歐洲設備安裝總線(xiàn)（EIB）概述

摘要：介紹作為歐洲家庭樓宇自動(dòng)化主流標準的歐洲設備安裝總線(xiàn)（EIB）的系統框架，其網(wǎng)絡(luò )拓撲、通訊協(xié)議和數據編碼等系統組成。

關(guān)鍵詞：EIB 家庭樓宇自動(dòng)化 分布式 開(kāi)放系統

1999年國家經(jīng)留委組織編制的《近期行業(yè)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)》綱要指出：我國現在住宅的年建造量達10億多平方米，投資額約1400億，點(diǎn)國民生產(chǎn)總值的6%～8%。住宅產(chǎn)業(yè)要成拉動(dòng)內需的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，離不開(kāi)高新技術(shù)的全方位支撐，“綱要”中列舉了六項有待開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)高新技術(shù)項目，住宅智能化榜上有名[1]。隨著(zhù)人們生活水平的提高，計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對家庭樓宇的智能化、網(wǎng)絡(luò )化、個(gè)性化的需求越來(lái)越高。

傳統封閉系統采用分層式結構，即節點(diǎn)-網(wǎng)關(guān)-控制中心，系統信息匯總控制中心處理。面對不斷增加的需求，控制中心需要同時(shí)算是數量龐大的設備信息，成為系統的“瓶頸”，制約整個(gè)系統的運行效率。而龐大布線(xiàn)量增加設計安裝的工作量和費用的同時(shí)，降低了系統的可靠性。

偽開(kāi)放系統采用總線(xiàn)式結構，控制了系統直接掛在總線(xiàn)上，將控制系統通過(guò)一一條通用的控制總線(xiàn)連成控制網(wǎng)絡(luò )。但由于沒(méi)有統一的協(xié)議，出現了各種彼此不兼容的控制總線(xiàn)（如現場(chǎng)總線(xiàn)、設備總線(xiàn)等）和子系統，形成各種控制網(wǎng)絡(luò )“孤島”。各子系統之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)與總線(xiàn)連接，增加安裝費用的同時(shí)不能徹底解決網(wǎng)關(guān)的“瓶頸”的問(wèn)題[2]。

1 EIB協(xié)議概況

歐洲設備安裝總線(xiàn)協(xié)議（EIB-European Installation Bus）是一個(gè)在歐洲占主導地位的樓宇自動(dòng)化（BA）和家庭自動(dòng)化（HA）標準。作為EIB的管理機構，EIBA委員會(huì )（European Installation Bus Association）擁有100家會(huì )員，這些會(huì )員占據了歐洲樓宇、家庭自動(dòng)化設備銷(xiāo)售額的80%.基于其優(yōu)秀表現，該協(xié)議已被美國消費電子制造商協(xié)會(huì )（CEMA）吸收作為家庭網(wǎng)絡(luò )EIA-776標準[3]。

以用戶(hù)為導向，具有開(kāi)放性、互操作和靈活性的EIB協(xié)議摒棄了控制中心思想有交地應用于包括照明、安防、HVAC（通風(fēng)溫度控制）、時(shí)間事件管理等家庭樓宇領(lǐng)域的所有分支。其系統應用總框圖如圖1所示。它具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

·分布性：無(wú)中心分布式結構徹底解決控制網(wǎng)絡(luò )“孤島”和“瓶頸”問(wèn)題，可使系統發(fā)揮其最佳效率；同時(shí)降低了布線(xiàn)量和安裝費用。

·互操作：開(kāi)放性結構與組編址通訊使設備間其有互操作，形成直轄市一致的自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )。

·靈活性：EIB對電力線(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)頻率傳輸的支持使系統擴充修改簡(jiǎn)易化[4]。

2 EIB網(wǎng)絡(luò )拓撲

EIB網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)完全對等（peer-to-peer）的分布式網(wǎng)絡(luò )。接入網(wǎng)絡(luò )的每個(gè)設備具有同等的地位。其網(wǎng)絡(luò )拓撲參見(jiàn)圖2。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò )采用了域（Domain）、區（Area）、線(xiàn)（Line）的分層的結構。每一條Line上最多可以連接255個(gè)設備；一個(gè)Area內最多可容納15條Line；而一個(gè)Domain則可容納15個(gè)Area。連接通過(guò)特殊的線(xiàn)耦合器（Line Coupler）和區耦合器（Area Coupler）實(shí)現。相應的設備的地址也分為區地址（4位）、線(xiàn)地址（4位）和設備地址（8位）[5]。從網(wǎng)絡(luò )結構角度看，獨立的、分散的、單體測量與家用電器僅僅是EIB的一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，其內涵屬現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統；從信息交互角度看，已經(jīng)從簡(jiǎn)單的狀態(tài)信息組合和基于監控的處理，發(fā)展到基于內容的處理融合。EIB系統摒棄控制中心概念，換言之，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的失效都不會(huì )使系統癱瘓，同時(shí)避免因信息量過(guò)大而形成的控制中心瓶頸問(wèn)題。因此，EIB具備高度自治的優(yōu)良特性。

