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議對各設備實現控制和調節。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，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點進行集中的控制。目前應用于電力載波上的通訊協議有 BACnet（BuildingAutomationandControlNetwork）、EBI（EuropeanInstallingBus）、 HBS（HomeBusSystem）以及X-10協議等等，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協議也是比較主流的網絡通訊協議。

　　2.1 X-10通訊協議介紹

　　X- 10是國際通用的智能家居電力載波協議。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了X-10協議并獲得專利。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電力載波由于其發展時間長、用戶數量多、升級方便、價格便宜等優點使其在這三類智能家居技術中發展最為成熟。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則，這些約定和規則的集合稱為協議。

　　X- 10通過在電力線上發送和接收信號來實現通訊。因此，X-10系統主要由兩部分組成，即發射器和接收器。控制信號由發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射器發出的數據，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協議的智能家居系統

　　X-10是國際通用的智能家居電力載波協議，如果通信的雙方沒有共同的通信協議，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協議構建的智能家居系統，主要由家庭網關和分布在家庭各處的符合X-10規范的家電設備組成。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協議構建的智能家居系統中最多可同時控制16×16＝256個不同地址的X-10設備，因此這套系統可容納256個不同的地址，可以執行的指令包括：on，off，dim，bright，alllightson，allunitsoff。X-10協議規范對設備地址編碼，用于邏輯表示，使用時參照協議中的轉換表直接使用即可。