電力線載波技術(shù)及兩種協(xié)議在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化、個性化的特征。它是利用多種通訊手段將家庭中的各種設(shè)備有機地連接在一起。電力線載波以電力線路為傳輸通道，通過載波方式將信號進(jìn)行高速傳輸，是一種不需要線路投資的通信方式。在智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，基于電力線載波技術(shù)的X10協(xié)議及PLCBUS協(xié)議有廣泛的應(yīng)用。筆者對X10和PLCBUS協(xié)議及兩協(xié)議在組成智能家居控制網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 智能家居概述

智能家居，或稱智能住宅（ SmartHome, intelligent home），是指利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)（家庭各種信息設(shè)備、自動化設(shè)備、家用電器、安防裝置、能源設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)施等）通過一定的通訊技術(shù)有機地結(jié)合在一起，形成一個家庭智能化系統(tǒng)，通過監(jiān)視、控制和管理，讓家居生活更加舒適、安全、經(jīng)濟、有效。與普通家居相比，由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通。智能家居強調(diào)人的主觀能動性，重視人與居住環(huán)境的協(xié)調(diào)。

智能家居總體結(jié)構(gòu)分為3層： 應(yīng)用層、家庭網(wǎng)絡(luò)層、物理介質(zhì)層。應(yīng)用層包含家庭自動化、網(wǎng)絡(luò)家電、信息家電； 家庭網(wǎng)絡(luò)層包含控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、音視頻網(wǎng)絡(luò)； 物理介質(zhì)層是各種傳輸媒質(zhì)，如： 電力線、雙絞線、光纖、電話線、無線等。

家庭自動化包括環(huán)境控制、照明控制、安防控制、能源控制、內(nèi)部監(jiān)視等多個方面，是智能家居的主要內(nèi)容； 網(wǎng)絡(luò)家電通常是指增加通訊功能的傳統(tǒng)家電； 信息家電是新興的數(shù)字化家庭設(shè)施，如計算機、機頂盒、游戲設(shè)備、數(shù)字電話等。家庭網(wǎng)絡(luò)一般就是將家庭各子系統(tǒng)連接在一起的網(wǎng)絡(luò)，是各部分相互通訊協(xié)同工作的基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)對家庭自動化設(shè)備控制、數(shù)據(jù)通訊、對外連接功能。

2 家庭網(wǎng)絡(luò)的控制部分- - 智能家居的核心

家庭網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)住宅的智能化、信息化的基本必需平臺。家庭網(wǎng)絡(luò)是在家庭范圍內(nèi)（可擴展至鄰居、小區(qū)）將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網(wǎng)相連接的一種新技術(shù)，是將所有的家庭電氣設(shè)施聯(lián)結(jié)成一個整體網(wǎng)絡(luò)，使每個家用電器成為整體中的一個成員； 按照一定的通信協(xié)議，實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該容納安全、照明、環(huán)境、能源管理、公用設(shè)施（水、電、煤氣等）、計算機和娛樂等一系列家電和電器設(shè)施，具有自動調(diào)節(jié)、資源共享等功能。

家庭網(wǎng)絡(luò)從技術(shù)上要完成3個方面信息鏈路的實現(xiàn)，第一，提供寬帶的信息接口； 第二，提供家庭內(nèi)部的通信，資源共享； 第三，為家庭設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)提供信息鏈接。前兩項的通訊對數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)延遲的要求較高，第3項對數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)延遲的要求較低。而通過家庭網(wǎng)絡(luò)對家電、智能化的保安監(jiān)控系統(tǒng)、燈光、能源、住宅環(huán)境等系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，最能夠滿足用戶的直接需求，不僅是智能家居的直接表現(xiàn)，同時也是智能家居的核心內(nèi)容。在家庭網(wǎng)絡(luò)中具有上述控制監(jiān)視功能的部分可稱為家庭網(wǎng)絡(luò)的控制部分。

3 家庭網(wǎng)絡(luò)控制部分的應(yīng)用技術(shù)

家庭網(wǎng)絡(luò)的控制部分可以通過多種媒質(zhì)，按照物理實現(xiàn)的方式分為有線和無線兩大類。有線方案主要包括： 總線制，電力線載波等； 無線方案主要包括： 紅外線連接，無線電連接、RF技術(shù)連接和基于PC的無線連接等。

3. 1 集中布線技術(shù)（總線制）

單獨布設(shè)家庭網(wǎng)絡(luò)線路，利用弱電控制線來實現(xiàn)對家電或燈光的控制及信息傳輸，以前主要應(yīng)用于樓宇智能化控制，因為單獨布線，所以信號最穩(wěn)定，適合于樓宇和小區(qū)智能化等大區(qū)域范圍的控制，現(xiàn)部分應(yīng)用于別墅智能化，但一般設(shè)置安裝比較復(fù)雜，造價較高，工期較長，只適用新裝修用戶。

