Интеллектуальный дом формата X10 сегодня становится реальностью. Часть 1. - УМНЫЙ ДОМ - Статьи | Умная электроника

http://smartron.ru/

Интеллектуальный дом формата Х10 сегодня становится реальностью. Часть 1.

Преимущетва X10

     Отличительной чертой интерфейса X10, широко используемого во многих странах для создания систем умный дом, является его демократичность. Благодаря ему даже люди с невысоким уровнем дохода могут позволить себе создание системы интеллектуального дома.       

      Стоимость базового набора устройств составляет порядка 6 тысяч рублей, а каждое дополнительное стоит всего порядка 1000-1500 рублей.
Вторая важная особенность, это гибкость применения. Для него не нужно никакой скрытой проводки, поэтому систему умный дом на базе X10 можно установить практически в любой квартире или офисном помещении путем подключения к обычным электрическим розеткам.

      Третье важное свойство, это простота монтажа, не требующего каких-то особых навыков и умений. Система X10 позволяет реализовать следующие основные функции умного дома по управлению электрооборудованием, приборами и освещением:

 - использование инфракрасных  пультов для дистанционного управления, а также как альтернативный вариант радиоуправление.
- управление через телефон и с помощью сетевых технологий Интернета.
- возможность использования в системах Х10 таймеров любой сложности, благодаря которым можно запрограммировать работу всех приборов в вашей квартире на неделю, в частности создание эффекта присутствия хозяев в доме или в офисе в целях безопасности.
- возможность программирования работы приборов на интеллектуальный стиль работы в зависимости от датчиков уровня освещения в различное время суток, датчиков движения и температуры, что позволяет создать идеальную систему отопления, оптимальное освещение в зависимости от присутствия людей в помещении, а также систему безопасности для защиты от проникновения.

История появления X10

 

    Х10 используется уже более 30 лет в Европе и Америке и зарекомендовала себя как надежная и проверенная временем система управления домом. Весьма любопытна история X10, этого изобретения, совершившего революцию в автоматизации современного дома. Шотландская компания Pico Electronics, Ltd. (в данный момент часть компании X10 Ltd.) была основана в 1970 году группой инженеров с целью создания калькулятора на одном чипе. Этой цели они достигли, создав возможно первый в мире микропроцессор на одном чипе.

    Всего у них было 8 проектов, связанных с созданием микросхем для ведущих производителей калькуляторов, включая Casio. Девятым проектом стало создание системы дистанционного управления сменой виниловых пластиковых дисков в проигрывателе с помощью ультразвука Accutrac X9. Десятым проектом стала в 1975 та же система с использованием передачи сигналов по силовым кабелям с возможностью управления освещением и различными устройствами. Этот проект носил название X10, ныне это название наиболее известный протокол на рынке домашней автоматики благодаря своей доступности, удобству и простоте системы дистанционного управления электроникой дома и квартиры. Широкое распространение ее началось после ряда доработок в 1978 году.

     Кроме всех прочих достоинств стоит отметить наличие большого количества платных и бесплатных программ для этой системы под операционные системы Windows, особенно много бесплатных программ для них под Linux.
    В настоящий момент сотни компаний по всему миру производят устройства, совместимые со стандартом X10, начиная от совсем маленьких, основанных радиолюбителями и мастерами на все руки, до таких гигантов, как IBM, естественно корпорация-основатель технологии X10 Inc., PowerHouse, Marmitek, BMB и многие другие другие. На российском рынке X10 производит "Разумный дом" (Тула).

Основные принципы технологии Х10

X10, это стандарт передачи данных для управления домашними электронными устройствами. В нем присутствует целый набор команд для изменения яркости светильников, включения различных устройств посредством передачи сигналов через силовые провода 220 вольт на модули управления, которые, в свою очередь, включают или отключают домашние устройства и светильники. Общее число устройств в каждой конкретной системе X10 может достигать 256.

Часть модулей X10 являются контроллерами и предназначены для управления исполнительными устройствами. Как правило они представляют собой пульты управления, похожие на обычный дистанционный пульт для телевизора. Они вырабатывают команды исполнительным устройствам, задаваемые пользователем. Кроме того, многие контроллеры X10 имеют дополнительные датчики, например датчики освещения. Промежуточные пульты могут принимать сигналы от ручного дистанционного инфракрасного пульта.

Исполнительные модули делятся на ламповые, содержащие системы управления на высоковольтных тиристорах. Такие модули могут регулировать освещенность, то есть являются дистанционно управляемыми диммерами, плавными регуляторами освещения. Такие устройства, например, удобно исполльзовть для системы домашнего кинотеатра. Другие исполнительные модули X10 являются коммутационными, они могут включать и выключать различные устройства, обычно они содержат в своем составе реле.

