| 家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的控制總線 |
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家庭自動(dòng)化系統(tǒng)作為建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，近些年來發(fā)展很快。家庭自動(dòng)化系統(tǒng)是在一個(gè)家庭內(nèi)部建立一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)，為家庭信息提供必要的通路，在家庭網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的控制下，通過相應(yīng)的硬件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有家庭網(wǎng)絡(luò)上的家電和設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)的目的。目前在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中一般采用的總線控制技術(shù)主要有LonWorks、CEBus、X-10和ApBus等幾種。本文將詳細(xì)地討論一下這幾種總線在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和不足。
一、X-10控制總線
X-10控制總線1978年誕生于美國，至今已有25年的歷史，目前仍是美國家庭自動(dòng)化的主導(dǎo)系統(tǒng)。X－10控制總線直接利用住宅電力線作為控制總線,通過電力線將各控制器與各功能接口器相連并實(shí)現(xiàn)程序控制。
X-10控制總線使用國際通用的智能家居電力載波協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電力線互相通話，無需布線，安裝便捷。將發(fā)射控制器插到一個(gè)房間的插座上，按動(dòng)按鍵發(fā)出控制信號(hào)（開、關(guān)、變暗、變亮等），信號(hào)通過原有的電線傳播，其它房間的接收開關(guān)就可以接收指令并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。
電力線將電能傳到家中的各個(gè)房間，同時(shí)也將家中所有的電燈、電器連成了網(wǎng)絡(luò)。用電力線做載體傳輸控制信號(hào)，最多可有256個(gè)不同的地址，如果需要多個(gè)器件響應(yīng)一個(gè)信號(hào)，只需將它們?cè)O(shè)為同一個(gè)地址。
X-10控制總線經(jīng)過這么多年的發(fā)展和完善，在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下一些優(yōu)勢(shì)：
（1）技術(shù)成熟，它是應(yīng)用時(shí)間最長的一種家庭自動(dòng)化總線；
（2）安裝X-10控制總線系統(tǒng)無須考慮布線，因此省去了大量的布線費(fèi)用，并且縮短了工期；
（3）非常高的性價(jià)比，中產(chǎn)階級(jí)以上的家庭都能夠接受；
（4）X-10控制系統(tǒng)中的產(chǎn)品種類眾多，觸及到生活的方方面面，從家用照明、電器到安全防范，從無線遙控到電話遠(yuǎn)程以及電腦控制，無所不包；
（5）使用簡單而且控制方式靈活多變，得心應(yīng)手、老少皆宜；
（6）系統(tǒng)沒有主機(jī)，沒有中心總控制臺(tái)，組建系統(tǒng)就像搭積木，可以按照用戶的需要量體裁衣選配產(chǎn)品；
（7）可以不斷擴(kuò)展升級(jí)，可以讓用戶分階段地將系統(tǒng)的功能完善，不斷提升生活的檔次，而不用擔(dān)心一次性投入過大；
（8）兼容性也是不得不考慮的問題，因?yàn)槊總�(gè)建筑都有現(xiàn)有的系統(tǒng)，X10與其他任何系統(tǒng)都沒有沖突，互不影響；在一個(gè)家庭也可以與其它系統(tǒng)并存。
X-10控制總線在我國主要應(yīng)用在電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信和調(diào)度控制領(lǐng)域，在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的例子并不多見，究其原因可能是產(chǎn)品不太適合國內(nèi)使用。X-10產(chǎn)品在美國主要是用在舊房子的改造上，而國內(nèi)則一般是在買新房子或在舊房子裝修時(shí)才會(huì)考慮這個(gè)問題。如果房子是入墻式裝修，要外加X-10功能模塊在開關(guān)插頭之上，多少會(huì)覺得不太協(xié)調(diào)。另外人們采用新技術(shù)時(shí)，往往又對(duì)新技術(shù)期望過高，X-10的一些技術(shù)限制成為人們批評(píng)的藉口。例如反應(yīng)速度慢（在60HZ供電系統(tǒng)中，傳送一個(gè)指令需時(shí)0.883秒），抗干擾性能差（這是由于信號(hào)載波在電力線中傳送造成的）等，這都給X-10在我國的推廣應(yīng)用帶來實(shí)質(zhì)性的困難。
二、CEBus
為了解決X-10技術(shù)上的不足，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)于1984年4月開始組織開發(fā)新的家居網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，于1992年正式推出，命名為CEBus (Consumer Electronic Bus)，并定為IS-60/EIA-600標(biāo)準(zhǔn)。參與研究開發(fā)CEBus的公司多達(dá)幾百家，像Microsoft、IBM、Compaq Computer Corp、AT&T、Bell Labs、Honeywell、Panasonic、Sony、Thomson Consumer Electronics、Leviton、Pacific Gas & Electric等都是它的會(huì)員。CEBus是一個(gè)較完整的開放系統(tǒng)，它定義了在幾乎所有傳送媒體（Medium）中信號(hào)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并要求控制信號(hào)在所有的媒體中都要以相同的傳送速度（10KBPS）傳送，從而有效地避免信號(hào)傳輸中可能出現(xiàn)的“瓶頸”問題。
