基于電力載波技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化智能家居系統的設計

　　1 引言

　　智能家居是將計算機、網(wǎng)絡(luò )、通信、控制及布線(xiàn)等技術(shù)應用到住宅中，將家中的各種設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接在一起，并使用無(wú)線(xiàn)遙控、電話(huà)或語(yǔ)音等便利的手段使用戶(hù)更方便的對家庭設備進(jìn)行操控，充分體現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備聯(lián)結成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，是智能家居的核心，它按照一定的通信協(xié)議對各設備實(shí)現控制和調節。家庭網(wǎng)絡(luò )的控制可分為有線(xiàn)控制和無(wú)線(xiàn)控制，無(wú)線(xiàn)控制主要在家庭范圍外，通過(guò)電話(huà)等無(wú)線(xiàn)設備來(lái)控制住宅內的電氣設備，有線(xiàn)控制則用在住宅范圍內對電氣設備的控制。在諸多的有線(xiàn)控制技術(shù)中，電力載波技術(shù)應用較為廣泛。電力載波技術(shù)通過(guò)電力線(xiàn)將控制信號傳輸給各電氣設備，使控制端和家電設施形成了家居網(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節，而低壓載波由于其傳輸距離相對較近，主要用于家庭內部。電力載波技術(shù)利用電力線(xiàn)作為控制電器的傳輸介質(zhì)，不用重新布線(xiàn)，降低了智能家居的成本，并方便更新和維護。本文通過(guò)對X-10協(xié)議的研究，實(shí)現了電力載波技術(shù)在智能家居控制中的網(wǎng)絡(luò )化應用。

　　2 電力載波技術(shù)簡(jiǎn)介

　　電力載波通信是在工頻為50Hz的電力輸電線(xiàn)路上傳輸控制信號，以開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )結構對每個(gè)控制節點(diǎn)進(jìn)行集中的控制。目前應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)議的智能家居設計采用電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，利用220V的電源線(xiàn)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(guò)電力線(xiàn)實(shí)現設備之間的通信，并對設備傳送控制命令。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(kāi)發(fā)了X-10協(xié)議并獲得專(zhuān)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(kāi)始應用于智能家居領(lǐng)域。自此，全球出現了大量智能家居生產(chǎn)廠(chǎng)家，各大電氣公司如西門(mén)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(lèi)：X-10電力載波、無(wú)線(xiàn)射頻、集中布線(xiàn)。相比于后兩種，X-10電力載波由于其發(fā)展時(shí)間長(cháng)、用戶(hù)數量多、升級方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)使其在這三類(lèi)智能家居技術(shù)中發(fā)展最為成熟。各廠(chǎng)家采用的通訊技術(shù)也略有不同，但都考慮到X-10技術(shù)應用比較成熟，所以X-10電力載波技術(shù)理所當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 )系統中，為了保證通信雙方能正確而自動(dòng)地進(jìn)行數據通信，針對通信過(guò)程的各種問(wèn)題，制定了一組約定和規則，這些約定和規則的集合稱(chēng)為協(xié)議。

　　X-10通過(guò)在電力線(xiàn)上發(fā)送和接收信號來(lái)實(shí)現通訊。因此，X-10系統主要由兩部分組成，即發(fā)射器和接收器?？刂菩盘栍砂l(fā)射器通過(guò)電力線(xiàn)傳送給接收器，由接收器對電氣設備進(jìn)行控制。X-10的信號是疊加在交流電力線(xiàn)的過(guò)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(xiàn)上，根據此時(shí)有無(wú)載波信號來(lái)表示傳輸數據的“0”和“1”。

　　圖1 X-10信號的過(guò)零檢測

　　發(fā)射器和接收器同時(shí)檢測電力線(xiàn)的過(guò)零點(diǎn)信號以確定數據應該何時(shí)傳送，但是X-10無(wú)法區分過(guò)零點(diǎn)時(shí)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(méi)有脈沖群則表示信號“1”。相反，在正弦波的零相位處無(wú)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(shí)開(kāi)始接收發(fā)射器發(fā)出的數據，需要設定一個(gè)啟動(dòng)點(diǎn)，當接收器檢測到該啟動(dòng)信號時(shí)就開(kāi)始接收數據。在連續的三個(gè)過(guò)零點(diǎn)處都有脈沖群，而接下來(lái)的一個(gè)過(guò)零點(diǎn)沒(méi)有脈沖群，表示啟動(dòng)點(diǎn)生成完畢，其過(guò)程如圖3所示。

