歐洲設備安裝總線（EIB）概述

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

關鍵詞：EIB 家庭樓宇自動化 分布式 開放系統

1999年國家經留委組織編制的《近期行業技術發展重點》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，點國民生產總值的6%～8%。住宅產業要成拉動內需的經濟增長點，離不開高新技術的全方位支撐，“綱要”中列舉了六項有待開發的重點高新技術項目，住宅智能化榜上有名[1]。隨著人們生活水平的提高，計算機和信息技術的發展，人們對家庭樓宇的智能化、網絡化、個性化的需求越來越高。

傳統封閉系統采用分層式結構，即節點-網關-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，控制中心需要同時算是數量龐大的設備信息，成為系統的“瓶頸”，制約整個系統的運行效率。而龐大布線量增加設計安裝的工作量和費用的同時，降低了系統的可靠性。

偽開放系統采用總線式結構，控制了系統直接掛在總線上，將控制系統通過一一條通用的控制總線連成控制網絡。但由于沒有統一的協議，出現了各種彼此不兼容的控制總線（如現場總線、設備總線等）和子系統，形成各種控制網絡“孤島”。各子系統之間通過網關與總線連接，增加安裝費用的同時不能徹底解決網關的“瓶頸”的問題[2]。

1 EIB協議概況

歐洲設備安裝總線協議（EIB-European Installation Bus）是一個在歐洲占主導地位的樓宇自動化（BA）和家庭自動化（HA）標準。作為EIB的管理機構，EIBA委員會（European Installation Bus Association）擁有100家會員，這些會員占據了歐洲樓宇、家庭自動化設備銷售額的80%.基于其優秀表現，該協議已被美國消費電子制造商協會（CEMA）吸收作為家庭網絡EIA-776標準[3]。

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

·分布性：無中心分布式結構徹底解決控制網絡“孤島”和“瓶頸”問題，可使系統發揮其最佳效率；同時降低了布線量和安裝費用。

·互操作：開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化控制網絡。

·靈活性：EIB對電力線傳輸和無線頻率傳輸的支持使系統擴充修改簡易化[4]。

2 EIB網絡拓撲

EIB網絡是一個完全對等（peer-to-peer）的分布式網絡。接入網絡的每個設備具有同等的地位。其網絡拓撲參見圖2。從圖中可以看出，網絡采用了域（Domain）、區（Area）、線（Line）的分層的結構。每一條Line上最多可以連接255個設備；一個Area內最多可容納15條Line；而一個Domain則可容納15個Area。連接通過特殊的線耦合器（Line Coupler）和區耦合器（Area Coupler）實現。相應的設備的地址也分為區地址（4位）、線地址（4位）和設備地址（8位）[5]。從網絡結構角度看，獨立的、分散的、單體測量與家用電器僅僅是EIB的一個分布式網絡節點，其內涵屬現場總線控制系統；從信息交互角度看，已經從簡單的狀態信息組合和基于監控的處理，發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，任何一個網絡節點的失效都不會使系統癱瘓，同時避免因信息量過大而形成的控制中心瓶頸問題。因此，EIB具備高度自治的優良特性。

3 EIB OSI通訊協議與通訊媒質

EIB通訊協議遵循OSI（開放式系統互聯參考模型）模型，提供了OSI模型所定義的全部七層服務[6]，這是其先進性之一。遵循OSI參考模型的EIB系統層次協議結構見圖3。物理層和鍵路層明顯依賴于物理媒質的特性，EIB通過優化防沖突規定了帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取（CSMA）以控制媒質接口；網絡層通過網絡協議控制信息（NPCI）控制跳躍擻；傳輸層的邏輯通訊關系包括一對多無連接（多終點組傳輸）、一對所有無連接（廣播）、一對一無連接、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問標識等（cr-id）；通過預留的會話層和表示層，所有設備被明顯映射出來；應用層行使EIB網絡用戶/服務器管理的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）分配通訊訪問標識符，以完成收（一對多）和發（一對一）功能。

