Применение протокола Х10 в системах бытовой автоматизации
Различные электронные и электрические устройства все больше входят в повседневную жизнь, и рано или поздно возникают вопросы их взаимодействия между собой, централизованного управления ими. Умный дом или офис - это автоматизированная система управления освещением, отоплением, водоснабжением, безопасностью, бытовыми приборами и множеством других функций жилья. Рассмотрим одну из систем домашней автоматизации, с передачей данных по электропроводке - Х10, которая очень широко распространена и для которой выпускается масса устройств.
Протокол Х10 и другие стандарты бытовой автоматизации
На сегодняшний день в этой области не существует единого стандарта. На рынке наиболее известны следующие протоколы: EIB, LonWorks, BACnet и CBus и некоторые другие.
Преимуществом стандарта Х10 является то, что он гораздо старше своего конкурента - шинного стандарта EIB. По этой причине оборудование для Х10 выпускается на настоящий момент множеством фирм (среди них - IBM и прочие гиганты мировой электронной индустрии). Как следствие этого - низкая цена (по сравнению с другими стандартами) на оборудование.
Экономическая эффективность и преимущества домашней автоматизации X10
Технология X10 относится к классу малобюджетных средств домашней автоматизации - минимальный комплект оборудования оценивается в 5 тыс. рублей. Так, стоимость оборудования, необходимого для выполнения проекта автоматизации с 10 управляемыми группами нагрузок, примерно составит 20,5 тыс. рублей. Стоимость же оборудования, скажем CBus, необходимого для минимальной автоматизации квартиры, начинается от 10 тысяч долларов США.
При оценке стоимости проектов часто используют такой показатель, как затраты на одну точку управления (световую группу, электронагреватель и тому подобное). Для проектов X10 эта величина составляет сумму от 1,5 до 2,5 тыс. рублей и уменьшается при увеличении числа групп управления, охватываемых проектом [1].
Экономическая эффективность от применения протокола X10 заключается в экономии энергоресурсов, увеличении срока службы осветительного оборудования, уменьшении стоимости страхования имущества, увеличении срока эксплуатации без капитального ремонта и в своевременном обнаружении и предотвращении аварийных ситуаций.
Сигналы управления Х10 передаются и принимаются непосредственно по электрической сети. Отсутствие дополнительных проводов делает инсталляцию систем Х10 быстрой и легкой; для передачи команд управления в системах Х10, кроме силовой проводки, используется радиоканал с частотой 433МГц. Так обеспечивается комфорт беспроводного способа управления; одно из главных преимуществ технологии Х10 заключается в том, что схема управления может многократно меняться простой перенастройкой отдельных компонентов сети Х10 - контроллеров, выключателей, реле и диммеров. В случае традиционной электроинсталляции связи «орган управления - объект управления» задаются жестко раз и навсегда структурой кабельной проводки; системы Х10 легко расширяемы. В любой момент в действующую инсталляцию можно добавить новые компоненты, даже если строительные работы давно закончены [1].
История протокола Х10
Исторически Х10 является первым стандартом передачи сигналов домашней автоматизации.
Технология Х10 была изобретена и запатентована в конце 70х годов инженерной фирмой PICO Electronics со штаб-квартирой в Англии. Инженеры PICO впоследствии перебазировались в Нью-Йорк и продолжили свои работы по развитию методов дистанционного управления проигрывателями, используя готовую электропроводку для передачи сигналов. Группа разработчиков Х10 назвала свою новую компанию по автоматизации домов X10 USA.
С тех пор технология непрерывно совершенствовалась, и сегодня автоматикой Х10 оснащены миллионы домов по всему миру. Особенное распространение и популярность технология получила в странах Северной Америки [1].
Технология Х10
Технология X10 использует цифровое представление сигналов управления. Информация кодируется двоичным кодом и передается по электрической сети с помощью высокочастотных импульсов. Каждый передаваемый импульс соответствует одному биту информации со значением «1». Передача очередного импульса происходит в момент времени, когда сетевое напряжение принимает нулевое значение (рис. 1).
Для передачи команды Х10 требуется одиннадцать циклов силового напряжения. Первые два цикла передают стартовый код, следующие четыре цикла представляют код дома (с А по Р), и последние пять циклов передают код устройства (с 1 по 16) или код функции, то есть ключевой код (рис. 2). Этот полный код (стартовый код, код дома и ключевой код) всегда передается дважды непрерывным блоком. Между блоками разных команд всегда должен быть перерыв в три цикла силового напряжения (рис. 3).
Таким образом, стандартная команда X10 передается в течение 47 периодов сетевого напряжения частоты 50 Гц или примерно 1 секунды.
В протоколе Х10 предусмотрено семь базовых команд: включить, выключить, ярче, темнее, включить весь свет, выключить весь свет, выключить все. По этой команде выключаются все устройства, подключенные к исполнительным модулям Х10 [1].
Недостатки протокола Х10
Рассмотрим недостатки протокола Х10 и способы их устранения. Одним из основных недостатков является низкая скорость передачи информации. Передача импульсов синхронизирована с переходом через ноль напряжения электросети, например, команда «ВКЛ», содержащая 94 бита, займет 47 циклов силового напряжения или 0,94 сек [3]. Но данный недостаток, на наш взгляд, не является критичным для домашней автоматизации.
Также недостатком протокола является низкая помехозащищенность.
