【正文】 Key words： Intelligent Residential District； Broadband Network Network Architecture； Inter of Things. 1 第一章 智能小區(qū)概述 智能建筑起源于 20 世紀(jì) 80 年代初的美國(guó)，經(jīng)過(guò)短短幾十年的發(fā)展，已在世界各地逐步普及。現(xiàn)如今，越來(lái)越多的人已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論是工作、學(xué)習(xí)、休閑娛樂(lè)，都已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)，出行前不熟悉交通的上網(wǎng)查路線、外出吃飯會(huì)前去查哪家餐館受好評(píng)、買書去卓越網(wǎng)、想看新聞去新浪、買 IT 產(chǎn)品必上導(dǎo)購(gòu)網(wǎng)站查報(bào)價(jià)、網(wǎng)上購(gòu)物去淘寶等等，我們發(fā)現(xiàn)生活的每個(gè)角落都是在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。地球變成了地球村，地球村的居民們現(xiàn)在交流已經(jīng)可謂跨越地域的局限。 人們對(duì)信息的需求已經(jīng)完全不是以往簡(jiǎn)單的語(yǔ)音通訊，傳統(tǒng)的媒介，如報(bào)紙、電視廣播，正在面臨新一輪信息化浪潮的沖擊。 智能化小區(qū)是指可以為社區(qū)居民提供計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、智能家居、物業(yè)服務(wù)和管理、電子商務(wù)平臺(tái)、社區(qū)服務(wù)信息網(wǎng)等全方位信息服務(wù)的多媒體綜合信息系統(tǒng)。 同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)必將取代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備、信息的在線交流應(yīng)用。 隨著 3G 網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，人們對(duì)于無(wú)線應(yīng)用的需求也隨之增長(zhǎng)。試想，在今后的數(shù)年內(nèi)，無(wú)線接入技術(shù)必將為人們提供新的應(yīng)用平臺(tái)。 智能小區(qū)的系統(tǒng)組成主要包括三大部分，即大樓自動(dòng)化、通信自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化，他們是智能化建筑中最重要的，而且必須具備的基本功能。按智能小區(qū)的總體目標(biāo)進(jìn)行分解，小區(qū)智能化系統(tǒng)可具體分解成以下幾個(gè)子系統(tǒng)，其每個(gè)子系統(tǒng)均具有一項(xiàng)具體功能。 本文重點(diǎn)是對(duì)智能小區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入部分的分析和設(shè)計(jì)，其他功能做簡(jiǎn)單介紹。而現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)，不僅可以連接計(jì)算機(jī)還包括其他設(shè)備，目前網(wǎng)絡(luò)向 3G 發(fā)展，手機(jī)也能告訴訪問(wèn) Inter。先就目前常見(jiàn)的局域網(wǎng)類型進(jìn)行對(duì)比，從中選擇最適合智能化小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。 （ Metropolis Area Network,簡(jiǎn)稱 MAN） 規(guī)模局限在一座城市的范圍內(nèi)， 10～ 100km 的區(qū)域。 目前局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)。廣域網(wǎng)的典型代表是 Inter 網(wǎng)。 各節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路與中心節(jié)點(diǎn)相連。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 圖 21 星型網(wǎng)絡(luò) 各站點(diǎn)通過(guò) 通信介質(zhì)連成一個(gè)封閉的環(huán)形。 圖 22 環(huán)形網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)中所有的站點(diǎn)共享一條數(shù)據(jù)通道。但介質(zhì)的故障會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，總線網(wǎng)安全性低，監(jiān)控比較困難，增加新站點(diǎn)也不如星型網(wǎng)容易。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，最常用的是樹型網(wǎng)結(jié) 構(gòu)，我采用的是星型樹型相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) OSI 是 Open Systems Interconnection 的英文縮寫，即“開放系統(tǒng)互聯(lián)”。 OSI 模型把聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)喚醒應(yīng)用程序的活 動(dòng)領(lǐng)域劃分為七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、話路層、表示層和應(yīng)用層。我們需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信，定義操作的規(guī)范，解決異種網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)所遇到的兼容性問(wèn)題，只有這樣，才能組成協(xié)調(diào)互通的網(wǎng)絡(luò)。 