基于電力載波技術的智能家居網(wǎng)絡化控制平臺設計

1 引言

智能家居是將計算機、網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)了以人為本的生活理念。家居網(wǎng)絡是將所有的家用電器設備聯(lián)結成一個網(wǎng)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(xiàn)控制和調節(jié)。家庭網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)了電力載波技術在智能家居控制中的網(wǎng)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(wǎng)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。基于X-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(wǎng)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(xiàn)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(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(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(wǎng)絡系統(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(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(wǎng)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(xiàn)在市場上大多數(shù)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(shù)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(wǎng)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(jīng)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(xiàn)。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(wǎng)格總線和控制平臺來控制家庭內電器設備的系統(tǒng)。控制網(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(shù)據(jù)發(fā)送模塊

當有數(shù)據(jù)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(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。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)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(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(shù)據(jù)移到微控制器內。當所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡化控制平臺，充分利用了電力線和網(wǎng)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。

參考文獻:

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