电器的远距离数据采集、诊断和监控。例如电力公司通过使用智能电表可以远距离采集电表数据，而不用到每家每户就可以查到各个家庭用电情况。智能信息家电可以提供以下的服务：安全防范；消费电子产品的智能控制；交互式智能控制；家庭信息服务；自动维护；家庭医疗保健等。家庭信息化是社会信息化的基本单元，家庭网络是信息化社会的重要标志。因此，家电上网的研究具有重要的意义。1 1 2 课题来源如何构建家电网络和使得家电网络接入I n t e m e t 网络?对于异构的各类家用电器或智能装置情况来说，它们无法象P C 机那样通过标准的硬件接口及软件接口直接接入I n t e r n e t 网络。另
20、外家用电器上网的安全性和可靠性问题也是非常重要的，这要求家电网络协议的可靠性必须高，一般使用具有“应答”功能的网络协议。为了解决网络运行成本，现在一般采用嵌入式家庭网关技术，家电接入I n t e m e t 的技术核心和难点就是嵌入式系统的I n t e r n e t 接入问题。在信息家电产品中使用嵌入式技术，使得信息家电具有很好的稳定性，并能够长时间无故障地运行，不需要专业维护。目前，智能家居系统已由开始时以P C 为控制中心，逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统领域。当前，在国内高校以及家电和计算机企业也致力于利用嵌入式I n t e m e t 技术实现家庭网络与I n t e
21、 m e t 的连接，哈工大、浙江大学、东北大学等都在进行嵌入式I n t e r n e t 技术的研发工作，大部分的研发部门都使用了嵌入式T C P I P 芯片为核心。利用现有的宽带网或者是无线、电话线等实现与I n t e m e t 的连接。而家电网络多采用双绞线实现信息家电的组网。另一方面，由于电力网是普遍存在的资源。国内外很多公司和科研机构致力于电力线上网的研究，但是电力线上网遇到了很多的问题和困难。然而，电力网作为家庭内部普遍存在的资源，有其存在的优势，若能实现以家庭电力网为家庭内部传输系统，建立家庭内的局域通信网，通过I n t e m e t 和公用电话网为家庭远程控制的接
22、入网，实现家庭网络与I n t e r n e t 的连接，无疑有着美好的前景，因为得到的是可靠的数据传输性能，而付出的是低廉的成本。综合考虑嵌入式单片机2第一章绪论的发展趋势和电力线的优势，本课题旨在充分利用现有的资源，以电力线为数据传输媒介，组建家电网络，通过嵌入式W e b S e r v e r 实现家电网络与I n t e r n e t 的连接。1 2 研究现状1 2 1 嵌入式I n t e r n e t 技术发展现状嵌入式I n t e r n e t 是近几年发展起来的一项新兴技术，是指设备通过嵌入式模块而非P C 系统直接接入I n t e m e t，以I n t e
23、r n e t 为介质实现信息交互，通常又称为非P C I n t e r n e t 接入。国外许多大公司如E m W a r e、M i c r o c h i p 和s 等联合成立了嵌入式I n t e r n e t 联盟来专门讨论和制定嵌入式I n t e r n e t 领域的标志和开发相关的技术。嵌入式系统的I n t e r n e t 接入耳前主要有以下几种方案 2 1：P C 网关+专用网；高档M P U 片上系统；3 2 6 4 位的嵌入式系统；8 1 6 位的嵌入式系统。各类家用电器接入网络只需要传送简单的命令或数据，并不需要复杂的功能，但实现成本要低。嵌入式T C P
24、 I P 的主要用途是进行远程监控。因此，以上的嵌入式I n t e r n e t 方案采用8 1 6 位嵌入式系统已经足够对家电进行监控。本系统采用U B I C O M 公司的S X 系列单片机系统来实现对网络家电进行监控【3 1。1 2 2 电力线通信技术发展现状电力线通信技术(P L C)主要是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式，即利用电力线载波通信技术来实现多媒体数据的网络化传输。但这种方式从传输媒质上来讲，与电话线上网并没有区别，都是利用金属导线作为传输媒质，不同的只是两者所适应的传输频率不同。1 2 _ 2 1 电力线上网的发展英国的N O R W E B 通信公司在
25、1 9 9 0 年就开始研究电力网技术，1 9 9 5 年，该公司又与加拿大北电网络联手，共同开发这项新技术。1 9 9 6 年9 月在C I G R E 大会期间向各国代表展示了样品，并提供了在曼彻斯特2 0 户的试验录像，传输速率达到1M b p s。1 9 9 8 年成功地完成了采用传统的输电线路进行互联网接入的试验【4 l。德国的R W E 集团从1 9 9 7 年开始与瑞士的A s c o m 公司合作开发P L C 技术。2 0 0 0 年5 月，开始进行2 0 0 户参与的现场试验。2 0 0 1 年3 月，R W E 公司和A s c o m3，“东工业大学工学硕士学位论文发起
26、一项名P o w e r N e t 的计划，两家公司将向大约2 万用户提供这种利用电源线路的互联网接入服务。2 0 0 1 年7 月还开展了R W EP o w e r N e t 计划、R W EP o w e r S c h o o l 和R W Ee H o m e 三项业务1 4】。韩国X e L i n e 公司成立于1 9 9 9 年5 月，主要业务是开发、制造和销售基于P L C 的产品和网络解决方案。在2 0 0 1 年3 月推出P L C 产品解决最后一公里接入和家庭网络应用的方案，在韩国汉城建立了与互联网相连接的示范点。该公司在德国、日本、美国、中国等地设立了P L C
