智能家居网络通信系统的研究

第1章 绪论

1.1 课题意义

随着电子信息技术的飞速发展，从广播、彩色电视、电话到计算机、互联网乃至智能化电视，每个新事物的涌现，都给人类的平时的普通生活带来了安逸和便利。安逸的栖身环境一直是人类找寻的方向。网络化和智能化的家庭已成为21世纪家庭发展的新趋势。假如能够通过互联网，在网络上了解到家里的情况，并且随心所欲的掌控它们，比如屋子里温度是不是适中，是不是必须开启温度调节器，那么就能够在下班前为您准备好了。等到你回到家里时，经过自动智能门禁系统进到屋子里，屋子里面的电灯自动根据你之前的设定开启；同时，录像机已经按照你的设定自动将电视台白天播放的节目录制下来等你观看。这是一个何等理想的景象。这些设想的达成根本就离不开智能家居网络。

智能家居能够定义为一个进程或者一个体系。使用最新的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、把与家居生活相关的种种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家庭生活更加安逸、安乐、高效。和一般的家居相比，智能家居不但具有固有的居住功能，更提供安逸平安、高档次且宜人的家庭生活空间；还由本来的被迫稳定结构转变为拥有能动有智慧的东西，拥有全方位的消息互换功能，辅助家庭与外部保持信息交换通顺，不断优化人们的生活方式，并帮助人们高效的安排时段，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。总而言之，智能家居是以住所为基础，兼备建筑、网络通讯、信息家电、电器自动化，集体系、布局、服务、治理为一体的高效、安逸、安全、方便、环保的栖身环境。

随着Internet、自动控制技术和便携式计算机的更新变化，智能家居开始有了不少新的发展方向：由以往的简单对家庭电器进行互联发展为家庭电器的长途掌控；由往日的家居里面的安全掌控发展到家居长途及时监控；由从前的智能家庭网络功能以掌控为主发展到以多媒体、文娱应用为主。由于中国加入世界贸易组织，国内涌进了一系列的国外的先进技术和理念。因此无论对于中国家电行业的振兴还是对于中国信息产业的发展，研究智能家庭网络都是十分具有战略意义和商业意义的。

1.2 智能家居的发展现状

在发达国家，如美国、韩国、德国等这些电子产品比较先进的国家，智能家居被应用的十分普遍，各个国家先后提出各种适合民情的智能家居的方案，而且非常受欢迎。跟随

着无线网络的普及，无线的智能家居产品也开始占有市场的主导地位，随着行业的不断发展，智能控制的对象越来越多，控制的要求也变的多种多样，从以往的控制光线明暗、电器远程控制、控制窗帘的自动闭合扩展到家居安全、屋子里的音乐、能看到人的对讲系统、智能的门禁系统等等。

在国内，智能家居固然起步比较晚，然而成长的速度十分之快，生产厂家多，多种多样的产品，但是没有一个统一的准则。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：

2.1 X-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。

2.2 CEBus

1、 CEBus 的定义

CEBus（Consumer Electronic Bus）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 2-1 CEBus 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。

2.3 EIB

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。

2.4 LonWorks

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Put IN/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 0.1k Baud。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 2-2 ISO/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 与Internet连接 支持开发语言 是否需要加协议转换器 X-10 CEBus EIB Lonworks 工业以太网 电力载波协议 CAL 汇编语言 Neuronc语言 C、Java等多种语言 需要 需要 需要 需要 不需要 350Kbps 10Kbps 9.6Kbps 78Kbps 10Mbps、100Mbps、甚至更快 差 一般 差 强 一般 美国 北美和欧洲 欧洲 美国 全球 通信速率 抗干扰能力 使用地区 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

目前，随着Internet技巧的成长和大片普及应用，以太网技术可以能够飞速成长，对其通讯的确定性和及时性缺陷也提出了有效地解决办法。

第一种方法是，在网络拓扑上，线性结构使用星型连接替换，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段。在每个网段上，以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节

点连接起来。这样，挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域(Collision Domain)，每个冲突域均采用 CSMA/CD 机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大减小。因此，在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离，从而根治了 CSMA/CD 产生的冲突问题。