EIB通訊協議支持通訊介質分段組合的網絡，包括雙絞線、輸電線、無線頻率傳輸。這是其先進性之二。EIB雙絞線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，每個雙粗絞線物理段可長達1000米；EIB輸電線運用新型擴展頻率調制技術，通過相應數量的匹配篩選，保證輸電線組地址傳輸的完整性和可靠性，在裝修改造工程中比較經濟，最大傳輸距離為600米；EIB無線頻率傳輸由不同載波頻率作物理區分，在無法使用其他通訊媒體時提供解決方法，距離約為300米[7]。

4 EIB網絡

EIB網絡規范實現在所有媒質中包含遵循ISO/IEC802-2的邏輯鏈路層，及10兆位的以太網。EIB網絡不受制于高速主干線，它允許管理設備和自動化設備直接連接。EIB網絡可以路由訪問辦公網絡和樓宇網絡，或使用Internet協議通過Internete遠程訪問。

EIB設備可以看成分配資源的集合，通過網絡進行管理。網絡資源管理中，運用廣播通訊和點對點通訊的結構方式。通過廣播通訊（選擇使用唯一的連續設備碼），對系統中的每個設備分配一個唯一的物理地址，此物理地址供下一步點對點通訊使用。專用主-從快速輪詢模式確保對主要子系統的現場檢測和狀態檢測。每個EIB設備執行服務器的指令，服務器提供高于本地資源（包括外部CPU和存儲資源接口）優先級的控制信號。通過引入EIB分配對象，網絡資源實際上成為導向對象（OO）。

5 組編址與數據格式

EIB支持多址通信組編址，每個設備可以公布幾個單獨的有效通訊對象（被稱為組），這些對象可以獨立于其他對象編組，使之成為網絡有效共享資源。分配對象的屬性可以作為有效共享資源，這是組編址的一個優點。有效共享資源可以完全雙向讀寫。因此，所有設備要吧主動發送多址通訊幀。EIB為這些有效共享資源提供了16位有效地址空間。考慮某些執行機構的15位限制，每個設備可以有多達32K的有效共享資源（或組地址）。考慮范圍和效率，組編址通訊采用適合的運行模式以優化EIB自主區域通訊。

控制信號與系統在設備間通過數據幀傳輸。基于數據格式由EIB協議所規定。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總線耦合器唯一確定。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聯。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。基本數據類型的屬性組成分配對象，可網絡存取。終端用戶設備通過BCU（總線耦合單元）與總線通訊。

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EIB家庭管理系統得以體現。其核心是用于家庭網絡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。EIB系統支持家庭即插即用（Home PnP）規范，遵循傳輸協議獨立性原則。無論設備由誰提供，只要能夠符合EIB協議，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言翻譯網關。每個設備有自己的地址，設備的資源有唯一的名稱，設備之間可以相互“對話”。接入該體系的設備可通過電話或Internet隨時查詢控制設備狀態，實現真正的遠程遙控。符合EIB標準的設備通過此體體系連接，共同組成協調一致具有互操性的家庭自動化控制網絡系統[9]。

（2）此體系使系統擴充修改靈活。該體系靈活的網絡拓撲結構，足夠的編址空間，多種媒質的支持為用戶提供設備簡易接口，使增減設備簡易化。通過對該體系節點數據庫中節點信息、節點互連關系信息的更新，使修改系統簡易化。支持電力線、無線傳輸方式使EIB在原有系統改造中免除重新布線，擴展了EIB的適用范圍[10]。

EIB家庭管理系統的開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開發應用軟件

在具體項目設計中，EIB遵循一個思想核心：把一系列獨立的設備連接成一個功能模塊。這具體體現在基于Windows的EIB開發應用軟件中，利用ETS（EIB Tool Software）開發編程功能，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，通過組地址分配，所有設備滿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，被稱為EIB工具環境（ETE），作為EIB標準的一部分[12]。

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