神马文学网X10协议与智能家居
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X10协议与智能家居
由 solopro 于 周三, 2007-06-20 15:06 提交。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X10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。
1976年由Pico Electronics公司研发的国际通用的智能家居电力载波协议X10，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X10市场占有率很大，以X10产品最大市场美国为例，约7成的家庭使用 X10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—1代表“0”用1—0代表“1” 重新定义“0/1”，有效避免了接收歧义。
X10帧分为数据帧和控制帧两种，每帧由11个周期（cycle）正弦波组成，其帧结构如图1所示。其中：开始码（start code）：判别相关序列脉冲信号是否为有效。
数据码（data code）：依据功能码分为数字码或命令码。功能码（function code）：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（addresscode），这样 系统中的所有被控制设备都被赋予一个惟一地址码，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（command code）：代表指令发出者要求接收节点执行怎样的控制动作，如：A1_ON，A1_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（01001）， 灯光调亮bright（01011），全部灯亮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A1 A1 A-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”（All-Lights-On）指令时，因 为不需要发送任何地址，所以只需1/3s（实际0.3666s）。接收器的响应时间一般为0.2s（0.1833s）。
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智能家居网络组成示意图
系统主要由发射和接收两部分组成，由于RF传送器无法直接控制插在墙上电源插座的X10接收器模块，需通过X10传送器模块来实现RF传送器与 X10接收器模块间的桥接。X10传送器模块内含一个小天线接受RF无线信号，转换成适当的X10信号后再利用电源线传送。因此X10系统由无线RF （radio frequency）传送器、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：
（1） 无线RF（radio frequency）传送器，类似遥控器，将控制命令发送至X10传送器模块上。
（2） X10传送器（Transceiver）模块，通常连接到墙壁上的电源插座中，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X10接收器。
（3） X10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X10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X10数据传输可信度降低，造成控制失效。
X10 接收器本身的原因引起X10系统故障是很罕见的。关键在于X10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X10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10mV～25mV的噪音，中国电力线一般会有25mV～50mV的噪音。但是由于电力线上的设备相当 复杂，泄漏或吸收X10信号，可能导致X10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X10系统的频段分布在 80kHz～150kHz之间，而在这个频段上几乎没有标准！某些设备将X10信号作为噪音吸收，导致只有一小部分信号能到达X10接收器。采用信号强度 指示器发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X10信号的强度。X10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，通过滤波器后几乎适用于所有电器。由于阻波器同时也阻断了X10信号，有时需采用分流式滤波器（简称分波器），它只吸收 120kHz以上和以下的噪音（不吸收120kHz）。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X10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X10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X10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Extended Code在标准X10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X10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X10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X10标准相比技术更成熟，更可靠，使得其未来处境尴尬。但是X10价 格低廉、无需布线、不同品牌X10产品良好互通性及技术简单易安装等显著特点，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X10 网络整合进智能家居，成为其子网络。那么X10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。
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