X10协议与智能家居

　　先进的多媒体和通信应用．能带给您全新的视听享受。从互联网上下载电影．利用xl0技术传输到一台大屏幕电视机上，多媒体内容的传输和播放显示了媒体融合的魅力。IT业的迅猛发展和网络技术的日渐成熟，使”智能家居”不再深不可测。科幻影片中先进的家居生活方式，而今已不再是梦想．我们已在不知不觉中步入到”智能家居”，涵盖衣 食、住 行的方方面面。智能家居产业也必将推动世界范围内后PC时代的新兴IT市场的高速增长。

　　l976年由Pico Electronics公司研发的国际通用的智能家居电力载波协议xl0．是全球第一个利用电力线来控制电子电器设备的标准。其兼容产品的互联媒介就是AC220V电力线．所以无需重新布线。电力线将电能传到家中的各个房间．同时也将家中所有的电灯、电器连成了网络。在提供电流的同时又可以像网线一样．将控制命令传送到被控制的灯饰或家电上，从而实现网络化的控制。被控制的电器可多达256路。用电力线做载体传输控制信号，既经济又方便，很容易进入家庭。低廉的价格、上千种的产品以及简单的设置方式成功开启了智能家居时代。目前xl0市场占有率很大，以xl0产品最大市场美国为例．约7成的家庭使用xl0技术，从灯光控制产品、安全控制系统、电话系统，到音响系统、空调系统等系列产品都有应用。

　　一、 X10协议内容

　　x10是以50Hz(或60Hz)为载波．将120kHz音频信号限制在一个很小的带宽内，形成一个音频脉冲，然后以120kHz调变信号在每一正弦波周期上有无和交流电信号的过零点检测(zero crossing detect)很好地结合在一起．再加以调制形成良好的方波电平信号．即电源线调变信号取代数据0与1．由此在一个限定个数的周期内得到了一个简单的数字信号组合．通过对该数字信号组合进行规范，形成了一个简单的通信协议。音频信号通过耦合变压器加载到电力线上从而将控制指令通过电力线传送到目的地。

　　应当指出选择正弦波的过零点为载波时间和使用“补码“来发射数字信息是非常明智的。实践证明，过零点是最干净，最不易受干扰的地方。采用0一l代表“0“用l一0代表“l”重新定义”0／l“，有效避免了接收歧义。xl0帧分为数据帧和控制帧两种，每帧由l1个周期(cycle)正弦波组成，其帧结构如图l所示。其中：

 
　　开始码：叛变相关序列脉冲信号是否为有效。

　　数据码：依据功能码分为数字码或命令码。

　　功能码：定义帧类型，0为数据帧，1为命令帧。

　　系统中为了识别网络中的不同设备，采用了16进制编码，称之为地址码，这样系统中的所有被控制设备都被富裕一个唯一的地址码，即16个不同的类组码，每一个类组地址又可再区分为16个单位码，分别用字母（A.B.C....P）和数字（1.2.3....16）表示，对应为根码和子码，一共可有16*16=256个可能的地址组合，因此这套系统可容纳256个不同的地址，用于表达节点ID。

　　命令码，代表指令发出者要求接收节点执行怎样的控制动作，如AI On AI OFF....通过设置的ID不同的节点只响应含有自己ID信息的控制信号，并执行控制指令要求的任务，以对灯光的控制而言，每 一个地址上可以执行的命令包括：开on（00101），关off（00111），灯光调暗dim（01011），全部调亮all lights on（00011），以及全部灯熄all units off（00001）等功能。

　　一条X10控制指令（如AI A AI-On A On），包括47个周期正弦波，大约需要0.7833s（一般小于1s）。当然有些命令需要的时间更少，如发送“全部灯亮”指令时，因为不需要发送任何地址，所以需要1/3s。接收器的响应时间一般为0.2s。

　　X10是一个广播的系统，控制指令以广播的形式在电力线上的传送，理想状态下可以达21km，家庭环境下可达500m。采用315MHz射频传输技术实现无线遥控，不受方向和障碍物限制阻碍，有效半径为50m，就像给门上加锁一样，采用无线加密技术给每家的遥控器分配密码，有效避免这些可以挂在钥匙链上的遥控器穿透墙壁后使邻居家的设备开启或关闭，或者邻居在用遥控器开灯时自己家的窗帘被拉开，邻居之间互不影响。

