基于電力載波技術的網絡化智能家居系統的設計
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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。
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