另一种方法是，以太网采用全双工通信技术，使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受 CSMA/CD 的限制，这样任何节点发送报文时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在，这种方法也能从根本上避免冲突的发生。

总之，选用星型网络结构，全双工方式等能够大幅度的削减或全部避免冲撞的发生，从而能够大幅度的增加网络的通讯稳定性，而且把以太网技术放在家庭内部控制打下了基础。在现实情况的证明下，在大家一起使用的网络中，当通讯载荷在 25%程度下时，能够确保通讯的通顺；当业务载荷在5%左右时，网络上冲撞的概率几乎为零。因为家庭网络与商业网有很多差别，每一个节点通报的及时数据量平时仅仅有少量的一些字节，况且大多时候不会出现突然的很多信息传送，故此能够经过限制每一个节点发出的信息的数目，减少网络信息流量。这个时段，为了最大化的缩减数据传送的负载，家电节点尽量利用无连接得 UDP协议，防止不该发生的填添域占用信道带宽来传送报文，在网络保持在轻负载工作规范下，可以进一步保证网络传输的实时性。

3.2.2 以太网的网络安全缺陷及改进

1、 以太网的网络安全存在的缺陷

由于以太网在设计之初是为局域网络而设计的技术，并未考虑连入互联网后的情况，加上以太网其实就是为了商业目的而开发的，故而存在着许多安全漏洞，以太网很容易遭受攻击。修改后应用于家居网络的以太网，也没有克服这一问题，因而，必须采取安全措施，来为家庭中以太网的通信提供一个安全的环境。下面是对于智能家居内部以太网络而言的主要安全隐患：

以太网是广播式的系统，这是它最主要的弱点。当局域以太网中的任何一台电脑发出报文时，信息会被传送给该局域以太网的全部部分，总线上任何一台电脑都能收到到这一个信息。同样，家居局域以太网的任何一个家电发出的每一条信息会被发送给该家居局域以太网的所有安装以太网协议的成员。这让其他人也可以控制自己的家庭中的电器，这也是以以太网为基础的智能家居所面临的最大安全隐患。而与以太网络比较，像蓝牙系统采用的很容易藏匿不容易被捕获跳变通讯机制，凡是别人不了解信号跳变的规则，就不容易知道我们的通讯信息，提供了可靠的安全性。 2、 家居以太网对于其网络安全缺陷的改进

对于家居网络面临的安全方面的隐忧，一般有以下几种方法可供选择：最为彻底的方法是采用网络隔离的办法。此外，还可以引进一个防火墙机制，为每户家庭配置防火墙，

进一步实现对内部控制网络的访问进行限制，阻止未授权用户访问网络；指定信息流向，只得从固定的安全点流向外界。对于在家庭内部数据包的传输，可以采用软件加密的方法，进一步加强其网络安全性，由于大部分家电控制对实时性的要求并不高，所以可以采用更加复杂的加密技术进行数据的加密，保证一系列家庭控制数据格式的安全。

第4章 家居网络通信系统的总体设计

智能家居网络通信系统共需设计两个方面，首先是家居通信系统节点的硬件组成设计；另一个便是对 TCP/IP 协议的设计。以下是两大方面的总体设计思路。

4.1 硬件构成方式及芯片的选择

4.1.1 硬件的构成

单片机+网卡芯片: 由网卡芯片构成网络接口，由单片机运行存储在 ROM 中的程序代码来提供其所需通信协议。这种方法的最显著的优点是成本低，设计灵活，可根据自身需求修改或者自行设计适合的协议栈。缺点是软件设计繁琐，开发者要自己设计硬件及改写网络协议。方案如图 4-1所示。

图 4-1 MCU+网卡芯片组成的家居网络节点示意图

4.1.2 芯片的选择

为了降低费用，简化外围电路，同时也保留一定可扩展性，本文单片机主控制器及协议栈的芯片使用 Cygnal 公司推出的 8 位 C8051F020 芯片，负责收发数据包的网卡芯片选择使用REALTEK 公司的RTL8019AS 芯片。

