摘要：本文論述了基于X-10協(xié)議的電力載波技術(shù)在智能家居中的具體應(yīng)用情況。詳細(xì)介紹了X-10協(xié)議的通訊原理、nRF905芯片，并圍繞nRF905芯片設(shè)計了控制平臺。闡述了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計中數(shù)據(jù)收發(fā)的實現(xiàn)過程，并通過實驗證明了方案的可行性。

　　關(guān)鍵詞：電力載波；X-10協(xié)議；智能家居

　　中圖分類號：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

     Control Network Design of Smart Home Based on Electric-network Carrier Technology

                              Linlin Zhang¹, Hongwei Gao²

        ¹⁾ Shenyang Poly Real Estate Group Corporation Limited, Shenyang, 110001

        ²⁾ School of Information Science & Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang, 110159

      Abstract: The detail application of electronic-network carrier technology in smart home based on X-10 protocol is discussed in this paper. The theory of X-10 protocol, nRF905 chip and the control platform based on this chip is introduced. The realization process of hardware and software in data’s send and receive is also introduced, the validity of this strategy is proved by experiment.

     Keywords: Electronic-network carrier; X-10 protocol; Smart home

　　1.引言

　　智能家居是將計算機(jī)、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(jìn)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(yuǎn)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(hù)。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(diǎn)進(jìn)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。基于X-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。

　　2.1X-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(diǎn)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)。

　　2.2X-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(jìn)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(jìn)行控制。X-10的信號是疊加在交流電力線的過零點(diǎn)上的，由于脈沖信號越接近零點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)處都有脈沖群，而接下來的一個過零點(diǎn)沒有脈沖群，表示啟動點(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

　　3智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　智能家居是通過統(tǒng)一的網(wǎng)格總線和控制平臺來控制家庭內(nèi)部電器設(shè)備的系統(tǒng)。設(shè)計系統(tǒng)主要有兩部分組成：發(fā)送模塊和接收模塊。發(fā)送模塊利用單片機(jī)程序?qū)⒅噶畎l(fā)送到接受模塊上，其中包括目標(biāo)設(shè)備地址信息。接收模塊利用單片機(jī)程序?qū)崟r檢測電力線上的X-10信號。當(dāng)檢測到電力線上有信號時，就會把剛剛檢測到的信號內(nèi)所包含的地址信息與自身已經(jīng)預(yù)設(shè)好的地址進(jìn)行比較，如果相等則等待接收下一條X-10控制指令，如果與自身地址不相等，則將該地址信息簡單的拋棄，繼續(xù)等待下一條地址信息的出現(xiàn)。通過相應(yīng)的指令做出對應(yīng)的動作，達(dá)到對設(shè)備的實時控制。

圖4 系統(tǒng)物理模型

　　智能家居是通過統(tǒng)一的網(wǎng)格總線和控制平臺來控制家庭內(nèi)電器設(shè)備的系統(tǒng)。控制網(wǎng)格主要由收發(fā)模塊、阻波器、用電設(shè)備等組成。

　　3.1nRF905芯片介紹

　　nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QFN封裝(5×5mm)，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。其引腳及性能如表1所示。

　　nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定。

表1 nRF905芯片引腳介紹

　　3.2數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

　　當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，必須將nRF905設(shè)置為工作模式。通過SPI接口按時序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905。此時，nRF905的TRX_CE和TX_EN引腳置高位，激發(fā)芯片的ShockBurstTM發(fā)送模式。然后，射頻寄存器自動開啟，數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)之后開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高。

　　AUTO_RETRAN也立即被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低。當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動進(jìn)入空閑模式。

　　ShockBurstTM的工作模式使得當(dāng)數(shù)據(jù)開始發(fā)送后，即使TRX_CE和TRX_EN的引腳發(fā)生變化，都會將該數(shù)據(jù)包發(fā)送完之后再接收下一個數(shù)據(jù)包。

　　3.3數(shù)據(jù)接收模塊

　　首先通過TRX_CE置高、TX_EN置低，將nRF905設(shè)置為ShockBurstTM接收模式，使nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)。若檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高。當(dāng)接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳被置高。此時，數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高。同時微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式。微控制器又通過SPI口，把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低。nRF905此時可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。

　　3.4線路阻波器

　　線路阻波器一般由電感型主線圈，調(diào)諧器以及保護(hù)元件構(gòu)成，直接串接在高壓輸電線中載波信號連接點(diǎn)與相臨的電力系統(tǒng)元件之間，來防止傳輸于外界電力線的信號干擾。阻波器按電路諧調(diào)方式分類，主要分單雙頻，頻帶及無調(diào)諧，圖4為單頻調(diào)和頻帶調(diào)諧阻波器電路圖。

圖4 阻波器電路圖

　　4智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　進(jìn)入主程序入口后，首先對控制器進(jìn)行初始化，然后對X-10進(jìn)行過零檢測。分別接收地址信號和控制命令，接受到X-10信號后查地址指令表，將該地址與存儲地址進(jìn)行比對，若匹配則執(zhí)行控制命令，若不匹配則重新接收信號。

　　5結(jié)論

　　X-10電力載波技術(shù)是針對智能家居網(wǎng)絡(luò)化控制平臺開發(fā)的通訊協(xié)議，由于其性價比高和技術(shù)成熟穩(wěn)定的特點(diǎn)，在智能家居的應(yīng)用中有廣泛的應(yīng)用。本文以該協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化控制平臺，充分利用了電力線和網(wǎng)絡(luò)資源，并通過設(shè)計一個簡單的照明系統(tǒng)驗證了X-10電力載波在智能家居應(yīng)用中的可行性。

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　　作者簡介：

　　張琳琳（1981－）,女,工程師，目前主要從事建筑設(shè)計與智能建筑等方面的研究。

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