表 21 OSI 參考模型各層的功能 應(yīng)用層 面向用戶服務(wù) 表示層 數(shù)據(jù)表示 會(huì)話層 會(huì)話控制 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)包遞交信任監(jiān)測(cè) 網(wǎng)絡(luò)層 邏輯地址、路由等 數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)物理地址、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線路存取方法 物理層 電及機(jī)械的有關(guān)定義 1. 物理層：物理層的任務(wù)就是保證點(diǎn)到點(diǎn)鏈路在光、電和機(jī)械上是可以傳送數(shù)據(jù)流的。處理單位是 Bits。 2. 數(shù)據(jù)鏈路層：為區(qū)分和標(biāo)識(shí)不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，引入了物理地址的概念；物理鏈路有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)就是在物理層的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行包裝組織，使有差錯(cuò)的物理鏈路轉(zhuǎn)化成對(duì)沒(méi)有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)鏈路。特征參數(shù)包括：物理地址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤警告機(jī)制、所傳數(shù)據(jù)幀的排序和流控等。通過(guò)邏輯信道技術(shù)， 網(wǎng)絡(luò)層解決了鏈路復(fù)用的問(wèn)題，路由和尋址概念的引入和實(shí)現(xiàn)，使任意兩臺(tái)數(shù)據(jù)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈接起來(lái)。傳輸層面對(duì)的數(shù)據(jù)對(duì)象主要是與會(huì)話層之間的界面端口。 6. 表示層：不同計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所使用的數(shù)據(jù)表示法不同，表示層為異種機(jī)通信提供一種公共語(yǔ)言，完成應(yīng)用層數(shù)據(jù)所需的任何轉(zhuǎn)換，以便能進(jìn)行互操作。 7. 應(yīng)用層：最高層，是直接為應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)的。 在數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸中，發(fā)送方將數(shù)據(jù)送到自己的應(yīng)用層，加上該層的控制信息后傳給表示層；表示層也將數(shù)據(jù)加上自己的標(biāo)識(shí)傳給會(huì)話層；以此類推，每一層都在收到的數(shù)據(jù)上加上本層的控制信息并傳給下一層；最后到達(dá)物理層時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)際 的物理媒體傳到接收方。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)通訊雙方在對(duì)等層必須采用相同的協(xié)議，定義同一種數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)格式，這樣才可能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 表 22 TCP/IP 協(xié)議與七層模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系 應(yīng)用層 應(yīng)用層 表示層 會(huì)話層 傳輸層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)接口層 物理層 OSI 七層模型 TCP/IP TCP/IP 的多數(shù)應(yīng)用協(xié)議將 OSI 應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層的功能合在一起，組成應(yīng)用層，典型協(xié)議有： HTTP、 FTP、 TELNET 等； TCP/UDP 協(xié)議對(duì)應(yīng) OSI 的傳輸層，提供上層數(shù)據(jù)傳輸保障； IP 協(xié)議對(duì)應(yīng) OSI 的網(wǎng)絡(luò)層； TCP/IP 的最底層功能由網(wǎng)絡(luò)接口層實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于 OSI 的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層， TCP/IP 應(yīng)用已有的底層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸，對(duì)該層并未作嚴(yán)格定義。 如果在不同的網(wǎng)絡(luò)間傳送數(shù)據(jù)，由于包格式不同， 導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法傳送，于是網(wǎng)絡(luò)間連接設(shè)備就充當(dāng)“翻譯”的角色，將一種網(wǎng)絡(luò)中的“信息包”轉(zhuǎn)換成另一種網(wǎng)絡(luò)的“信息包”。如果兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的差別程度小，則需轉(zhuǎn)換的層數(shù)也少。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 網(wǎng)絡(luò)間連接設(shè)備 下面簡(jiǎn)單介紹幾種主要的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備 1. 