基于電力載波技術(shù)的智能家居網(wǎng)絡(luò)化控制平臺設(shè)計

　　1 引言

　　智能家居是將計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信、控制及布線等技術(shù)應(yīng)用到住宅中，將家中的各種設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，并使用無線遙控、電話或語音等便利的手段使用戶更方便的對家庭設(shè)備進行操控，充分體現(xiàn)了以人為本的生活理念。家居網(wǎng)絡(luò)是將所有的家用電器設(shè)備聯(lián)結(jié)成一個網(wǎng)絡(luò)，是智能家居的核心，它按照一定的通信協(xié)議對各設(shè)備實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)。家庭網(wǎng)絡(luò)的控制可分為有線控制和無線控制，無線控制主要在家庭范圍外，通過電話等無線設(shè)備來控制住宅內(nèi)的電氣設(shè)備，有線控制則用在住宅范圍內(nèi)對電氣設(shè)備的控制。在諸多的有線控制技術(shù)中，電力載波技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。電力載波技術(shù)通過電力線將控制信號傳輸給各電氣設(shè)備，使控制端和家電設(shè)施形成了家居網(wǎng)絡(luò)。電力載波分為高壓載波和低壓載波，高壓載波用于遠程的控制和調(diào)節(jié)，而低壓載波由于其傳輸距離相對較近，主要用于家庭內(nèi)部。電力載波技術(shù)利用電力線作為控制電器的傳輸介質(zhì)，不用重新布線，降低了智能家居的成本，并方便更新和維護。本文通過對X- 10協(xié)議的研究，實現(xiàn)了電力載波技術(shù)在智能家居控制中的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。

　　2 電力載波技術(shù)簡介

　　電力載波通信是在工頻為50Hz的電力輸電線路上傳輸控制信號，以開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對每個控制節(jié)點進行集中的控制。目前應(yīng)用于電力載波上的通訊協(xié)議有 BACnet（BuildingAutomationandControlNetwork）、EBI（EuropeanInstallingBus）、 HBS（HomeBusSystem）以及X-10協(xié)議等等，其中X-10的信號頻率為120kHz，比交流電信號頻率要高的多，因此接收器很容易識別到?；赬-10協(xié)議的智能家居設(shè)計采用電力線載波通信技術(shù)，利用220V的電源線作為信號的傳輸介質(zhì)，在智能家居中X-10協(xié)議也是比較主流的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。

　　2.1 X-10通訊協(xié)議介紹

　　X- 10是國際通用的智能家居電力載波協(xié)議。X-10可以通過電力線實現(xiàn)設(shè)備之間的通信，并對設(shè)備傳送控制命令。1976年英國 PicoElectronics公司提出電力家居控制方案，并且該公司的工程師開發(fā)了X-10協(xié)議并獲得專利。X-10模組引入美國后不僅在技術(shù)上得到了較大的完善，并開始應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域。自此，全球出現(xiàn)了大量智能家居生產(chǎn)廠家，各大電氣公司如西門子、三星等等也都投身于智能家居領(lǐng)域。

　　目前，智能家居技術(shù)大致可分為三類：X-10電力載波、無線射頻、集中布線。相比于后兩種，X-10電力載波由于其發(fā)展時間長、用戶數(shù)量多、升級方便、價格便宜等優(yōu)點使其在這三類智能家居技術(shù)中發(fā)展最為成熟。各廠家采用的通訊技術(shù)也略有不同，但都考慮到X-10技術(shù)應(yīng)用比較成熟，所以X-10電力載波技術(shù)理所當(dāng)然的成為了智能家居中的主流技術(shù)。

　　2.2 X-10通訊原理

　　在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了保證通信雙方能正確而自動地進行數(shù)據(jù)通信，針對通信過程的各種問題，制定了一組約定和規(guī)則，這些約定和規(guī)則的集合稱為協(xié)議。