Cygnal 公司推出的C8051F020 单片机可以处理混合信号，是一个系统级MCU。C8051F020片内拥有 CIP-51 的 CPU 内核，它的指令系统与8051全部兼容，和之前的 51

系列单片机相比，C8051F020 增加了很多功能，其保险性大大提高，同时也很大的提升了它的速度。简而言之，C8051F020是一种性能优良、集成度高的MCU芯片，很适用于速度快、保险性高、扩展功能强和消耗低的系统。

RTL8019AS成为10Mbps 网卡芯片的第一选择都是因为它的高度性价比。网卡RTL8019AS芯片特性：支持以太网 II 与 IEEE802.3标准；具有高速的收发速率，采用全双工模式，其收发速率可同时达到 10Mbps；内置用于收发缓冲的16KB的SRAM；支持 8/16 位数据总线，8 个IRO总线和16 个 I/O 基地址选项；支持 UTP、AUI、BNC自动检测；具备4个可编程输出的诊断LED；100 脚的 PQFP 封装；支持存储器瞬时读写。RTL8019AS 的内部结构：内部可分为远程直接存取接口、本地直接存取接口、介质访问控制逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。其内部结构如图 4-2所示。

图4-2 RTL8019AS 芯片内部结构图

4.2 对网络层和传输层协议改写遵循的原则和方向

由于目前的被使用在工业上的工业以太网和商用以太网与智能家居所处的环境以及对智能家居网络的要求不同，实际上，由家庭中家电构成了智能家居网络通信系统，而且家庭网络设备对控制信息的实时性和稳定性与家电控制信息的传输和数据信息的数目有着决定性关系；然而因为家电节点中单片机的速度和容量限制，不可能放入所有的网络协议。综上两点，把现有的 TCP/IP 协议进行修改以满足家庭网络需要，是以太网进军智能家居通信网络系统必不可少的一步骤。

信息短、数据量小，数据包一般不连续性是家电的控制信息主要特点，此外，家电对收发的控制数据还要求不易丢失、稳定性高，而家电网络对实时性的要求不是很高。由于智能家居的网络中家电节点收发数据周期短，数据少且不连续性的原因，主张放弃需建立

连接的 TCP 协议而使用无需连接的UDP 协议，并且要删减链路层和网络层的协议，删除家庭网络不使用和很少状况下才需要到的协议，并且剪掉实行复杂的多数的应用层程序。而针对 UDP 无连接特性，且 UDP 协议对数据包不保证可靠交付的特点，以及以太网因载波监听多点接入/碰撞检测的机制而容易造成的数据冲突碰撞，从而丢失数据的问题，加入了自设计的重传应答机制，在可以接受的实时性条件下，最大可能的避免发生冲突。

综上所述，为了满足智能家居网络数据通信的要求，就需要改写现在的 TCP/IP 协议，而修改网络层和传输层的协议成为这个任务重点。同时，为了尽量减少以至完全消除以太网因为载波监听多点接入/碰撞检测的机制而造成的数据传输不稳定的情况，在协议上层加入了设计好的应答重传机制。

4.3应用层协议的总体设计

需要 TCP 建立连接的应用层协议（如HTTP 等）很难使用到其中，因为本文采用的是UDP协议。而为了实现较为简单的家电设备的控制，不适合使用HTTP。在这里，为了简单实现协议应用层的功能本文拟使用自行设计的应用层报头格式(即控制字段表)，为了能让家电节点接受并响应正确格式的远程控制命令，节点和远程控制机必须按照约定好的应用层协议格式运行。完整的TCP/IP协议包含应用层报头的数据包如图 4-3 所示。

图 4-3 经改写后的 TCP/IP 协议数据包组成示意图

经过上述各项总体设计后的，由各智能家电节点构成的整个家居以太网络的结构示意 图，如图 4-4 所示。

图 4-4 家居以太网络的结构示意图

第5章 家居网络通信系统的解决方案

5.1 家电网络系统硬件的构成和设计

5.1.1 家电节点的构成

家电网络系统主要由单片机C8051F020、以太网控制器RTL8019AS和外围电路组成。C8051F020与 RTL8019AS 的数据包交换是通过后者的DMA通道进行，通过以太网连接以太网控制器 RTL8019AS 的 RJ45 接口，进行数据包的接受和发送。