3 EIB OSI通訊協(xié)議與通訊媒質(zhì)

EIB通訊協(xié)議遵循OSI（開(kāi)放式系統互聯(lián)參考模型）模型，提供了OSI模型所定義的全部七層服務(wù)[6]，這是其先進(jìn)性之一。遵循OSI參考模型的EIB系統層次協(xié)議結構見(jiàn)圖3。物理層和鍵路層明顯依賴(lài)于物理媒質(zhì)的特性，EIB通過(guò)優(yōu)化防沖突規定了帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存?。–SMA）以控制媒質(zhì)接口；網(wǎng)絡(luò )層通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議控制信息（NPCI）控制跳躍擻；傳輸層的邏輯通訊關(guān)系包括一對多無(wú)連接（多終點(diǎn)組傳輸）、一對所有無(wú)連接（廣播）、一對一無(wú)連接、一對一導向連接，它提供了地址與抽象內部表達之間的映射通訊訪(fǎng)問(wèn)標識等（cr-id）；通過(guò)預留的會(huì )話(huà)層和表示層，所有設備被明顯映射出來(lái)；應用層行使EIB網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)/服務(wù)器管理的API（應用程序接口）功能，應用層對通訊對象組內部請求（或共享變量）分配通訊訪(fǎng)問(wèn)標識符，以完成收（一對多）和發(fā)（一對一）功能。

EIB通訊協(xié)議支持通訊介質(zhì)分段組合的網(wǎng)絡(luò )，包括雙絞線(xiàn)、輸電線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)頻率傳輸。這是其先進(jìn)性之二。EIB雙絞線(xiàn)自由拓撲結構成本較低，控制邏輯0的位級別沖突檢測提高傳輸的可靠性，每個(gè)雙粗絞線(xiàn)物理段可長(cháng)達1000米；EIB輸電線(xiàn)運用新型擴展頻率調制技術(shù)，通過(guò)相應數量的匹配篩選，保證輸電線(xiàn)組地址傳輸的完整性和可靠性，在裝修改造工程中比較經(jīng)濟，最大傳輸距離為600米；EIB無(wú)線(xiàn)頻率傳輸由不同載波頻率作物理區分，在無(wú)法使用其他通訊媒體時(shí)提供解決方法，距離約為300米[7]。

4 EIB網(wǎng)絡(luò )

EIB網(wǎng)絡(luò )規范實(shí)現在所有媒質(zhì)中包含遵循ISO/IEC802-2的邏輯鏈路層，及10兆位的以太網(wǎng)。EIB網(wǎng)絡(luò )不受制于高速主干線(xiàn)，它允許管理設備和自動(dòng)化設備直接連接。EIB網(wǎng)絡(luò )可以路由訪(fǎng)問(wèn)辦公網(wǎng)絡(luò )和樓宇網(wǎng)絡(luò )，或使用Internet協(xié)議通過(guò)Internete遠程訪(fǎng)問(wèn)。

EIB設備可以看成分配資源的集合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理。網(wǎng)絡(luò )資源管理中，運用廣播通訊和點(diǎn)對點(diǎn)通訊的結構方式。通過(guò)廣播通訊（選擇使用唯一的連續設備碼），對系統中的每個(gè)設備分配一個(gè)唯一的物理地址，此物理地址供下一步點(diǎn)對點(diǎn)通訊使用。專(zhuān)用主-從快速輪詢(xún)模式確保對主要子系統的現場(chǎng)檢測和狀態(tài)檢測。每個(gè)EIB設備執行服務(wù)器的指令，服務(wù)器提供高于本地資源（包括外部CPU和存儲資源接口）優(yōu)先級的控制信號。通過(guò)引入EIB分配對象，網(wǎng)絡(luò )資源實(shí)際上成為導向對象（OO）。

