基于電力載波技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)的設(shè)計
智能家居是將計算機、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。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)點進行集中的控制。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。
2.1 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(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)。
2.2 X-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(yīng)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(shè)定一個啟動點,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。
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