X10 использует амплитудную модуляцию, поэтому помехи в электросети могут «забить» полезный сигнал. Основные источники помех в электросети - электродвигатели (холодильник, стиральная машина, электродрель и тому подобное) и приборы с тиристорными регуляторами (кроме устройств Х10) [2].
Для преодоления проблем с помехозащищенностью необходимо соблюдать следующие рекомендации: устанавливать фильтры на вводе в объект; все устройства, могущие создать помехи в электросети (электродвигатели; устройства, содержащие тиристорные регуляторы, кроме Х10) включать в сеть только через дополнительные фильтры; по возможности избегать кратковременных (длительностью менее 20 секунд) отключений напряжения электросети; электросварочные и подобные работы производить от фаз, к которым не подключены устройства Х10.
Без выполнения этих рекомендаций сеть X10 тоже работать будет, но иногда возможны неожиданные неприятные эффекты.
Оборудование X10
С точки зрения логики организации внутрисетевого взаимодействия все устройства X10 можно разбить на три большие группы: контроллеры, исполнительные модули и системное оборудование [1].
Контроллеры (передатчики) отвечают за генерацию команд X10. Позволяют передавать специальные коды команд в формате Х10 по электросети.
Исполнительные модули (приемники) принимают команды Х10 и выполняют их: включают или выключают свет, регулируют освещенность и так далее.
Системное оборудование обеспечивает работоспособность системы в целом. К такому оборудованию относятся фильтры и межфазовые мосты, радиотрансиверы и усилители-регуляторы.
Основные разновидности устройств Х10
Модули Х10 исполнительные диммерные - эти модули представляют собой симисторные регуляторы мощности и обеспечивают помимо функций включения и выключения плавную регулировку яркости свечения электроламп (но это представляется возможным только для ламп накаливания 220 В). Выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде патрона, в виде модуля для установки на DIN-рею, в виде розеточного модуля и микромодуля.
Модули X10 исполнительные релейные - эти модули очень похожи на диммерные, но могут только включить или выключить прибор, которым они управляют. Они используется для включения и отключения бытовых приборов, таких как чайник, телевизор, вентилятор. Также их можно использовать для управления люминесцентными лампами, у которых нельзя менять яркость.
Пульты ДУ обеспечивают дистанционное управление устройствами Х10 по ИК или радиоканалам. Наиболее удобны универсальные пульты ДУ; с их помощью можно управлять как устройствами Х10, так и аудио/видеоаппаратурой.
Датчики движения Х10 радио - это инфракрасные датчики, реагирующие на движение или изменение освещенности. Посылают команды X10 по радиоканалу на исполнительные устройства.
Трансиверы и ретрансляторы предназначены только для передачи сигналов от пульта другим устройствам по электропроводке. С их помощью все команды, которые подаются с пульта, передаются соответствующим устройствам, находящимся в любом месте дома.
Фильтры, мосты, повторители предназначены для подавления помех, мешающих работе сети X10, - осуществляют копирование команд X10 на другую фазу сети.
К прочему оборудованию Х10 относят оборудование управления жалюзи, электромагнитные клапаны, выключатели, настенные панели.
Контроллеры Х10 служат источниками команд X10 и предназначены для управления исполнительными устройствами. Они также могут программироваться на выполнение сценариев или задач по расписанию.
Компьютерные интерфейсы Х10 служат для подключения персонального компьютера к сети X10. При этом возможно управление всем оборудованием X10 с компьютера.
Домашний контроллер сети Х10
Исторически сложилось, что для систем на базе технологии Х10 так и не было выпущено специфического контроллера. В качестве контроллеров в сетях Х10 в настоящее время используются универсальные устройства, подключаемые к сетям Х10 через различные интерфейсные модули. Такие контроллеры довольно дороги, так как включают в себя поддержку большого количества других стандартов автоматизации. Поэтому создание специфического недорогого и простого в эксплуатации контроллера Х10 представляется нам довольно перспективной задачей.
Нашей научной группой был разработан опытный образец контроллера Х10. Его структурная схема представлена на рис. 4.
На структурной схеме:
220 В - подключение к сети 220 вольт 50 Гц.
БТБП - бестрансформаторный блок питания. Обеспечивает подачу напряжения +5В ко всем потребителям.
ФВЧ - фильтр высоких частот. Обеспечивает выделение сигнала 120 кГц.
УМ - усилитель мощности. Производит усиление выделенного сигнала.
МК - микроконтроллер. Посылает и принимает команды Х10 в соответствии с заданной программой.
Кнопки управления служат для программирования и управления домашним контроллером.
ЖКдисплей отображает необходимую информацию.
Передатчик 120 кГц передает
команды в сеть Х10 (220В).
В настоящее время проводятся испытания и отладка опытного образца домашнего контроллера. После их успешного завершения планируется изготовить прототип контроллера в заводских условиях. Его примерный внешний вид можно видеть на рис. 5.
Заключение
По нашим сведениям, на сегодняшний день в России только 1 компания производит оборудование X10, да и то в крайне малом ассортименте. Выход на рынок домашней автоматизации с разработанным нами устройством по разумной цене - выгодное вложение средств, так как спрос на такие устройства непрерывно растет, а технология Х10 - единственно возможный вариант для автоматизации российских квартир и домов.
Литература
1. Введение в технологию Х10 - М.: Лаборатория домашних технологий i - Home.ru, 2006.
2. Евсеев Ю. А., Крылов С. С. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 120 с.: ил.
3. X-10 Home Automation Using the PIC16F877A: AN236. - Microchip Technology Inc. - 25 p.