基于電力載波技術的網絡化智能家居系統(tǒng)的設計

　　1 引言

　　智能家居是將計算機、網絡、通信、控制及布線等技術應用到住宅中，將家中的各種設備通過網絡連接在一起，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備進行操控，充分體現了以人為本的生活理念。家居網絡是將所有的家用電器設備聯結成一個網絡，是智能家居的核心，它按照一定的通信協(xié)議對各設備實現控制和調節(jié)。家庭網絡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，通過電話等無線設備來控制住宅內的電氣設備，有線控制則用在住宅范圍內對電氣設備的控制。在諸多的有線控制技術中，電力載波技術應用較為廣泛。電力載波技術通過電力線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絡。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(jié)，而低壓載波由于其傳輸距離相對較近，主要用于家庭內部。電力載波技術利用電力線作為控制電器的傳輸介質，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，實現了電力載波技術在智能家居控制中的網絡化應用。

　　2 電力載波技術簡介

　　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，以開放式網絡結構對每個控制節(jié)點進行集中的控制。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載波通信技術，利用220V的電源線作為信號的傳輸介質，在智能家居中X-10協(xié)議也是比較主流的網絡通訊協(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上得到了較大的完善，并開始應用于智能家居領域。自此，全球出現了大量智能家居生產廠家，各大電氣公司如西門子、三星等等也都投身于智能家居領域。

　　目前，智能家居技術大致可分為三類：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中發(fā)展最為成熟。各廠家采用的通訊技術也略有不同，但都考慮到X-10技術應用比較成熟，所以X-10電力載波技術理所當然的成為了智能家居中的主流技術。

　　2.2 X-10通訊原理

　　在網絡系統(tǒng)中，為了保證通信雙方能正確而自動地進行數據通信，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，根據此時有無載波信號來表示傳輸數據的“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據應該何時傳送，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)出的數據，需要設定一個啟動點，當接收器檢測到該啟動信號時就開始接收數據。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

　　為了線路轉送裝置能不錯過任何傳輸信息，X-10讓每個數據幀傳輸兩次。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，如果通信的雙方沒有共同的通信協(xié)議，通信就不能同步地進行，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線一樣傳送控制指令，從而實現網絡化的控制。

　　基于X-10協(xié)議構建的智能家居系統(tǒng)，主要由家庭網關和分布在家庭各處的符合X-10規(guī)范的家電設備組成。由于現在市場上大多數家電產品仍未在其內部提供對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,由網關對X-10模塊進行控制，間接實現對家電的控制。在系統(tǒng)中為了識別網絡中的不同設備，采用了2位16進制編碼，稱之為地址碼，這樣系統(tǒng)中的所有被控制設備都被賦予一個唯一地址碼。

　　每個X-10設備都被分配到一個地址，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”。因而在一個基于X-10協(xié)議構建的智能家居系統(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)范對設備地址編碼，用于邏輯表示，使用時參照協(xié)議中的轉換表直接使用即可。

　　3 智能家居系統(tǒng)硬件設計

　　智能家居是通過統(tǒng)一的網格總線和控制平臺來控制家庭內部電器設備的系統(tǒng)。設計系統(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時檢測電力線上的X-10信號。當檢測到電力線上有信號時，就會把剛剛檢測到的信號內所包含的地址信息與自身已經預設好的地址進行比較，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。通過相應的指令做出對應的動作，達到對設備的實時控制。

　　圖4 系統(tǒng)物理模型

　　智能家居是通過統(tǒng)一的網格總線和控制平臺來控制家庭內電器設備的系統(tǒng)?？刂凭W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)、科學和醫(yī)學)頻道，頻道之間的轉換時間小于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)能模式分別是關機模式和空閑模式。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 數據發(fā)送模塊

　　當有數據要發(fā)送時，必須將nRF905設置為工作模式。通過SPI接口按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數據送傳給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，數據打包(加字頭和CRC校驗碼)之后開始發(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)送過程完成，自動進入空閑模式。

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

　　3.3 數據接收模塊

　　首先通過TRX_CE置高、TX_EN置低，將nRF905設置為ShockBurstTM接收模式，使nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數據。若檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高。當接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳被置高。此時，數據包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數據準備好引腳置高。同時微控制器把TRX_CE置低，nRF905進入空閑模式。微控制器又通過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此時可以進入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關機模式。

　　3.4 線路阻波器

　　線路阻波器一般由電感型主線圈，調諧器以及保護元件構成，直接串接在高壓輸電線中載波信號連接點與相臨的電力系統(tǒng)元件之間，來防止傳輸于外界電力線的信號干擾。阻波器按電路諧調方式分類，主要分單雙頻，頻帶及無調諧，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(tǒng)軟件設計

　　進入主程序入口后，首先對控制器進行初始化，然后對X-10進行過零檢測。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 結論

　　X-10電力載波技術是針對智能家居網絡化控制平臺開發(fā)的通訊協(xié)議，由于其性價比高和技術成熟穩(wěn)定的特點，在智能家居的應用中有廣泛的應用。本文以該協(xié)議為基礎構建了網絡化控制平臺，充分利用了電力線和網絡資源，并通過設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用中的可行性。