5 組編址與數據格式

EIB支持多址通信組編址，每個(gè)設備可以公布幾個(gè)單獨的有效通訊對象（被稱(chēng)為組），這些對象可以獨立于其他對象編組，使之成為網(wǎng)絡(luò )有效共享資源。分配對象的屬性可以作為有效共享資源，這是組編址的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。有效共享資源可以完全雙向讀寫(xiě)。因此，所有設備要吧主動(dòng)發(fā)送多址通訊幀。EIB為這些有效共享資源提供了16位有效地址空間?？紤]某些執行機構的15位限制，每個(gè)設備可以有多達32K的有效共享資源（或組地址）?？紤]范圍和效率，組編址通訊采用適合的運行模式以?xún)?yōu)化EIB自主區域通訊。

控制信號與系統在設備間通過(guò)數據幀傳輸?；跀祿袷接蒃IB協(xié)議所規定。一幀可攜帶多達14字節的數據，包括控制碼、地址碼、操作碼、校正碼四部分[8]。地址碼包括源地址信息和目標地址信息。源地址顯示設備所在，此物理地址由項目設計時(shí)總線(xiàn)耦合器唯一確定。地址顯示通訊對象所在，通訊為單一設備或設備組，可在同一Line上或跨越不同的Line。組地址決定系統中基于通訊關(guān)聯(lián)。操作碼在設備間傳磅設備信息，如命令、消息、預設值、測量值（其它義幾乎可用于所有物理量）等等?；緮祿?lèi)型的屬性組成分配對象，可網(wǎng)絡(luò )存取。終端用戶(hù)設備通過(guò)BCU（總線(xiàn)耦合單元）與總線(xiàn)通訊。

6 其他系統組成

6.1 EIB家庭管理系統

EIB本地導向對象管理的特征通過(guò)EIB家庭管理系統得以體現。其核心是用于家庭網(wǎng)絡(luò )監視控制的家庭輔助應用程序接口（API）體系。

（1）此體系使設備互操成為現實(shí)。EIB系統支持家庭即插即用（Home PnP）規范，遵循傳輸協(xié)議獨立性原則。無(wú)論設備由誰(shuí)提供，只要能夠符合EIB協(xié)議，就可以互相控制或操作（interoperability），不必在不同設備之間設置昂貴的語(yǔ)言翻譯網(wǎng)關(guān)。每個(gè)設備有自己的地址，設備的資源有唯一的名稱(chēng)，設備之間可以相互“對話(huà)”。接入該體系的設備可通過(guò)電話(huà)或Internet隨時(shí)查詢(xún)控制設備狀態(tài)，實(shí)現真正的遠程遙控。符合EIB標準的設備通過(guò)此體體系連接，共同組成協(xié)調一致具有互操性的家庭自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )系統[9]。

（2）此體系使系統擴充修改靈活。該體系靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，足夠的編址空間，多種媒質(zhì)的支持為用戶(hù)提供設備簡(jiǎn)易接口，使增減設備簡(jiǎn)易化。通過(guò)對該體系節點(diǎn)數據庫中節點(diǎn)信息、節點(diǎn)互連關(guān)系信息的更新，使修改系統簡(jiǎn)易化。支持電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)傳輸方式使EIB在原有系統改造中免除重新布線(xiàn)，擴展了EIB的適用范圍[10]。

EIB家庭管理系統的開(kāi)放性和互操作使設備容易集成于功能齊全，結構靈活，容易安裝、維護和擴充的一體化智能家庭管理控制系統。

6.2 EIB開(kāi)發(fā)應用軟件

在具體項目設計中，EIB遵循一個(gè)思想核心：把一系列獨立的設備連接成一個(gè)功能模塊。這具體體現在基于Windows的EIB開(kāi)發(fā)應用軟件中，利用ETS（EIB Tool Software）開(kāi)發(fā)編程功能，制造商把獨立設備功能壓縮為一系列抽象表示，隱藏了所有執行細節，僅輸出描述部分，成為一完整的功能模塊[11]。項目工程師可將描述部分引入其ETS項目編輯中，通過(guò)組地址分配，所有設備滿(mǎn)足項目具體要求和邏輯連接。

ETS建立在PC/Windows平臺的軟件工程組件的結構頂層，被稱(chēng)為EIB工具環(huán)境（ETE），作為EIB標準的一部分[12]。

EIB體現了家庭樓琮自控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，它提供的一體化解決方法，它的無(wú)中心真正分布式模式，它的開(kāi)放性、靈活性，以及市場(chǎng)的廣泛認可，使之成為樓宇自控領(lǐng)域的主流標準，使得基于EIB協(xié)議開(kāi)發(fā)真正開(kāi)放性的智能家庭樓宇管理控制系統，不但是現實(shí)可行的，而且具有廣闊前景。