中北大学总线应用调研报告Word格式.docx

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随着智能家居的不断发展，已经有一些较为成熟并广泛应用的智能家居总线技术，如RS-485、X10、LonWorks、CAN等。

本调研主要阐述以上所诉的智能家居的4种主流总线技术应用现状，并介绍其原理和特点，最后分析未来智能家居总线技术的发展趋势。

关键词：

智能家居；

总线技术；

设备

Abstract

Smarthomeisaresidentialplatform,theuseofintegratedwiringtechnology,bustechnology,networkcommunications,securitytechnology,automaticcontroltechnology,audioandvideotechnologywillbehomelife-relatedequipment（suchasaudioandvideoequipment,lightingsystems,curtaincontrol,Remotecontrol,indoorandoutdoorremotecontrol,burglaralarm,environmentalmonitoring,HVACcontrol,infrared（IR）,infraredremotecontrol,infraredremotecontrol,securitycontrolsystem,digitalcinemasystem,AVserver,videocabinetsystem,networkappliance,etc.Forwardandprogrammabletimingcontrolandotherfunctionsandmeanstobuildefficientresidentialfacilitiesandhouseholdschedulemanagementsystemtoenhancethehomesecurity,convenience,comfort,artistic,andtoachieveenvironmentalprotectionandenergysavinglivingenvironment.Smarthomeproject,thebussystemprogramrelativetothewirelesssystemprogramhasbeenitsstability,reliabilityandscalabilityadvantagesofsmarthomeintegratorshavebeenrespected.Thefamilyofvariousinformation-relatedcommunicationsequipment,householdappliancesandhomesecuritydevices,throughthebustechnologytoconnecttoafamilyofintelligentsystemsforcentralizedorremotemonitoring,controlandfamilyaffairsmanagement,andtomaintainthesefamilyfacilitiesandresidentialEnvironmentHarmonyandCoordination.Bustechnologyisthebasicunitofintelligenthome,butalsothecoreofintelligenthome.Withthecontinuousdevelopmentofintelligenthome,therearealreadysomeofthemorematureandwidelyusedsmarthomebustechnology,suchasRS-485,X10,LonWorks,CANandsoon.

Thisresearchfocusesonthe4maintypesofthesmarthometechnologyapplicationstatus,andintroducesitsprincipleandcharacteristics,andfinallyanalyzesthefuturedevelopmenttrendofsmarthomebustechnology.

KeyWords：

Smarthome;

Bustechnology;

equipment

第1章总线应用概述

智能家居在国内市场经过十数年的发展，通过在技术上的不断探讨和研究，各项技术与集成衔接已逐渐趋于成熟。

总线技术的主要特点是所有设备通信与控制都基于一条总线，是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。