27、试验点 4 J。美国辛辛那提天然气电力公司，计划通过该公司的电力网提供高速互联网接入服务。并已有众多的电力企业悄悄地进行相关试验，美国电线通信协会主席A l a nS h a r k 表示：“在发展这项技术上所有的企业都相当谨慎，但是我认为，这个市场将会大得惊人。”在美国联邦通信委员会(F e d e r a lC o m m u n i c a t i o n sC o m m i s s i o n，简称F C C)的推动下，在不久的将来，美国家庭尤其是广大的农村用户，可以通过电力线上网，并享受到更加廉价的网络电话服务。对于电力线通信技术十分积极的日本东京电力计划到2 0 0 5 年3 月
28、底，将在该公司的住宅内进行最高速度为2 0 0M b i t s 的电力线通信(P L C)实验，并希望2 0 0 5 年秋季开始提供电力线通信商用服务，以便利用电力线通信建立家庭内部网。在日本电力线上网试验可谓一波三折。2 0 0 2 年夏，日本总务省决定推迟对电力线通信做出实用化判断。理由是实验结果发现存在电磁波泄漏现象。一直到2 0 0 4 年1 月份日本总务省才在安装了减少电磁波泄漏的技术，并不对其他通信及周围设备造成负面影响的前提下批准进行实证实验。2 0 0 4 年8 月底，共获准在1 4 家服务商的2 8 种设备中进行实验，最后将根据试验数据重新讨论是否继续冻结电力线通信的实用化
29、 4】。我国福建省电力试验研究院研制成功“数字化输电线路技术”的核心产品一一电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率达到1 0 M。同时国电通信中心采用国内外电力线通信(P L C)组网设备，在北京某生活小区成功地进行了I n t e m e t 接入试验，并获得了较理想效果口】。1 2 2 2 电力线载波通信技术的现状电力线上网的主要技术就是电力线载波通信技术，在电力线载波通信方面，国内外多家公司推出了自己的电力线载波m o d e m 芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。对于国外电力线载波芯片主要有E c h e l o n 公司的P L T-2 2 和S G S-T H O M
30、S O N 公司的S T 7 5 3 6，由于这些芯4第一章绪论片针对工业控制网而设计的，价格太高，难以在民用市场领域大规模推广。S C l l 2 8芯片是针对我国民用电力网的特性设计的，比较适用于我国电网特性，我们使用S C l l 2 8 做为我们家电网关电力线通信接口。1 2 2 3 电力线上网市场现状技术上由于电力线通信技术在很多方面还不够成熟，电力网使用的大多是非屏蔽线，用它来传输数据不可避免地会形成电磁辐射，影响数据的保密性，同时会对其他无线通信，如公安部门或军事系统的通信造成干扰。家用网络标准上的不同，使得不同的家电网络不能兼容。另外电压不稳定是也是一个障碍。国电中心的负责人在
31、测试后表示主要是用电负荷高峰期影响稳定性，速率的波动比较大。也就是说，从现有的条件来说，每到晚上家庭用电高峰期，用电力线上网就比较慢一些。同时，国内该技术是通过单元楼来共享带宽，如果很多用户同时上网，传输速度相对就较慢，每个用户的联网速度就会受到较大的影响。其次是不成熟的商业模式极大地制约着电力线上网的发展。由于受到有关政策的限制，目前还没有相关业务的支持，在商业模式方面只是处于摸索阶段。最终用户的认可和接受，市场的培育以及与该技术相关的产业链等问题也必须重点考虑。1 2 2 4 现场总线发展现状现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循I S O 的O
32、 S l 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。现场总线控制系统则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场总线技术发展经历了四个阶段 6 1：1 模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。2 集中式数字控制系统集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效
33、率和可靠性将急剧下降。5广东工业大学工学硕士学位论文3 集散控制系统(D C S)集散控制系统(D C S)于八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理和分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场，实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。但不同的D C S 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的D C S 系统之间以及D C S 与上层I I l t r a n e t 和I n t
34、 c l e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统，且D C S 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。4 现场总线控制系统(F C S)F C S 正是顺应以上潮流而诞生，使用现场总线这一开放的，其有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，F C S 实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为2 1 世纪控制系统的主流产品。每一代新的控制系统推出都是针对老一