CEBus采用了簡化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。CEBus是一個(gè)完全面向報(bào)文分組（packet）的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測(cè)與沖突分辨協(xié)議（CSMA/CDCR）。
CEBus在應(yīng)用層定義了一種面向?qū)ο蟮�、�?yán)格的設(shè)備描述語言CAL（Common Application Language EIA721），簡稱公共應(yīng)用語言，其內(nèi)容涵蓋了家庭中可能擁有的家電。公共應(yīng)用語言采用了面向?qū)ο蟮姆椒�，把任意一個(gè)家電設(shè)備按照功能分解成幾個(gè)預(yù)定義的對(duì)象模型。在面向?qū)ο蟮木幊陶Z言中，一個(gè)對(duì)象由數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)的函數(shù)組成。在消費(fèi)總線中，這些對(duì)象也由數(shù)據(jù)（稱為實(shí)例變量）和操作（稱為方法）組成，不同的設(shè)備可以采用相同的對(duì)象，用相同的方法操作，但是控制結(jié)果隨設(shè)備的不同而有不同的意義。
CAL用一種層次關(guān)系描述設(shè)備的功能。一個(gè)設(shè)備可以分成幾個(gè)上下文，它們代表了這個(gè)設(shè)備按照功能分的子系統(tǒng)。上下文又被分為幾個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象代表了上下文中的一種控制功能，對(duì)象分為若干類，每一類代表一種共有的功能。CAL預(yù)定義了27個(gè)對(duì)象模型。例如，類號(hào)為07的對(duì)象是模擬控制對(duì)象（Analog Control Object），它可以用來代表音量控制、溫度調(diào)節(jié)或調(diào)光器。一個(gè)對(duì)象的具體功能完全由他所屬的上下文決定。每個(gè)對(duì)象包含一定數(shù)量的實(shí)例變量。每個(gè)對(duì)象都能夠解釋執(zhí)行方法，更新實(shí)例變量，并完成實(shí)際操作。
任何符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的電器產(chǎn)品都可以直接互連及通信，其尋址能力超過40億，足可以與互聯(lián)網(wǎng)相比美。CEBus的抗干擾能力比X-10強(qiáng)，控制功能也十分豐富，成為X-10的“最大挑戰(zhàn)者”。但由于CEBus接口技術(shù)比較復(fù)雜，價(jià)錢也非常昂貴，因此使用CEBus產(chǎn)品的用戶相對(duì)較少，CEBus在中國的應(yīng)用也不多見。
三、LonWorks控制總線
LonWorks是由美國Echelon公司耗巨資，于1990年12月開發(fā)成功的全分布式智能控制總線。LonWorks總線徹底打破了舊的封閉的控制模式，把系統(tǒng)中的一次元件，如傳感器、執(zhí)行元件、斷路器等，通過基于LonTalk協(xié)議采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式把控制單元連接成開放的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。Lonworks總線的核心技術(shù)是神經(jīng)元芯片和LonTalk協(xié)議。
神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)是一種高度集成的電路，內(nèi)部包含三個(gè)8位的CPU。第一個(gè)CPU為介質(zhì)訪問處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一、二層；第二個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的處理、尋址、事務(wù)處理、證實(shí)、背景診斷、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和函數(shù)路徑選擇等；第三個(gè)CPU為應(yīng)用處理器，它執(zhí)行由用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。神經(jīng)元芯片可以通過5個(gè)通信管腳與網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)交換信息，也可以通過11個(gè)應(yīng)用管腳與現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器交換信息。11個(gè)應(yīng)用管腳具有34種應(yīng)用操作模式，可以在不同的配置下為外部提供靈活的接口和芯片內(nèi)部的計(jì)時(shí)器應(yīng)用。
LonTalk協(xié)議遵循ISO定義的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，并提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務(wù)。LonTalk協(xié)議支持包括雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖在內(nèi)的多種傳輸介質(zhì)，可以運(yùn)行在任何主處理器上。LonTalk協(xié)議使用網(wǎng)絡(luò)變量與其它節(jié)點(diǎn)通信，簡化了復(fù)雜的分布式應(yīng)用的編程，大大降低了開發(fā)人員的工作量。LonTalk協(xié)議支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結(jié)構(gòu)類型，極大地方便了控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。