市场上比较有影响力的总线技术包括RS-485、X10、LonWorks、CAN等[1]。

1.1RS-485总线

RS-485是一种非常常见的总线。

在通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。

它采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

市场上RS-485一般采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。

因此，发送电路须由使能信号加以控制。

RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

在早期的智能家居产品中经常能看到其应用，目前已经较少使用。

但大部分的智能家居产品都会留有对RS-485的接口，以便于设备的兼容。

RS-485总线相较于现在其他的总线，在通信效率，抗干扰能力等诸多方面都存在着不足。

但其总线协议简单，且已经得到广泛应用，得到了大多数厂商的支持，所以仍有其存在的价值。

以下予以简单介绍一种基于RS-485总线的智能家居系统。

1.1.1系统构成

本系统采用RS-485总线的主从网络。

嵌入式ARM开发板为总线主设备,以轮询方式检查各接入模块的传感器状态信息,任何时候仅存在一对主从之间的通信。

传感器接入模块为总线的从设备,包括单片机控制器、接入检测电路和信号调理电路。

其中接入检测电路负责完成传感器接入和移除的检测。

它的输出和单片机的一个引脚相连,通过引脚高低电压跳变指示传感器状态的改变,展示了传感器从接入子网系统正常工作到被用户移除的一个完整生命周期。

信号调理电路实现了传感器输出电信号与后端电路隔离,并将其线性地转化为标准单片机输入信号。

该系统采用SN75176将单片机串行口转换为RS-485,并通过RS-232/RS-485单串口转换器实现和嵌入式开发板的串口通信[2]。

系统结构如图1所示。

图1　系统结构图

1.1.1.1数据传输速度

数据的传输速度受到串口速度的限制，必须提高串口波特率。

根据系统特点，在使用串口传输方式3时，波特率可变，可以根据传输效果实时改变。

表1所示是采用不同波特率时一帧（一帧按9.6KB计算）图片的传输时间[3]。

表1-1不同波特率时一帧传输时间

波特率/（b/s）

晶振频率/MHz

传输时间/s

62500

11.0592

1.23

19200

4.00

9600

8.00

1.1.2通信机制

系统采用了RS-485总线通信方式，如图2所示。

通信中采用“轮询制”，中继器作为主设备不断向下发送设备请求应答帧，而接人从设备不能主动发送数据。

任何时刻，总线只处于一种方式，即接收数据或发送数据。

系统初始化一旦完成，总线即被置为接收状态，当从设备接收完主设备发来的消息后，立即通过软件将总线置为发送状态，等从设备发送完一帧数据又立即转为接收状态，等待主设备的请求帧。

如果发来的请求帧中，设备ID地址和自身ID地址一致，接收设备就检查这个帧是否正确。

图2RS-485多机通信

1.2X10总线

X10是一种国际通用的智能家居电力载波协议。

该协议支持通过电力线相互通信，无需重新布线，被控制的电器可多达256路。

在智能家居20余年的发展过程中，X10是最引人注目的。

X10是全球第一个利用电力线载波来控制灯饰及电子电器产品，并将其商业化的成功模式，皮可电子公司（PicoElectronicsLcd.）成功地研发出该项技术。

X10是以60Hz（或50Hz）为载波，以120Hz的脉冲为调变波而研发出的数位控制技术，并制订出一套控制规格。

X10总线协议已成为如今美国智能家居产品的主要领导者，在欧美，日本，新加坡，韩国等国也有广泛的应用。

其最大的优势是用电力线来进行通信，不需要另外布线，安装方便，使用简单，价格便宜。

但其缺点是传输速度较慢，且抗干扰能力较弱，对电网的稳定性要求相对较高[4]。

1.2.1技术简介

X10是一种国际通用的智能家居电力载波协议（即一种通讯“语言”），用这种“语言”的兼容产品可以通过电力线相互“说话”，无需重新布线，被控制的电器可多达256路。

通俗地说，它是一种通过普通电力线来转输控制信号从而实现对家里所有灯和电器的智能管理和控制的技术，低廉的价格、上千种的产品以及简单的设置方式可以使您迅速进入智能家居时代。

1.2.2X10协议

X10协议是由英国PICOElectronics公司的工程师在20世纪70年代后期开发并获得专利的,X10系统由三部分组成,即发射器、接收器和系统保障设备。

发射器通过电力线发射控制信号给接收器,由接收器对被控器件进行远程控制。

X10信号根据电力线信号正负过零点处120kHz脉冲信号出现与否来进行传输。

利用该电力线网络做载体传输控制信号,将120kHz的编码信号加载到60Hz（我国是50Hz）的电力线上,有载波信号表示数据"

1"

无载波信号表示数据"

0"

（在正弦波的0相位处有120kHz脉冲群,并且紧随其后的π相位处无脉冲群则表示"

信号,如果在正弦波的0相位处没有脉冲群,并且紧随其后的π相位处有脉冲群则表示"

信号）,如图3所示。

图3载波信号示意图

1.3LonWorks总线

LonWorks是美国Echelon公司推出的现场总线技术，该总线可为智能控制系统提供一套完整的解决方案，其核心技术是LonTalk协议和神经元芯片。

其中，神经元芯片都内嵌有LonTalk协议的固件，同时神经元芯片还具有通信和控制功能，可提供34种常见的I/O控制对象。

LonWorks网络采用分布式结构，实现网络上节点相互通信[5]。

LonWorks作为一种开放、互操作、全数字的现场总线技术，以实时性好、灵活性好、可靠性高等特点，赢得了相关领域的生产商、研究机构和用户的青睐．得到了极为广泛的应用[6]。

LonWorks产品中的的电力线收发器不需要另外布线，可使各种设备组成智能网络进行数据测控与通信，而且组网维护十分方便。

1.4CAN总线

CAN总线起初是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能高可靠性、实时性等优点现也已广泛应用于智能家居系统中。

CAN总线协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块。

这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN总线协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，已越来越受到各界的重视，并已公认为最有前途的总线之一。

1.4.1CAN总线技术特点

同其它总线相比，CAN总线具有高可靠性、灵活性和实时性，总结其技术特点如下[7].