　　二、x10智能家居罔络组成示意图

　　系统主要有发射和接收两部分组成。由于RF传送器无法直接控制括在墙上电源插座的x10接收器模块需通过Xl0传送器模块来实现RF传送器与X10接收器模块间的桥接。X10传送器模块内涵一个小天线受RF无线信号。转换成适当的X10信号后在利用电源线传送。因此X10系统有无线RF传送，X10传送器模块、X10接收器模块、可移动式输入模块和交流电线组成。其中：
 

X10智能家居网络组成示意图
 

　　(1)无线RF传送器，类似遥控器，将控制命令发送至X10传送模块上。

　　(2)X10传送器模块，通常丽娜姐到墙壁上电源插座中，主要是用来接收RF传送器信号，并将转换后的控制信号传送到xl0接收器。

　　(3)xl0接收器(Receiver)模块．通常被连接到墙壁上的电源插座或者嵌入到电器的开关中．它们会监听接收控制信号并做出必要的响应．将对应的灯具和家电开启或关闭(on／off)。

　　(4)交流电线．主要是将信号从传送器透过电线送至灯具或是家电处。
 
　　三．X10主要技术问题及解决方案

　　尽管xl0信号非常可靠．但信号的干扰与吸收即电力线污染(也称为噪音)和信号强度不够会使x l0数据传输可信度降低．造成控制失效。xl0接收器本身的原因引起xl0系统故障是很罕见的。关 键在于xl0的控制媒介是电力线，因此要求电力线上尽可能没有杂波干扰(电涌)和延时等．最重要是过零点的干扰。实质上电力线的污染问题不止是xl0的问题．电脑死机、电视突然没有图像、音响杂音、灯忽亮忽暗等都可以归结为电力线污染。

　　虽然大多数地区电力线的正弦波都是比较干净的．比如在美国电力线一般是lOmV～25mY

　　的噪音，中国电力线一般会有25mY～50mY的噪音。但是由于电力线上的设备相当复杂，泄漏或吸收xl0信号。可能导致x l 0系统瞬间瘫痪，有时后果相当严重。电力线污染越来越严重的主要原因一是电气设备越来越多。二是没有相应的约束标准。FCC只是约束450kHz以上的噪音(AM频段的下限)．UL认证只是约束电力线噪音为”安全”的。影响xl0系统的

　　频段分布在80kHz～l50kHz 之间，而在这个频段上几乎没有标准!

　　某些设备将xl0信号作 为噪音吸收，导致只有一小部分信号能到达x l 0接收器。采用信号强度指示器发滤波器后几乎适用于所有电器。由于阻波器同时也阻断了Xl0信号．有时需采用分流式滤波器(简称分波器)．它只吸收l20kHz }以上和以下的噪音(不吸收l20kHz)。有效利用阻波器和分波器 可以确保X10信号的正常传输。

　　因此，高质量的电源插座、开关和xl0信号传送器和接收器是保证信号正常传输的重要前提：加装阻波器或分波器是xl0信号正常传输的有力保证。

　　此外．X10系统还存在资料碰撞(ollisions)问题．通过辅助通信协议2-Way(一种类似ARQ的协议)提升可信度。

　　四．X10应用前景预测

　　目前xl0标准已经有超过5000种兼容产品．合理组合这些不同功能的产品可以满足智能生活的很多需求．带来诸多便利。但作为简单的通信协议，目前该技术只能执行开／关之类的简单功能．较为复杂的指令还无法执行 60bit／s传输速率显然很低，当只有一项指令要传送时还不太明显．若要下多个指令时(如同时开启多种设备)．就可能会有明显的延滞；虽然辅助通信协议现吸收源的确切位置．加装阻断式滤波器(简称阻波器)以增强xl0信号的强度。xl0信号无处不在．噪音甚至会传输到邻居家中，最好加装30A入户阻波器。阻断比一般是40：1．通过Extended Code在标准xl0 的256个地址扩展了新的地址，不过目前Extended Code并不适用于所有xl0 装置，只能在有Extended Code协议模块的传送器及 接收器上使用。这些不利 因素使xl0很难保持在智 能家居市场中的领导地位，其电力线背景更是像一把 双刃剑，特别是近期由Smarthome开发的同时支持无线RF和电力线连接新的标准Insteon，与xl0标准 相比技术更成熟 更可靠， 使得其未来处境尴尬。但 是x l0价格低廉、无需布 线、不同品牌xl0产品良好 互通性及技术简单易安装 等显着特点 在智能家居 组建过程仍是值得考量的 选择。只要找准定位，合理应用，将xl0网络整合进智能家居，成为其子网络。那么xl0标准会找到新的增长点．继续在智能家居市场中占据一席之地。