图 5-1 家电节点的组成设计图

图 5-1 中家用电器指的是能通过弱电控制的家电，家用电器的工作状态和受控状况通过I/O口线，直接或者再经过电气隔离间间接的传送到单片机C8051的TCP/IP协议栈中，由协议栈对数据进行处理后，送到以太网控制器RTL8019中，在其中，数据包被添加以太网帧的首部和尾部信息，以太网控制器RTL8019通过接口RJ45与家居以太网连接，通过RJ45接口把数据包发送到家居以太网中。请求和控制的信息传递到家用电器的过程与之相反。

5.1.2 MCU 与以太网控制器连接后的工作方式

工作方式如下：MCU C8051F020将收集到的关于家电的数据上传Ethernet时，首先将其中一帧数据送到RTL8019AS 中的发送缓存区，当然要通过远程经DMA通道，之后发出传送指令；当以太网控制器 RTL8019AS 完成了上一次的发送后，再发送这一次数

据。收到控制指令时，以太网控制器RTL8019AS通过 CRC 和MAC校验过Ethernet发送来的数据后，经过FIFO把数据存到接收缓冲区；当一帧数据收满，报告主处理器 C8051F020。然后MCU C8051F020 执行接收处理程序段，数据包从以太网控制器RTL8019AS通过远程 DMA 通道送达单片机，单片机把收到的数据包进行分析处理，进而控制家用电器。

5.2 家电网络系统网络层和传输层协议的解决方案

为了让智能家居网络满足数据通信的要求，依据协议的设计原则，修改设计现存的 TCP/IP 协议，协议的主要结构由 UDP 协议、ARP 协议以及应用层协议所组成。设计改写的主干流程图和各协议流程图以及其运行原理如下。

5.2.1 改写后的协议的主干处理流程图

图 5-2 改写后协议的主干处理流程图

如图 5-2 所示，经修改后的 TCP/IP 协议栈主要处理UDP包和 ARP 包两种类型的数据包。是否有数据包进入MCU，需要通过其中设置的网卡芯片接受标志位来判断，如果接收到以太数据包，则进入处理以太包的程序，拆除以太数据的报头，分析判断以太包；如果是 IP 数据包，则进入处理 UDP的程序，如果是 ARP 数据包，则进入处理ARP 的程序。主程序使用轮讯法运行。

5.2.2 改写后协议的 ARP和UDP 处理程序流程

图 5-3 改写后协议的 ARP 包处理流程图

如图 5-3，之所以在单片机协议中加入间隔一定时间段便向其所在网络发送 ARP请求包的程序，是因为单片机无法自己自发的发送ARP包以通知连接在网上的其它机器MCU本身的MAC和IP地址。根据节点所处的不同路由器状况来设定发送 ARP 请求包的时间间隔。

改写后协议的 UDP 处理程序流程

图 5-4 改写后协议的 UDP 包处理流程图

整个系统的核心组成部分便是 UDP 数据包的处理。如图 5-4 所示，在收到 UDP 数据包后，对数据包进行拆包分析判断，通过与应用层控制字表的比对，判断数据包中的控制方式，进而按照数据包的指令控制电器的运行，并记录相应的结果和反馈运行信息。

在这里，在处理UDP包的上层程序中加入自己设计的应答重发机制，以应对UDP协议容易丢包和以太网因其协议导致数据冲撞而丢失的问题。在每次家电的节点发送数据时使用这个应答机制，如果不断的重发通知数据包后，仍然没有得到远程控制机的回应，则暂时性搁置控制命令，直到收到远程机的正确应答指令，并且得到命令的正常重复应答后再进行之后的运行操作。如果数据发送后在指定时间内收到应答回应信息，则不再重新发送数据通知包，保证正确的执行控制命令。在远程控制机的应用程序中发送应答回应。此应答重发机制运行较为可靠，能正确反馈当前信息。回应机制原理如图 5-5 所示。