（1）CAN总线从本质上讲是一种多主通信，或称之为对等网络。

CAN通信方式灵活，网络上所有节点都能主动发送报文，没有所谓主从之分。

（2）废除了传统的基于地址的编码，报文不是根据地址从一个节点发送到另一个节点，而是根据通信数据进行编码，支持点到点和组播报文。

（3）采用短帧结构，报文一帧数据域最多八个字节，传输时间短，降低了总线受干扰的概率。

（4）检错机制健全，检错效果极好。

CAN报文的每帧信息都带有CRC及其它检错机制，如位错误和位填充错误检测、报文格式及应答错误检错等，发生严重错误的节点

（5）通信媒介选择灵活，可为双绞线、同轴电缆或光纤等。

（6）最高传输速率达1Mbit/s，在总线速率为1000Kbit/s时传输距离可达1Okm.

（7）CAN总线网络节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符标准格式可达2032个，扩展格式的个数几乎不受限制。

（8）当有多点访问冲突时，采用非破坏性逐位仲裁机制。

当多个节点同时请求信息发送时，总线自动按照节点报文标识符进行优先级判定，低优先级的报文自动退出发送继而转入接收状态，高优先级的报文继续发送。

这大大节省了总线冲突仲裁时间，即使网络负载很重，也不会导致总线瘫痪。

1.4.2CAN总线分层结构

CAN的ISO/OSI参考模型的分层结构如图4所示。

CAN协议的结构划分为两层:

物理层和数据链路层。

图4CAN的ISO/OSI参考模型的分层结构

1.4.2.1物理层

物理层定义信号是怎样进行传输的，主要又细分为三层:

物理信号子层PLS:

实现位编码/解码、定时和同步等功能。

CAN位流根据“不归零”NRZ方式来编码;

物理介质连接PMA:

实现总线发送/接收的功能电路并提供总线故障检测方法;

介质相关接口MDI:

实现物理介质与媒体访问单元之间的机械和电气接口[8]。

1.4.2.2数据链路层

数据链路层由逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）组成。

（1）逻辑链路控制子层（LLC,LogicalLinkControl）:

功能包括验收滤波、过载通知、恢复管理;

为数据的传输或者是远程请求提供服务，确认报文己被LLC子层接收并处理;

并为超载和错误恢复管理提供信息、。

在定义目标处理时一，存在许多灵活性[9]。

（2）介质访问控制子层（MAC，MediumAccessControl）:

如图5所示，介质访问控制子层功能主要是制定传送规则，即执行仲裁、控制帧结构、错误检测、出错标定和故障鉴定。

MAC层还要确定是否马上开始接收、是否为新的发送开放总线等，MAC子层不存在修改的灵活性。

MAC子层有“故障界定”的逻辑电路，此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来[10]。

图5MAC子层功能

1.4.3CAN报文帧结构

在CAN总线系统中，报文是以四种不同格式的帧结构和一个帧间间隔在节点间进行传输的，它们分别是数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间间隔。

其中数据帧又分两种格式:

标准格式和扩展格式。

标准格式的数据帧有11位标识符，而扩展格式数据帧标识符为29位。

帧的种类用途如表2所示。

表2CAN报文帧的种类及用途

帧类型

帧用途

数据帧

用于发送节点向接收节点传送数据的帧

远程帧

用于接收节点向具有相同的发送节点请求数据的帧

错误帧

用于当检测出错误的节点向其它节点通知错误的帧

过载帧

由接收节点发送通知总线其还未做好接收准备的帧

帧间隔

分离将数据帧或远程帧与前面巾贞间隔的帧

1.4.4CAN组网

典型的网络如图6所示。

图6典型CAN网络

第2章特色及比较

以下简单介绍基于以上4种总线的系统特色并对RS-485和CAN做一些比较。

2.1RS-485

从智能照明发展的轨迹看，最早的产品一般采用的RS485的技术，这是一种串行的通讯标准，因为只是规定的物理层的电气连接规范，每家公司自行定义产品的通讯协议，所以RS485的产品很多，但相互都不能直接通讯。

