x10和PLCBUS技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用與分析 - 全文

　　摘要： 從電力線載波類、無(wú)線射頻類、總線類三種按傳輸介質(zhì)分類的協(xié)議，分析智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，重點(diǎn)闡述分析了電力線載波類的x10協(xié)議、PLCBUS協(xié)議以及兩協(xié)議在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，認(rèn)為基于電力線載波技術(shù)組成智能家居控制網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的發(fā)展前景。

　　智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化、個(gè)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(jī)地連接在一起。電力線載波以電力線路為傳輸通道，通過(guò)載波方式將信號(hào)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(duì)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(shì)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(jì)算機(jī)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(dòng)化設(shè)備、家用電器、安防裝置、能源設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施等）通過(guò)一定的通訊技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，形成一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)視、控制和管理，讓家居生活更加舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有效。與普通家居相比，由原來(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，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(qiáng)調(diào)人的主觀能動(dòng)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(dòng)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(wú)線等。

　　家庭自動(dòng)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(gè)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(jì)算機(jī)、機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)家庭自動(dòng)化設(shè)備控制、數(shù)據(jù)通訊、對(duì)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(shí)現(xiàn)住宅的智能化、信息化的基本必需平臺(tái)。家庭網(wǎng)絡(luò)是在家庭范圍內(nèi)（可擴(kuò)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(gè)整體網(wǎng)絡(luò)，使每個(gè)家用電器成為整體中的一個(gè)成員； 按照一定的通信協(xié)議，實(shí)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(jì)算機(jī)和娛樂(lè)等一系列家電和電器設(shè)施，具有自動(dòng)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(gè)方面信息鏈路的實(shí)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(xiàng)的通訊對(duì)數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)延遲的要求較高，第3項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)延遲的要求較低。而通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shí)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(guò)多種媒質(zhì)，按照物理實(shí)現(xiàn)的方式分為有線和無(wú)線兩大類。有線方案主要包括： 總線制，電力線載波等； 無(wú)線方案主要包括： 紅外線連接，無(wú)線電連接、RF技術(shù)連接和基于PC的無(wú)線連接等。

　　3. 1 集中布線技術(shù)（總線制）

　　單獨(dú)布設(shè)家庭網(wǎng)絡(luò)線路，利用弱電控制線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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?yàn)閱为?dú)布線，所以信號(hào)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(jià)較高，工期較長(zhǎng)，只適用新裝修用戶。

　　3. 2 無(wú)線射頻（Home RF）技術(shù)

　　利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)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(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電和燈光的控制和管理，安裝設(shè)置比較簡(jiǎn)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(jí)，功能相對(duì)比較強(qiáng)大而且實(shí)用，價(jià)格適中，比較適合大眾化消費(fèi)，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)。

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　　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(bǔ)充。當(dāng)前的家庭網(wǎng)絡(luò)控制的主要功能是： 實(shí)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(hào)的傳輸和反饋要求帶寬低，對(duì)延時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)上述方面的全方位控制，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊管理，同時(shí)具有其他兩種通訊介質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　4. 1 X10協(xié)議

　　X10協(xié)議是由英國(guó)PICO E lectronics公司的工程師在20世紀(jì)70年代后期開(kāi)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(guò)電力線發(fā)射控制信號(hào)給接收器，由接收器對(duì)被控器件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。X10信號(hào)根據(jù)電力線信號(hào)正負(fù)過(guò)零點(diǎn)處120 kHz脈沖信號(hào)出現(xiàn)與否來(lái)進(jìn)行傳輸。利用該電力線網(wǎng)絡(luò)做載體傳輸控制信號(hào)，將120 kH z的編碼信號(hào)加載到60H z（我國(guó)是50H z）的電力線上，有載波信號(hào)表示數(shù)據(jù)“1”， 無(wú)載波信號(hào)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(wú)脈沖群則表示“ 1”信號(hào)，如果在正弦波的0相位處沒(méi)有脈沖群，并且緊隨其后的？？相位處有脈沖群則表示“ 0”信號(hào)） ， 如圖1所示。

　　由發(fā)射設(shè)備將X10信號(hào)發(fā)送給接收器，而每個(gè)接收設(shè)備都預(yù)先設(shè)定了一個(gè)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(wèn)題，用來(lái)檢測(cè)和解決電力線噪音問(wèn)題的一些設(shè)備，主要目的是保障X10信號(hào)在電力線上傳輸?shù)姆€(wěn)定與有效強(qiáng)度，從而保障X10系統(tǒng)運(yùn)作正常。

　　X10 系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)：

　?、侔惭b方便（采用電力線介質(zhì)通訊，無(wú)需另布線）； ②操作簡(jiǎn)單（只需要用戶在撥號(hào)盤上設(shè)置地址即可）；③價(jià)廉物美，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；④使用簡(jiǎn)便、控制靈活；⑤按需選配，升級(jí)空間大（系統(tǒng)沒(méi)有主機(jī)、中心總控制臺(tái)，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(kuò)展升級(jí)的特點(diǎn)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(jí)控制： X10是一個(gè)開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，可以和很多高級(jí)設(shè)備接入，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的智能家居控制方式。

　　X10技術(shù)也存在致命的缺點(diǎn)： 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(hào)示意圖

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　　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(duì)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(diǎn)，開(kāi)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(lái)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(hào)，在4個(gè)固定的時(shí)序中發(fā)送瞬間電脈沖傳遞信號(hào)。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(guò)電力線發(fā)射PLCBUS控制信號(hào)給接收器，通過(guò)對(duì)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(lái)自電力線的PLCBU S控制信號(hào)，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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)控制目的。

　　PLCBUS信號(hào)是通過(guò)給一個(gè)電容進(jìn)行高壓充電，然后在一個(gè)很精確的時(shí)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(huì)在電力線上產(chǎn)生一個(gè)瞬間的能量脈沖，因而PLCBUS信號(hào)可以傳遞得很遠(yuǎn)。

　　每半個(gè)50H z的正弦波周期可以傳遞一個(gè)PLCBUS脈沖信號(hào)，PLCBUS脈沖信號(hào)總是出現(xiàn)在半個(gè)正弦周期里的4個(gè)固定位置中的一個(gè)位置。每個(gè)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(hào)正好處于電力線半波的后半個(gè)周期，因?yàn)楹蟀雮€(gè)周期處于能量下降區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域的電力線噪音要比前半個(gè)周期小很多，而X10處于前半個(gè)周期。如圖2所示。

　　圖2 PLCBUS 脈沖信號(hào)

　　PLCBUS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①高度可靠，萬(wàn)無(wú)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(qiáng)的電力通信信號(hào)，使其具有強(qiáng)抗干擾性； 它的通信方式要可靠得多，通常在信號(hào)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(jí)速度，即控即現(xiàn)。

　　PLCBUS的信號(hào)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(gè)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(shí)反饋開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，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(shí)現(xiàn)多種設(shè)置方式和用電腦來(lái)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(huì)產(chǎn)生任何信號(hào)沖突。它采用了與寬帶、窄頻和擴(kuò)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(hào)轉(zhuǎn)換器，就能輕松實(shí)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(duì)智能家居開(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議，具有造價(jià)低廉，簡(jiǎn)單穩(wěn)定的特點(diǎn)，其通訊速率作為智能家居的控制網(wǎng)絡(luò)部分，傳送動(dòng)作或者指令已經(jīng)足夠，可全面實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化。X10和PLCBU S協(xié)議各有特點(diǎn)，采用此類通訊方式的智能家居產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。