3. 2 無線射頻（Home RF）技術(shù)

利用點對點的射頻技術(shù)，實現(xiàn)對家電和燈光的控制，安裝設(shè)置都比較方便，主要應(yīng)用于實現(xiàn)對某些特定電器或燈光的控制，但系統(tǒng)功能比較弱，控制方式比較單一，且易受周圍無線設(shè)備環(huán)境及阻礙物干擾； 適用于新裝修戶和已裝修戶。

3. 3 電力載波

主要利用家庭內(nèi)部現(xiàn)有的電力線傳輸控制信號，從而實現(xiàn)對家電和燈光的控制和管理，安裝設(shè)置比較簡單，很多設(shè)備都是即插即用，可以隨意按需選配產(chǎn)品，而且可以不斷智能化升級，功能相對比較強大而且實用，價格適中，比較適合大眾化消費，技術(shù)非常成熟，已有25年左右的歷史，適用于新裝修戶和已裝修戶，是比較健康、安全、環(huán)保的智能家居技術(shù)。

4 電力載波技術(shù)具體分析

由于家庭網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的協(xié)議和功能較多，采用單一網(wǎng)絡(luò)難以完成，一般是以一種通訊技術(shù)為主，其他通訊技術(shù)為補充。當(dāng)前的家庭網(wǎng)絡(luò)控制的主要功能是： 實現(xiàn)照明控制、安防控制、環(huán)境控制、能源控制、遠(yuǎn)程通訊等功能，控制信號的傳輸和反饋要求帶寬低，對延時不敏感，以電力載波通訊技術(shù)作為主要通訊手段可快速實現(xiàn)對上述方面的全方位控制，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊管理，同時具有其他兩種通訊介質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢。

4. 1 X10協(xié)議

X10協(xié)議是由英國PICO E lectronics公司的工程師在20世紀(jì)70年代后期開發(fā)并獲得專利的，X10系統(tǒng)由三部分組成，即發(fā)射器、接收器和系統(tǒng)保障設(shè)備。發(fā)射器通過電力線發(fā)射控制信號給接收器，由接收器對被控器件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。X10信號根據(jù)電力線信號正負(fù)過零點處120 kHz脈沖信號出現(xiàn)與否來進(jìn)行傳輸。利用該電力線網(wǎng)絡(luò)做載體傳輸控制信號，將120 kH z的編碼信號加載到60H z（我國是50H z）的電力線上，有載波信號表示數(shù)據(jù)"1", 無載波信號表示數(shù)據(jù)" 0" （在正弦波的0 相位處有120 kH z脈沖群，并且緊隨其后的？？相位處無脈沖群則表示" 1"信號，如果在正弦波的0相位處沒有脈沖群，并且緊隨其后的？？相位處有脈沖群則表示" 0"信號） , 如圖1所示。

由發(fā)射設(shè)備將X10信號發(fā)送給接收器，而每個接收設(shè)備都預(yù)先設(shè)定了一個地址碼。地址碼是由房間碼（A ~ P）和單元碼（ 1~ 16）組成，有了X10電力線載波通信協(xié)議，家里所有接到電力線上的設(shè)備幾乎都能控制。系統(tǒng)保障設(shè)備主要是由于電力線干擾問題，用來檢測和解決電力線噪音問題的一些設(shè)備，主要目的是保障X10信號在電力線上傳輸?shù)姆€(wěn)定與有效強度，從而保障X10系統(tǒng)運作正常。

X10 系統(tǒng)的突出優(yōu)點：

①安裝方便（采用電力線介質(zhì)通訊，無需另布線）； ②操作簡單（只需要用戶在撥號盤上設(shè)置地址即可）；③價廉物美，經(jīng)濟實用；④使用簡便、控制靈活；⑤按需選配，升級空間大（系統(tǒng)沒有主機、中心總控制臺，組建系統(tǒng)就像搭積木，可以按照用戶的需要量體裁衣選配產(chǎn)品，它可以不斷擴展升級的特點可以讓用戶分階段的將系統(tǒng)的功能完善，不斷提升生活的檔次）；⑥與現(xiàn)有的系統(tǒng)兼容性比較好，互不沖突；⑦ 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，高級控制： X10是一個開放、標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，可以和很多高級設(shè)備接入，實現(xiàn)更高級的智能家居控制方式。