Устройства системы управления Х10 можно разделить в зависимости от исполняемых ими функций на следующие разновидности:

- пульты дистанционного управления, управляющие различными исполнительными модулями Х10 с помощью радиочастотного излучения, то есть представляющие собой небольшие радиостанции, либо посредством инфракрасного излучения, как обычные пульты для телевизоров. Все большую популярность приобретают перепрограммируемые универсальные пульты управления. Таким пультом можно управлять всеми домашними устройствами, от ламп освещения до переключателя каналов и регулировки звука ресивера домашнего кинотеатра.

- сигналы от ручных пультов принимают трансиверы, которые преобразовывают их в команды стандарта X10 и передают дальше через силовые кабели.

- трансмиттеры, или передатчики, генерируют команды стандарта X10 для передачи по проводам электропроводки. Такие устройства часто представляют собой таймеры, которые можно программировать на выполнение определенных команд, компьютерные интерфейсные устройства, позволяющие выполнять сложные программы по управлению домашней электроникой, также к этой группе относятся устройства, содержащие датчики движения, температуры, освещенности и другие, предназначенные для управления системами климат-контроля, интеллектуальными системами регулирования освещения, безопасностью и так далее.

- ресиверы, или приемники, являются оконечными устройствами, принимающими все эти сигналы и непосредственно выполняющими их, регулирующими освещение, включающими и отключающими электронные домашние устройства. Каждый такой приемник может быть запрограммирован посредством специальных переключателей на исполнение команд, посылаемых на его адрес. Всего имеется 16 домашних кодов, используемых в сетях X10 модулей умного дома, обозначаемых буквами A-P и 16 кодов устройств, обозначаемых цифрами 1-16, отсюда все их возможные комбинации образуют 256 возможных адресов, например D7, от A1 до P16.

- вспомогательное оборудование X10: репитеры, повторители-усилители, содержащие специальные фильтры, защищающие от бросков напряжения при включении мощного оборудования и другие. Это дополнительные устройства, которые не являются необходимыми, но повышают стабильность работы системы.

- контрольно-измерительные устройства для мониторинга работы системы и параметров электросети для выбора оптимальной схемы соединения. Они используются при инсталляции системы X10.

Электротехнические принципы взаимодействия устройств (теория) X10

Стандарт X10 использует для передачи команд через провода электросети 220 или 110-127 вольт. Сигналы управления представляют собой пакеты высокочастотных импульсов, несущих команды в цифровом виде.
Длительность импульсов 1 миллисекунда, несущая частота 120 килогерц напряжением 5 вольт. Логическая единица представляет собой три таких импульса с паузой между ними чуть более трех миллисекунд, причем передача команд синхронизирована с частотой сети. Конкретно с переходом напряжения сети через ноль с допуском плюс минус 0.2 мс.

Наличие битового сигнала означает единицу, его отсутствие ноль. Другими словами, все устройства X10 синхронизируются друг с другом частотой переменного тока электросети. Суть интервала между импульсами в треть полупериода колебания напряжения сети в синхронизации этих импульсов с последовательным переходом через ноль трех фаз, что позволяет сделать воздействие помех от напряжения питания минимальным.

Такой же принцип защиты от электрических помех в сети положен в основу работы телевизоров и многих других устройств. Благодаря синхронизации частоты развертки с частотой сети удавалось свести к минимуму воздействие помех, что и используется в сети X10. Поэтому частота кадровой развертки у российских телевизоров 50 герц, два раза по 25 через строчку, а у американских 60, что давало более четкое изображение. В наше время технология изменилась и это уже не существенно, но представляет собой интерес, как демонстрация общего принципа, используемого в электронике для защиты от помех.

Команда стандарта X10 занимает 11 периодов (в каждом из которых используется только половина, то есть первые пол периода из каждого периода) синусоиды колебания переменного напряжения сети. 2 цикла являются стоповыми, затем четыре бита обозначают домовый код, следующие пять либо код модуля, либо закодированная функция, то есть сама команда, например, отключить устройство. Затем следует пауза в три цикла и команда в точности повторяется. Более сложные команды, к примеру изменение яркости светильника, представляют собой более длинные информационные последовательности (рис. 2).

 

Рис. 2 - Формат передачи кода X10.

    

Кроме этих информационных битов, передача домового кода и кода команды сопровождается битами паритета, проверки на четность в виде кода в каждом втором полупериоде. Правило проверки с протоколе X10 на четность реализовано в виде стандартной функции xor, которую так любят создатели алгоритмов шифрования данных. То есть сумма битов в двух полупериодах каждого периода должна всегда быть равной единице. Альтернативная дизъюнкция, или-или. (рис. 3).