集線器 (HUB) 集線器出現(xiàn)很早、最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。從 HUB 的作用來(lái)看，它不屬于網(wǎng)間連接設(shè)備，而應(yīng)叫做網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。 HUB 分配頻寬，使得每臺(tái)工作站的傳輸速率達(dá)不到 10Mbps。 從功能上分， HUB 可分為下面四種類型 ： 基本型集線器（ Dumb HUB） 一般“基本型” HUB 的面板上均有 LED 狀態(tài)指示燈，具有自動(dòng)診斷故障點(diǎn)的能力，但不具備網(wǎng)絡(luò)管理的功能，故價(jià)格比較便宜。 圖 24 基本集線器 智能型 HUB(Intelligent HUB) 智能型 HUB 除了具有基本型 HUB 的功能外，另外它也具有 SNMP（ Small Network Management Protocol）網(wǎng)管功能：統(tǒng)計(jì)每一接口的數(shù)據(jù)流量、數(shù)據(jù)保密、用戶接口的 Enable/Disable 管制功能、故障排除等。 機(jī)架式 HUB(Chaiss concentrator) 機(jī)架型 HUB 是指 HUB 中包含了數(shù)種可供網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充的模塊（如 10BaseT、TokenRing、 Bridge 等），通常具備 SNMP 網(wǎng)管功能。 目前，由于智能型 HUB 的功能日趨完善，價(jià)格不斷降低，因此機(jī)架式 HUB逐漸被淘汰。例如，假設(shè)第一層 HUB 的頻寬為 10Mbps，則第二層 HUB的頻寬降為 10Mbps/2（使用了兩個(gè)接口 ），而第三層 HUB 的頻寬又是第二層頻寬再除以使用的接口數(shù)。 為了解決此問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)廠商設(shè)計(jì)了“堆棧式”（ Stackable）的 HUB，如圖 ，即用電纜將 HUB 與 HUB 兩兩相接，這樣的連法使各臺(tái) HUB 均被視為同一層級(jí)（即它們的頻寬均一致）。 圖 25 堆棧式 HUB 堆棧式 HUB 的好處除了更適合網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充外，也相對(duì)降低了 Port 的成本。 （ switch） 交換機(jī)的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤校驗(yàn)、幀序列以及流控。 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換概念的提出是對(duì)于共享工作模式的改進(jìn)。也就是說(shuō)，在這種工作方式下，同一 時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上只能傳輸一組數(shù)據(jù)幀的通訊，如果發(fā)生碰撞還得重試。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 圖 26 交換機(jī) 交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。使用交換機(jī)也可以把網(wǎng)絡(luò) “分段 ”，通過(guò)對(duì)照地址表，交換機(jī)只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過(guò)交換機(jī)。 交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對(duì)之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)節(jié)點(diǎn) A 向節(jié)點(diǎn) D 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn) B 可同時(shí)向節(jié)點(diǎn) C 發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。 總之，交換機(jī)是一種基于 MAC 地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 3. 路由器（ router） 路由器的一個(gè)作用是連通不同的網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)作用是選擇信息傳送的線路。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 路由器工作在 OSI 模型的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），因此它與高層協(xié)議有關(guān)；又由于它比網(wǎng)橋更高一層，因此智能性更強(qiáng)。當(dāng)某一鏈路不通時(shí)，路由器會(huì)選擇一條好的鏈路完成通信。 路由器可以深入到數(shù)據(jù)包中，閱讀每個(gè)數(shù)據(jù)包或令牌環(huán)幀中包含的信息，使用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)尋址過(guò)程來(lái)判斷適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。 路由器根據(jù)分類方法的不同可分為：近程路由器和遠(yuǎn)程路由器；內(nèi)部路由器和外部路由器；“靜態(tài)”路由器和“動(dòng)態(tài)”路由器；單協(xié)議路由器和多協(xié)議路由器等。路由器與網(wǎng)橋不同，它并不是使用路徑表來(lái)找到其他網(wǎng)絡(luò) 中指定設(shè)備的地址，而是依靠其它的路由器來(lái)完成此任務(wù)。