35、代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有4 0多种现场总线，如h l t e r b u s、B i t b u s、D e f i c e N e t、M O D b u s、A r c n e t、P-N e t、F I P、I S P 等，其中最具影响力的有5 种，分别是L o n W o r l【s、C E B u s、F F、P r o f i t b u s和C A N。1 3 课题研究内容和目标1 3 1 研究内容针对
36、目前信息家电上网的现状，我们提出充分利用实验室现有的资源和研究成果，通过S C l l 2 8 电力线通信芯片和S X 5 2 B D 网络单片机构建一个基于电力线6第一章绪论通信的家电内部网络和通过嵌入式W e b 服务器接入I n t e r n e t 的家电上网方案。通过设计家电网络通信模型和通信协议，实现对家电方便的、安全的和可靠的数据传输和对家电的远程监控的功能。本课题主要研究点如下：研究分析比较家庭网络系统模型、现场总线技术通信协议和特点，分析本实验硬件工作原理设计适合本实验方案的通讯协议。研究设计家电通信机制和通信过程，设计与实现智能家电监控系统。1 _ 3 2 研究目标根据现
37、有实验室的实验条件，本文从理论和实践上设立如下目标：理论上：研究智能家居网络总线结构和通信协议，设计构建智能化家居网络模型以及通信协议，实现家电透明组网，透明地实现家电互操作。实现上：以S X 5 2 B D 和S C l l 2 8 芯片为核心，分析实现家电网络的可行性，搭建基于电力线的家电网络硬件平台，设计智能家电网络协议系统，实现智能家电监控系统，通过串口和网页方式实现家电实时监控。7广东工业大学工学硕士学位论文第二章智能家居网络技术2 1 家庭网络标准化意义目前国内市场推出的智能家居产品大多基于公司自定义的某种标准，由于未经长时间的应用验证和业界的普遍认同，其技术有两个明显的缺陷：不同
38、公司的产品无法互联和互操作；产品不具备即插即用功能易用性差。智能家居要得以实现和普及的一个关键问题，是要在行业中形成一个家电制造商们共同遵守的智能家居通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商能按照标准将不同产品组成系统。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家纷纷结成企业联盟，推出他们的网络总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定总线国际标准中
39、的竞争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。这一热点问题涉及目前为什么会出现许多种现场总线并存，这其中除了技术上的竞争外，商业利益上的激烈竞争是其主要原因。经过多年的发展，目前较有影响的现场总线有L o n w o r k s、现场总线基金会(F i e l d b u s F o u n d a t i o n)、C E B u s 等等。对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商，因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线。在未来较长的一段时间内，现场总线标准之争会越演越烈。不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合，当然，从另一方面来讲，
40、相当一部分现场总线是大同小异的，技术上非常接近；在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。因而今后几年内很难说谁的标准能够统领现场总线，而应该说谁将成为主流现场总线技术。8篼章智能家居网络技术2 2 现代家居网络系统的问题虽然家居网络技术得到快速发展，但家庭网络的理想和现实之间现在依然存在着巨大的鸿沟，当N P D 公司在去年年初发表了“把网络带给家庭”的研究报告的时候，我们发现绝大多数拥有多台电脑的家庭已经至少使用了一种形式的家庭网络。但是研究结果也显示，在计划安装家庭网络的消费者中，有7 9 表示，他们将用它来完成诸如打印或者共享互联网连接的功能；只有4 0 的家庭计划用家庭网络来实现智能家
41、居功能，比如在另个房间的电视上显示出电脑里的数码照片。事实上，在那些还没有计划安装家庭网络的家庭中，7 0 以“不需要”作为理由”I。为了获得市场份额，制造商们经常一哄而上，利用他们自身的品牌渠道推广他们的大同小异的家庭网络产品。家庭网络同其他的网络一样，网络要正常运行，需要与其他网络互连，与其他网络互相通信，这些包括网络传输介质定义和通讯的协议。为了保证家用电器可连接到家庭网络上，必须具有与网络连接的硬件接口和通讯协议。这些接口和协议应该尽快标准化，以便推广和普及智能家庭的实旌。随着信息通信技术发展为家庭网络化、信息化提供了强有力的技术保障，家庭网络应用条件已经成熟，需求强烈。对于那些希望早