 

Рис. 3 - Передача кода.

      Представленная далее таблица содержит двоичные представления кодов устройств и домовых кодов. Стоповый код, идущий в начале последовательности, является магическим числом стандарта X10 и всегда должен быть равен тетраде E в шестнадцатеричном представлении, причем без проверки на четность. Точнее, в данном случае имеет смысл говорить о проверке на нечетность, во вторых полупериодах синусоиды.

Рис. 4 - Таблица двоичных кодов.



[1] - Handshake в данном формате X10 называется HAIL, поиск на предмет наличия трансмиттеров. В случае получения сигнала подтверждения их присутствия, назначаются домовые коды.
[2] - Команда предустановки полного значения ослабления подачи мощности светильнику диммером.
[3] - Расширенный набор данных представляет собой неограниченной длинны передаваемых данных, представляющий аналоговые данные в цифровом виде. Блоки передаются непрерывно, в начале последовательности может быть закодирована длинна посылки. Паузы не допускаются.

Кроме того, может использоваться расширенный набор кодов, которые позволяют контролировать более 256 модулей. В самом начале передается номер модуля, который будет выполнять команды до тех пор, пока не будет задано другое устройство. Какая последовательность передается, информационная или управляющая, определяется битом D16. Если он равен единице, то это команда, а если ноль, то номер модуля.

Время выполнения некоторых команд может составить секунду и более. Например, около секунды занимает команда включить конкретный светильник. Однако та же команда, адресованная всем светильникам выполняется вдвое быстрее, так как не требует передачи номера модуля, которому она адресована.

Виды исполнительных устройств X10 и управляемые ими электронные приборы.

Важную роль в создании сети управления рассматриваемого формата играет понимание, какие исполнительные модули должны использоваться в каждом конкретном случае. Все домашние приборы, которыми могут управлять исполнительные модули Х10, различаются с точки зрения этого формата передачи данных, как легко догадаться, по типу их входного сопротивления.

Наибольшую сложность представляют устройства, входная нагрузка которых меняется скачкообразно, прежде всего это люминесцентные светильники, для которых нельзя использовать обычные диммеры, а также приборы, имеющие на входе импульсные блоки питания, в том числе включаемые через трансформатор галогенные светильники с лампочками на 12 вольт, компьютеры, телевизоры.

Второй тип электронных приборов, коммутируемых сигналами X10, это более простые устройства, обладающие нелинейным входным сопротивлением. Это все устройства, нагрузка которых, ее импеданс, содержит индуктивную составляющую (реактивное сопротивление), то есть обмотки входного понижающего трансформатора или, например, электродвигатели приводов рольставней в витрине уличного киоска.

Третья, самая простая группа с точки зрения системы умный дом X10 имеет входное сопротивление с почти линейной зависимостью тока от напряжения. К ним относятся большинство простых электрических нагревательных приборов, а также обычные светильники и галогенные бестрансформаторные с лампочками на 220 вольт.

Важную роль играет точная диагностика, к какому типу нагрузки относится каждый электронный прибор, который будет использоваться в Х10, так как часто в само устройство бывает встроен миниатюрный трансформатор или дроссель, как это часто бывает с люминесцентными светильниками. Например энергосберегающие лампы, хотя и вкручиваются в обычный цоколь для лам, тем не менее представляют собой сложные электронные устройства с входным сопротивлением, имеющим ярко выраженную нелинейность и относятся к первой, самой сложной группе.

В частности, нужно предостеречь от применения обычных модулей-диммеров LM15S X10, а также LM12 и подобных им с энергосберегающими лампами. Они предназначены только для работы с обычными лампами, имеющими входное сопротивление линейного типа. Применение их с энергосберегающими лампами выведет их и строя без возможности воспользоваться гарантией!

Для управления такими нагрузками можно использовать только модули X10 коммутационного типа, например AD10, либо AM12 и подобные им. Важно помнить об этом и использовать для каждого устройства соответствующий ему модуль X10.

Использование устройств X10 в трехфазной сети переменного тока.

Счастливым обладателям трехфазного питания, обычно это частный дом, либо большая городская квартира, полученная путем объединения двух или более квартир на одном этаже под квартиру или офис, либо промышленные цеха, следует знать о тактике, используемой для передачи информации в формате X10 между различными фазами. Решается эта проблема просто путем использования каплера, то есть объединителя (не путать с декаплером, разъединителем), через который соединяются соответствующие фазы (каплер - couper от слова couple, пара, буквально coupler можно перевести как спариватель, в смысле создающий пару).