　　圖3 啟動(dòng)碼的生成

　　為了線(xiàn)路轉送裝置能不錯過(guò)任何傳輸信息，X-10讓每個(gè)數據幀傳輸兩次。一條完整的控制指令由4幀數據組成，前兩幀傳輸被控設備地址，兩幀之間無(wú)間隔。后兩幀傳輸控制命令，兩幀之間也無(wú)間隔，但前兩幀與后兩針之間有3個(gè)周期的間隔，所以每條控制指令需要47個(gè)周期。對于50Hz的電力線(xiàn)來(lái)說(shuō)，47個(gè)指令周期接近1秒。

　　2.3 基于X-10協(xié)議的智能家居系統

　　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，或者由于數據格式的不一致，彼此不能理解對方的數據中所包含的信息，使得通信實(shí)際上還是不能進(jìn)行。X-10電力載波在提供電流的同時(shí)又可以像網(wǎng)線(xiàn)一樣傳送控制指令，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的控制。

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

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

　　3 智能家居系統硬件設計

　　智能家居是通過(guò)統一的網(wǎng)格總線(xiàn)和控制平臺來(lái)控制家庭內部電器設備的系統。設計系統主要有兩部分組成：發(fā)送模塊和接收模塊。發(fā)送模塊利用單片機程序將指令發(fā)送到接受模塊上，其中包括目標設備地址信息。接收模塊利用單片機程序實(shí)時(shí)檢測電力線(xiàn)上的X-10信號。當檢測到電力線(xiàn)上有信號時(shí)，就會(huì )把剛剛檢測到的信號內所包含的地址信息與自身已經(jīng)預設好的地址進(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(jiǎn)單的拋棄，繼續等待下一條地址信息的出現。通過(guò)相應的指令做出對應的動(dòng)作，達到對設備的實(shí)時(shí)控制。

　　圖4 系統物理模型

　　智能家居是通過(guò)統一的網(wǎng)格總線(xiàn)和控制平臺來(lái)控制家庭內電器設備的系統?？刂凭W(wǎng)格主要由收發(fā)模塊、阻波器、用電設備等組成。

　　3.1 nRF905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)和醫學(xué))頻道，頻道之間的轉換時(shí)間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)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，兩種節能模式分別是關(guān)機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定。

　　表1 nRF905芯片引腳介紹

　　3.2 數據發(fā)送模塊

　　當有數據要發(fā)送時(shí)，必須將nRF905設置為工作模式。通過(guò)SPI接口按時(shí)序把接收機的地址和要發(fā)送的數據送傳給nRF905。此時(shí)，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(dòng)開(kāi)啟，數據打包(加字頭和CRC校驗碼)之后開(kāi)始發(fā)送數據包。當數據發(fā)送完成，數據準備好引腳被置高。

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

　　ShockBurstTM的工作模式使得當數據開(kāi)始發(fā)送后，即使TRX_CE和TRX_EN的引腳發(fā)生變化，都會(huì )將該數據包發(fā)送完之后再接收下一個(gè)數據包。

　　3.3 數據接收模塊

　　首先通過(guò)TRX_CE置高、TX_EN置低，將nRF905設置為ShockBurstTM接收模式，使nRF905不斷監測，等待接收數據。若檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測引腳被置高。當接收到一個(gè)相匹配的地址，地址匹配引腳被置高。此時(shí)，數據包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數據準備好引腳置高。同時(shí)微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式。微控制器又通過(guò)SPI口，把數據移到微控制器內。當所有的數據接收完畢，nRF905把數據準備好引腳和地址匹配引腳置低。nRF905此時(shí)可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機模式。

　　3.4 線(xiàn)路阻波器

　　線(xiàn)路阻波器一般由電感型主線(xiàn)圈，調諧器以及保護元件構成，直接串接在高壓輸電線(xiàn)中載波信號連接點(diǎn)與相臨的電力系統元件之間，來(lái)防止傳輸于外界電力線(xiàn)的信號干擾。阻波器按電路諧調方式分類(lèi)，主要分單雙頻，頻帶及無(wú)調諧，圖4為單頻調和頻帶調諧阻波器電路圖。

　　圖4 阻波器電路圖

　　4 智能家居系統軟件設計

　　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(guò)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，若匹配則執行控制命令，若不匹配則重新接收信號。

　　5 結論

　　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(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議，由于其性?xún)r(jià)比高和技術(shù)成熟穩定的特點(diǎn)，在智能家居的應用中有廣泛的應用。本文以該協(xié)議為基礎構建了網(wǎng)絡(luò )化控制平臺，充分利用了電力線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )資源，并通過(guò)設計一個(gè)簡(jiǎn)單的照明系統驗證了X-10電力載波在智能家居應用中的可行性。