LonWorks總線的主要的優(yōu)點(diǎn)是：支持完全分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；支持多種傳輸介質(zhì)；LonWorks 總線通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過Internet 與遠(yuǎn)程的節(jié)點(diǎn)共享；它可在任何操作系統(tǒng)平臺(tái)上，如DOS、Windows 、UNIX等進(jìn)行操作。
在應(yīng)用上，LonWorks也取得比較好的成績，特別在信息采集和控制方面已成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1997年7日Echelon允許在牌照管制的條件下將LonWorks通信協(xié)議用于其它CPU上，并委托Adept Systems, Inc.在Motorola的32位微處理器68360上開發(fā)相關(guān)軟件。同年8月LonWorks被EIA的集成家庭系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)(Integrated Home Systems Technical Committee)定為家庭網(wǎng)絡(luò)（Home Networking）的標(biāo)準(zhǔn)，編號(hào)為EIA/IS-709。
盡管LonWorks是EIA定義的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，而在中國則主要用于樓宇自控和電氣自動(dòng)化等方面，在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用則要遜色一些。主要原因恐怕是價(jià)錢還未能被普通家庭所接受。LonWorks最大的優(yōu)點(diǎn)是開放性、分散性和互換性，一個(gè)具有LonMark標(biāo)志的節(jié)點(diǎn)（Node）可以互操作（Interoperability）也可以互替換，但這是有條件的，要達(dá)到這個(gè)目的，必須盡量把產(chǎn)品細(xì)分，增加控制器變量的種類，簡化及固定操作流程等，這又不可避免地增加控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從而增加了系統(tǒng)的成本。在家庭自動(dòng)化中最基本的操作應(yīng)該是電器的開關(guān)控制，而最方便可行的方法是使用可控插座，例如美國的Leviton便生產(chǎn)一款有LonMark標(biāo)志的插座，包含有三個(gè)8位微處理器（Neuron芯片）或一個(gè)32位微處理器（Motorola 68360），價(jià)格比較昂貴，很難在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。
四、ApBus總線
ApBus總線是香港永泰鋒國際有限公司在1999年推出的代表家居智能化未來發(fā)展方向的新一代家庭總線。它在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EIB總線及LonWorks總線技術(shù)上作了創(chuàng)造性的改進(jìn)，其防通信沖撞協(xié)議很好地解決了總線上各節(jié)點(diǎn)收發(fā)指令的沖撞問題，大大提高了系統(tǒng)的通信效率與穩(wěn)定性。
ApBus總線是一種分布式家庭網(wǎng)絡(luò)總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，特別是智能家庭網(wǎng)絡(luò)或智能住宅小區(qū)網(wǎng)絡(luò)方面，也可以應(yīng)用于大廈、賓館、學(xué)校和市政工程方面。
ApBus采用最簡單的雙絞線為通訊媒體，結(jié)合最先進(jìn)的電源/信號(hào)混合輸送技術(shù)和無極性通訊技術(shù)，使得所有根據(jù)ApBus技術(shù)制造，與ApBus兼容的產(chǎn)品/模塊都可以實(shí)現(xiàn)無極性、無拓?fù)溥壿嬒拗频木W(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。ApBus獨(dú)有的多節(jié)點(diǎn)無沖撞隨機(jī)數(shù)據(jù)訪問方式，更使ApBus具備與眾不同的高效率和可靠性。
典型的ApBus采用雙絞線總線結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（Node）可以從總線上獲取供電（24V/DC），亦通過同一總線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無極性（Polarity Insensitive）、無拓?fù)溥壿嬒拗频幕ミB（Free Topology Wiring）和通信，ApBus的信號(hào)編碼方式與LonWorks相似（Manchester-Like），信號(hào)傳輸速率和系統(tǒng)容量則與CEBus一樣，分別為10KBPS和4G。
ApBus總線技術(shù)的最大特點(diǎn)是高可靠性和低成本，具有歐美產(chǎn)品無可比擬的優(yōu)勢(shì)，非常適合亞洲地區(qū)使用。目前ApBus技術(shù)已在美國、澳洲、新加坡、馬來西亞、臺(tái)灣和中國申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專利。ApBus將會(huì)成為家庭自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用的主流。
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| 出處：常州建設(shè)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 王建玉 作者：網(wǎng)絡(luò)文摘 |
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