　　X- 10通過在電力線上發(fā)送和接收信號來實現(xiàn)通訊。因此，X-10系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)射器和接收器?？刂菩盘栍砂l(fā)射器通過電力線傳送給接收器，由接收器對電氣設(shè)備進行控制。X-10的信號是疊加在交流電力線的過零點上的，由于脈沖信號越接近零點則干擾越小，所以將120kHz的編碼信號加載到60Hz 的電力線上，根據(jù)此時有無載波信號來表示傳輸數(shù)據(jù)的“０”和“１”。

　　圖1 X-10信號的過零檢測

　　發(fā)射器和接收器同時檢測電力線的過零點信號以確定數(shù)據(jù)應(yīng)該何時傳送，但是X-10無法區(qū)分過零點時是上升沿還是下降沿。因此，在正弦波的零相位處有 120kHz的脈沖群，而緊隨這一脈沖群之后的1800相位處沒有脈沖群則表示信號“１”。相反，在正弦波的零相位處無脈沖群，而緊隨其后的1800相位處有脈沖群則表示信號“0”，如圖2所示。

　　圖2 “1”和“0”的判定

　　為了使接收器得知何時開始接收發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)，需要設(shè)定一個啟動點，當(dāng)接收器檢測到該啟動信號時就開始接收數(shù)據(jù)。在連續(xù)的三個過零點處都有脈沖群，而接下來的一個過零點沒有脈沖群，表示啟動點生成完畢，其過程如圖3所示。

　　圖3 啟動碼的生成

　　為了線路轉(zhuǎn)送裝置能不錯過任何傳輸信息，X-10讓每個數(shù)據(jù)幀傳輸兩次。一條完整的控制指令由4幀數(shù)據(jù)組成，前兩幀傳輸被控設(shè)備地址，兩幀之間無間隔。后兩幀傳輸控制命令，兩幀之間也無間隔，但前兩幀與后兩針之間有3個周期的間隔，所以每條控制指令需要47個周期。對于50Hz的電力線來說，47個指令周期接近1秒。

　　2.3 基于X-10協(xié)議的智能家居系統(tǒng)

　　X-10是國際通用的智能家居電力載波協(xié)議，如果通信的雙方?jīng)]有共同的通信協(xié)議，通信就不能同步地進行，或者由于數(shù)據(jù)格式的不一致，彼此不能理解對方的數(shù)據(jù)中所包含的信息，使得通信實際上還是不能進行。X-10電力載波在提供電流的同時又可以像網(wǎng)線一樣傳送控制指令，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的控制。

　　基于X-10協(xié)議構(gòu)建的智能家居系統(tǒng)，主要由家庭網(wǎng)關(guān)和分布在家庭各處的符合X-10規(guī)范的家電設(shè)備組成。由于現(xiàn)在市場上大多數(shù)家電產(chǎn)品仍未在其內(nèi)部提供對X-10協(xié)議的支持。因此暫時需要在電力線與家電電源之間增加一個X-10模塊，由網(wǎng)關(guān)對X-10模塊進行控制，間接實現(xiàn)對家電的控制。在系統(tǒng)中為了識別網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備，采用了2位16進制編碼，稱之為地址碼，這樣系統(tǒng)中的所有被控制設(shè)備都被賦予一個唯一地址碼。

　　每個X-10設(shè)備都被分配到一個地址，地址由“房間號”和“設(shè)備號”兩部分組成。房間號的選擇范圍為字母“A-P”，設(shè)備號的選擇范圍為數(shù)字“1-16”。因而在一個基于X-10協(xié)議構(gòu)建的智能家居系統(tǒng)中最多可同時控制16×16＝256個不同地址的X-10設(shè)備，因此這套系統(tǒng)可容納256個不同的地址，可以執(zhí)行的指令包括：on，off，dim，bright，alllightson，allunitsoff。X-10協(xié)議規(guī)范對設(shè)備地址編碼，用于邏輯表示，使用時參照協(xié)議中的轉(zhuǎn)換表直接使用即可。