图 5-5 协议的回应机制简单示意图

5.2.4 协议改写后实现的功能

经过修改后的协议栈简单明了，与家庭中使用的以太网不再需要通过特殊的网关转换数据包结构或者查找电器逻辑地址等等连接，它可以通过RJ45直接和家庭以太网无缝连接，而且协议栈与目前显存的商业以太网兼容。而且无论发送数据包的长度、单位时间内数据包发送数量以及在发送数据实时性等方面，都足以应付家用电器在控制上的应用要求。

5.3 家电网络系统应用层协议的解决方案

在家居通信网络中，应用层协议中需要修改设计的是节点端的应用层协议。

5.3.1 节点端应用层协议的解决方案

在通用的以太网上传输的数据帧的完整格式，如图 5-6 所示。

图 5-6 通用以太网数据帧示意图

而从协议较内层次的 UDP 包结构来看，其中的应用层组成与位置关系，如图 5-7 所示。

图 5-7 UDP 数据帧中应用层组成与位置关系示意图

而经过修改后的应用层在 UDP 协议数据包中的组成与位置关系，如图 5-8 所示。

图 5-8 UDP 数据帧中设计后的应用层格式示意图

如图 5-8，为了实现应用层协议控制动作字、登录字、退出登录等功能，把自己设计好的家电控制字加入到改写的UDP数据帧中的控制字段。UDP协议的数据处理环节中就包含了应用层的处理。首先只有用户先登录，在单片机C8051F020把用户登录的状态记录下后，单片机才能接受用户之前输入的合法控制字。单片机根据数据包中的实际控制字，

做出相对应的动作控制电器的运行。

根据预先设定好的各种控制帧格式，远程控制计算机发送数据包给家居中的电器节点；远程计算机根据预先设定好的控制帧格式接收从家电节点发送过来的回馈数据。

5.3.2 处理UDP数据包的流程

在家用电器接收到发送来的 UDP 数据包后，根据预先设定好的应用层各种数据控制字表，应用程序拆开数据包进行指令判断，而在其单片机的 UDP 协议处理之中进行处理节点端的应用层。

用户端（即远程控制端）UDP 数据包的进入与控制字的判断流程，如图 5-9所示。

图5-9 根据应用层控制字处理UDP数据包的具体流程

当家电节点的系统开始运行之后，用户端主程序为了得知是否有数据包传送，它的主循环会连续盘查自己的网卡缓冲区。如果有 UDP 数据包访问时，系统开始准备处理 UDP 数据包。首先程序自检，查看控制器是否已经为登录状态，如果已经登录，则拆包检查操作字段的指令是否为控制数据包，然后进行相应的控制动作及状态显示；如果没有登录，则拆包察看控制字段指令是否为登录指令或者是退出登录指令，然后进行登录状态的切换和显示。处理完毕后，重新回到主循环中等待新的数据包的到来。

第6章 结论

本文通过对比现有的主流现场总线，决定以以太网为基础，并采取一些修改举措，实现一个智能家居网络的最小化系统。采用改进后的以太网实现智能家居系统的互联，并能通过普通的以太网网关接入互联网，实现了智能家居与互联网的无缝联接。节点可以在内外网络中较为正确及时的收发信息，能够基本满足家电对于数据交换的要求。

由于以太网其应用范围的扩展，使其与其他总线相比，在应用设计、成本、可操作性、可维护性方面占有无可比拟的优势。与工业控制对比来说，智能家居系统中的大部分家电在实时性要求上都不是很高，物理层传输介质使用以太网是解决现在智能家居系统的联网问题的不错的选择，因为它可以统一标准，而不必再进行协议转换或者添加转换器。在智能家居网络通信系统中使用的所有的总线协议中，Ethernet是统一标准的希望所在。随着以太网的不断发展以及对它更加深入的研究，智能家居网络系统会向着标准化、统一化和民用化一步步迈进。

在本论文中，使用以太网控制器RTL8019AS和C8051F020做网络节点，根据家电网络的特点重新修改TCP/IP协议，并把它应用到智能家居网络通信系统中，对智能家居无缝连接互联网的研究，做出了一定的意义。

尽管本论文有点成果，但是由于自身水平和智能家居是一个较大的系统工程等原因的限制，在短时间内不能做到很完美。所以本论文中还有很多值得修改和进一步研究的地方。