При работе с различными фазами абсолютно необходимо помнить, что поражение током напряжением 220 вольт редко приводит к летальному исходу, в то время как неосторожное обращение с различными фазами, между которыми не 220, а 380 (!) вольт, может иметь необратимые и очень печальные последствия. Особенно в состоянии усталости или алкогольного опьянения!

Существует два типа таких устройств X10, это пассивные и активные соединители. Первые содержат обычный пассивный фильтр из конденсаторов и индуктивностей, который является полосовым фильтром, пропускающим несущую частоту 120 килогерц, либо более простой фильтр верхних частот. И те и другие защищают систему X10 от низкочастотных помех из электропроводки. Качество различных каплеров, соединителей, применяемых для передачи сигналов X10, определяется крутизной амплитудно-частотной характеристики заключенных в них фильтров.

Надо отметить, что соединители систем X10 с пассивными фильтрами не обеспечивают такого качества фильтрации, от которой зависит стабильность работы всей сети управления умным домом, как активные фильтры, так как по определению ослабляют мощность полезного сигнала, в данном случае 120 килогерц. Активные же фильтры, применяемые для работы с сигналами X10, могут усиливать мощность полезного сигнала и таким образом увеличивать стабильность работы системы.

Активные фильтры содержаться в каплерах-репитерах, то есть соединителях-повторителях (coupler-repeaters). Например устройство компании Leviton HCA02-10E. Такие приборы кроме пассивных компонентов содержат микросхемы и не только передают сигнал X10, но и усиливают его, а также могут изменять сигнал, уменьшая его длительность, так как вследствие отсутствия затухания контрольная посылка бывает не нужна.

Например, сигнал для включения электронного устройства, подключенного к модулю с адресом P9, будет выглядеть как адрес P9 повторенный два раза, затем домовый код P и команда выключить также продублированные два раза. Ресивер-приемник команды X10 выполнит команду без продублированных пакетов. Поэтому соединитель-повторитель, содержащий последовательный микроконтроллер, выделит основное содержание посылаемой команды и передаст один раз повторенную последовательность, а именно вторую, то есть адрес P9, затем домовый код P и однократно ключевую команду, которую необходимо выполнить. Полученную команду выполнит модуль X10 с адресом P9.

В отличие от пассивных каплеров-соединителей, у активных нельзя менять полярность подключения, так как в этом случае передачи сигнала не будет. Особую роль играют соединители-репитеры, когда нужно увеличить пространство, контролируемое системой управления интеллектуальным домом. Например, в магазине или выставочном павильоне. В этом случае они помогают увеличить охват сети X10. Рекомендуется использовать их в сетях, покрывающих площади более трехсот квадратных метров. В таком случае они соединяют не различные фазы, а их вход и выход присоединены к одной и той же фазе электропроводки.

Стабильность работы системы и помехи в электрической проводке.

Многие модули систем Х10 содержат микросхемы, для работы которых используется питание сети. Поэтому для их стабильной работы не рекомендуется использовать мощные устройства, подключаемые к фазам, на которых они расположены. Например, при использовании мощных трансформаторных приборов для электросварочных работ старого типа при их подключении к общему проводу питания возможен выход из строя полупроводниковой техники, к примеру телевизоров. То же самое относится и к модулям Х10. Критические перепады напряжения могут быть для них губительны.

Вторая возможная проблема, это наличие высокого уровня помех, особенно на частоте, используемой сетями Х10, то есть 120 килогерц. Такие помехи в отдельных случаях возникают в результате работы регуляторов напряжения на базе тиристоров. Исключение составляют сами устройства Х10. Другими словами, не стоит использовать такие регуляторы, не отвечающие требованиям стандарта Х10 по защите от помех.

Если же все-таки возникает такая необходимость, следует избегать их применения в режиме регулировки, отличающейся менее, чем на 5 процентов от передачи полной мощности. В самих модулях плавной регулировки Х10, диммерах, этот небольшой интервал исключен. При подходе передачи к уровню менее 5 процентов от максимальной мощности, происходит полное включение светильника, управляемого этим модулем Х10.

Особенно чувствительны к критическим перепадам напряжения симисторы, двухсторонние тиристоры, которые часто используются в модулях плавной регулировки напряжения Х10. При больших помехах они могут работать нестабильно, либо даже выйти из строя. В том числе не рекомендуется использовать их в режиме перегрузки. Причиной неисправности такого модуля может быть ток в прямом направлении к нагрузке, превышающий максимально допустимый. Другая возможная причина, это перегрев этой детали.

26.01.10 Автор: Умная электроника  Источник: Умная электроника 

Разделы / УМНЫЙ ДОМ