靜態(tài)路由器需要管理員來(lái)修改所有網(wǎng)絡(luò)的路徑表，它一般只用于小型的網(wǎng)間互連；而動(dòng)態(tài)路由器能根據(jù)指定的路由協(xié)議來(lái)完成修改路由器信息。路由器能夠在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和介質(zhì)之間提供網(wǎng)絡(luò)互連能力，但路由器并不要求在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間維持永久的連接。 此外，當(dāng)某條路徑被拆除或因擁擠阻塞時(shí)，路由器提供一條新路徑。 例如 LAN A 是 Token Ring， LAN B 是 Ether，這時(shí)你就可用路由器將這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，如圖 27 所示： 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 圖 27 4. 網(wǎng)橋（ bridge） 網(wǎng)橋的功能在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)跨度上類似于中繼器，然而它能提供智能化連接服務(wù)， 即根據(jù)幀的終點(diǎn)地址處于哪一網(wǎng)段來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和濾除。當(dāng)兩種相同類型但又使用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連時(shí)，就需要使用橋接器，也就是通常所說(shuō)的網(wǎng)橋。如圖 28 所示： 圖 28 網(wǎng)橋 網(wǎng)橋的工作原理是這樣的：當(dāng)網(wǎng)橋剛安裝時(shí)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各工作站一無(wú)所知。 一旦地址表建完，信息數(shù)據(jù)在通過(guò)網(wǎng)橋時(shí)，網(wǎng)橋就根據(jù) 信息包比較其目地地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)與源地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)是否相同。 網(wǎng)橋?qū)?yīng) OSI 參考模型的第二層（包括物理層與鏈路層）。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 5. 網(wǎng)關(guān)（ gateway） 網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)也和路由器類似，不同的是互連層。 網(wǎng)關(guān)是一種充當(dāng)轉(zhuǎn)換重任的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備。與網(wǎng)橋只是簡(jiǎn)單地傳達(dá)信息不同，網(wǎng)關(guān)對(duì)收到的信息要重新打包，以適應(yīng)目的系統(tǒng)的需求。大多數(shù)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行在 OSI 7 層協(xié)議的頂層 應(yīng)用層。 如圖 29 所示： 圖 29 網(wǎng)關(guān) 6. 中繼器（ repeater） 中繼器工作于 OSI 的物理層，是局域 網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)的中心，它的作用是放大信號(hào)，補(bǔ)償信號(hào)衰減，支持遠(yuǎn)距離的通信。如圖 210 所示： 圖 210 中繼器 中繼器的主要優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格相對(duì)低廉。中繼器工作在物理層，對(duì)于高層協(xié)議完全透明。 ADSL 接入方式 固定電話網(wǎng)用于寬帶接入的主要方 式是非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路 ADSL 信號(hào)的工作頻帶與電話業(yè)務(wù)的工作頻帶不重合，在一條電話線上可以傳送一般語(yǔ)音電話，也可以進(jìn)行 ADSL 寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)， ADSL 系統(tǒng)發(fā)生故障而無(wú)法使用時(shí)，用戶電話不受影響。 但是 ADSL 技術(shù)上缺點(diǎn)十分明顯，由于電纜不同線路信號(hào)之間的相互串?dāng)_以及線路質(zhì)量都對(duì)其有影響， ADSL 樓外也使用非屏蔽雙絞線，對(duì)天氣干擾（如雷擊，下雨等）抗擾能力較差，帶寬可 擴(kuò)展?jié)摿Σ淮蟆? —— HFC 接入方式 HFC 網(wǎng)不僅可以提供原來(lái)的有線電視業(yè)務(wù)，而且可以提供話音，數(shù)據(jù)以及其它交互型業(yè)務(wù)。 其優(yōu)點(diǎn)是可利用目前數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的有線電視用戶，只要簡(jiǎn)單改造就可滿足用戶上網(wǎng)要求。但布線方面的缺點(diǎn)也很多： (1)HFC 網(wǎng)在光纖部分多采用星型網(wǎng)，電纜部分采用樹型結(jié)構(gòu)，對(duì)有線電視傳輸非常好。信息網(wǎng)對(duì)可靠性要求非常高，綜合信息網(wǎng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，卻不能及時(shí)修復(fù)，可能給用戶帶來(lái)無(wú)可彌補(bǔ)的損失。 (2)在電纜分配網(wǎng)的傳輸通道中，有源器件和無(wú)源器件過(guò)多，電纜接頭過(guò)多嚴(yán)重降低了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。要求電纜有很高的常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院