RS485一般需要一个主接点，通讯的方式采用轮询方式，模块之间采用“手拉手”的接线方式，因此存在着通讯速率不高（一般9.6Kbps），模块的数量有限等问题。

2.2X10

1）无需布线，轻松升级：

无需重新布线，无论新装修户还是已装修户都只需轻松替换普通开关或暗藏微型小模块,就能实现家庭智能化控制。

2）技术成熟，应用广泛：

X10技术已有20多年的历史，现已成为欧美家庭自动化控制系统的主流技术之一。

3）大众消费，超值享受：

兼备布线类产品的功能，无线类产品的方便，无以伦比的价格性能比。

4）品种齐全，功能实用：

X10协议的兼容产品，将近几千种，充分满足不同消费层次和不同功能需求。

5）使用简单，控制灵活：

多种控制方式，轻松实现一对多和多对一的智能组合控制。

6）按需选配，随时升级：

个性化按需选配，可分阶段逐步实现家庭智能化。

7）兼容性好，互不冲突：

它与家庭内现有各种系统兼容性好，互不冲突。

2.3LonWorks

LonWorks总线技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron神经元的芯片中，并得以实现。

在智能家居领域，其最大的特点就是不像别的智能家居总线系统，必须有一个类似大脑的主机。

LonWorks总线技术不需要主机，它采用的是神经元网络。

每个节点都是一个神经元，这些神经元连接到一起的时候就能协同工作，并不需要另外一个大脑来控制。

所以安全性和稳定性较其他总线大大提高。

LonWorks的实时性、处理大量数据的能力有些欠缺；

其次，由于LonWorks依赖于Echelon公司的Neuron芯片，所以它的完全开放性也受到一些质疑。

2.4CAN

CAN总线协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性，CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，已越来越受到各界的重视，并已公认为最有前途的总线之一。

CAN总线与485具有相同的缺陷，不能连接树状总线，信号线要像有线电视一样连接，它常常作为大系统的分支连线。

2.5RS-485和CAN一些比较

表3RS-485和CAN的比较

特性

RS-485

CAN

单点成本

低廉

稍高

系统成本

高

较低

总线利用率

低

网络特性

单主网络

多主网络

数据传输率

容错机制

无

可靠的错误处理和检错机制

通讯失败率

极低

节点错误的影响

导致整个网络的瘫痪

无任何影响

通讯距离

<

1.5km

可达10km（5kbps）

网络调试

困难

非常容易

开发难度

标准Modbus协议

标准CAN-bus协议

后期维护成本

第3章发展趋势

从上面介绍的总线技术本身来分析，总线技术需具有如下特点：

现场控制设备具有通信功能，便于构成底层控制网络；

通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性；

功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性；

控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

目前，国内专业智能家居厂家的数量正在迅速增长。

智能家居市场在未来的三五年内会高速增长，新技术、新产品也会不断出现并投入应用。

就目前的发展趋势分析，预计今后两年内全世界有将近1亿的家庭将构建智能家居。

如此庞大的市场，给我们带来了机遇和挑战。

分析总线技术未来的发展趋势，其中可以肯定的一点就是，寻求统一的总线技术国际标准，将是总线技术或智能家居产业的主要任务。

现阶段各种总线技术并存，各大厂商拥有其各自的标准，这极不利于智能家居产业的大面积推广。

其实自1999年开始，我国政府部门就已密切注意到这个动向和趋势，国家信息产业部、国家科委、建设部等部委组织有关专家论证和规划在我国如何发展智能家居和住宅小区的计划，开始着手研究和制定有关我国家庭智能化的标准。

参考文献

[1]太川科技.智能家居总线系统科普

2016-11-3

[2]陶莉;

黄佩伟;

温细金.系统集成与应用.基于RS-485总线的智能家居系统[J]自动化仪表2007年11期：

13-16

[3]小庄.基于RS-485总线的智能家居网络系统http:

//suo.im/99hbk2016-11-4

[4]赵瑞芬.科技视界.智能家居总线技术的概述[J]2011年9月第25期：

20-24

[5]高安帮.LonWorks技术开发和应用[M].北京：

机械工业出版社，2009.69-73

[6]徐建俊；

杨帅；

薛岚，等.基于神经元芯片MCl43150和单片机AT89S51的LON节点研究与设计[J].电测与仪表，2007，44（7）：

57-60.

[7]来清明.手把手教你学CAN总线「M].北京:

北京航空航天大学出版社_2010.9.35-36

[8]王明秋.智能家居控制系统的设计与实现研究[D].武汉:

华中师范大学，2006.

[9]PingRan,BaoqiangWang,WeiWang.ThedesignofcommunicationconvertorbasedonCANbus[J].