X10技術(shù)也存在致命的缺點： 傳送數(shù)據(jù)的速率慢，其尋址能力弱，傳輸介質(zhì)單一。

圖1 載波信號示意圖

4. 2 PLCBUS協(xié)議

由于X10技術(shù)在現(xiàn)代智能家居領(lǐng)域發(fā)展的局限性，針對其傳輸距離短、抗干擾能力、雙向通訊可行性差、地址少等缺點，開發(fā)了具有代表性的PLCBUS技術(shù)。PLCBUS技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種電力載波通訊技術(shù)，英文名稱叫做Pulse PositionModulation （ PPM） 脈沖相位調(diào)制法。它利用電力線的正弦波作為同步信號，在4個固定的時序中發(fā)送瞬間電脈沖傳遞信號。系統(tǒng)主要由三部分組成，即發(fā)射器、接收器和系統(tǒng)配套設(shè)備。發(fā)射器主要作用是通過電力線發(fā)射PLCBUS控制信號給接收器，通過對接收器的控制，從而達(dá)到間接控制燈及電器設(shè)備的目的。接收器主要作用是接收來自電力線的PLCBU S控制信號，并執(zhí)行相關(guān)控制命令，從而達(dá)到燈及電器控制的目的。由于PLCBUS的PPM 通訊方式的特殊性，PLCBUS的接收器可以很輕松簡單的還原出PLCBUS 的編碼。系統(tǒng)配套設(shè)備主要是為了配合發(fā)射器及接收器設(shè)備，輔助實現(xiàn)控制目的。

PLCBUS信號是通過給一個電容進(jìn)行高壓充電，然后在一個很精確的時間里將電容的電量釋放到電力線上。這種快速的電容放電會在電力線上產(chǎn)生一個瞬間的能量脈沖，因而PLCBUS信號可以傳遞得很遠(yuǎn)。

每半個50H z的正弦波周期可以傳遞一個PLCBUS脈沖信號，PLCBUS脈沖信號總是出現(xiàn)在半個正弦周期里的4個固定位置中的一個位置。每個位置可以搭載2 b的信息，因此在50Hz的電力線上，1 s可以傳輸200 b的數(shù)據(jù)。PLCBUS脈沖信號正好處于電力線半波的后半個周期，因為后半個周期處于能量下降區(qū)域，在這個區(qū)域的電力線噪音要比前半個周期小很多，而X10處于前半個周期。如圖2所示。

圖2 PLCBUS 脈沖信號

PLCBUS技術(shù)的優(yōu)點：①高度可靠，萬無一失。PLCBUS技術(shù)采用新的電力線加載技術(shù)，利用低頻、廣譜技術(shù)產(chǎn)生一種非常超強的電力通信信號，使其具有強抗干擾性； 它的通信方式要可靠得多，通常在信號收發(fā)的傳輸中，PLCBUS技術(shù)接收到的比率是X10技術(shù)的100~ 1 000倍；②超級速度，即控即現(xiàn)。

PLCBUS的信號傳輸速度是X10技術(shù)的20~ 40倍。這相當(dāng)于每秒鐘可完成10個完整指令，平均每條指令從發(fā)射到執(zhí)行在0. 1 s之內(nèi)，幾乎是即控即現(xiàn)；③雙向通信，狀態(tài)反饋。雙向通信的功能，能讓被控制設(shè)備真實反饋開關(guān)狀態(tài)信號，以便確定控制命令是否真正被正確執(zhí)行。PLCBUS技術(shù)100% 雙向通信功能，也可實現(xiàn)多種設(shè)置方式和用電腦來進(jìn)行控制；④ 地址豐富；⑤傳輸距離遠(yuǎn)。

PLCBUS技術(shù)設(shè)備可以與X10, CEBus, 和LonW orks設(shè)備兼容，完全不會產(chǎn)生任何信號沖突。它采用了與寬帶、窄頻和擴頻技術(shù)完全不同的頻率范圍。并且PLCBUS技術(shù)的通信方式與X10, CEBus, Lon-W orks的調(diào)制解調(diào)技術(shù)也完全不同。而且，只要安裝了X10與PLCBUS信號轉(zhuǎn)換器，就能輕松實現(xiàn)X10系統(tǒng)與PLCBUS系統(tǒng)的相互通信與控制。

5 結(jié) 論

X10和PLCBUS是利用電力線載波通訊技術(shù)針對智能家居開發(fā)的通訊協(xié)議，具有造價低廉，簡單穩(wěn)定的特點，其通訊速率作為智能家居的控制網(wǎng)絡(luò)部分，傳送動作或者指令已經(jīng)足夠，可全面實現(xiàn)家庭自動化。X10和PLCBU S協(xié)議各有特點，采用此類通訊方式的智能家居產(chǎn)品具有廣闊的市場前景。