42、日在家庭范围内，实现信息、通信、娱乐、家用电器和照明等设备的互联和管理，提高学习、工作和娱乐的质量的人们来说，他们能够从家庭网络系统中享受到全新的生活体验。然而，要实现这一目标并不容易。家庭网络系统涉及到制造、运营和服务等方方面面，任何一个公司都无法独立完善地实施家庭网络系统，因此，“联盟”的意义至关重要。只有各个领域的优势企业联合，共同针对家庭网络系统进行研发，并营造合理的市场销售、服务模式，才能为消费者提供家庭网络系统的全面解决方案。抓住家庭网络发展趋势，通过联盟战略制订国家有自主知识产权的企业导向标准，是当前中国“电子信息和智能建筑”实现跨越式发展和崛起的历史机遇。所以，为了使得家居网络
43、能够进入普通用户家庭，我们必须解决以下问题。1 家居网络传输介质和接口标准化；2 家居网络管理软件和通信协议标准化。做为一个完整的网络系统还需要解决以下一些问题：安全性、可靠性、廉价性、可拓展性以及使用方便性等。9广东工业大学工学硕士学位论文2 3 现场总线技术现场总线(F i e l d b u s)是在8 0 年代末、9 0 年代初发展形成的，用于过程自动化、制造自动化和楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式的、新型的全分布控制系统。这项以智能传感、
44、控制、计算机和数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好和成本低的特点，具有一定的时间确定性和较高的实时性要求：还具有网络负载稳定，多数为短帧传送和信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同其他高速数据通信网。2 3 1 现场总线的技术特点1 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂
45、家的设备之间可进行互连并实现信息交换的系统。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2 可互操作性与互用性。这里的可互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。3 现场设备的智能化与功能自治性
46、。它将传感测量、补偿计算和工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。4 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功1 0第二章智能家居网络技术能，使得现场总线已构成种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有D C S 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。5 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足
47、本质安全防爆要求等。2-3 2 现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装到投入到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。1 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器和计算单元等，也不再需要D C S 系统的信号调理、转换和隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控P C 机作为操作站，从而节省了大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。2 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接
48、多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计和安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。3 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便在早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。4 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。
49、避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。5 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化和数字化，与广东工业大学工学硕士学位论文模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点 8 。现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的
50、国际标准。其中有较强实力和影响的有：L o n W o r k s、C E B u s、C A N、F o u d a t i o n F i e l d b u s(F F)等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本章将在简要描述目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状、技术特点、网络结构和体系结构等关键技术并对这几种现场总线进行分析与比较。2 4 几种重要的现场总线2 4 1L o n w o r k s 总线L o n W o r k s(L o c a lO p e r a t i n gN e t w o r k s)是美国E c h e l o n 公司1 9