Введение

Протокол X10 для домашней автоматизации — это протокол связи между электронными устройствами, используемыми в системах домашней автоматизации (домматике). Он в основном использует электропроводку для передачи сигналов и управления, при этом сигналы представляют собой короткие радиочастотные импульсы, кодирующие цифровую информацию. Также определен способ беспроводной передачи данных по радиоканалу. X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics из Гленротеса, Шотландия, для обеспечения возможности дистанционного управления домашними устройствами и приборами. Это была первая технология сети домашней автоматизации общего назначения и она остается наиболее распространенной. Несмотря на наличие альтернативных решений с большей пропускной способностью, X10 по-прежнему популярен в бытовых условиях, с миллионами устройств, используемых по всему миру, и доступной ценой новых компонентов.

История

В 1970 году группа инженеров основала компанию Pico Electronics в Гленротесе, Шотландия. Компания разработала первый однокристальный калькулятор. Цифровые данные состоят из адреса и команды, отправляемых от контроллера к управляемому устройству. Более совершенные контроллеры также могут запрашивать у столь же совершенных устройств информацию об их состоянии. Это состояние может быть таким простым, как "выключено" или "включено", текущий уровень диммирования, или даже температура или другие показания датчиков. Устройства обычно подключаются к розетке, как лампа, телевизор или другой бытовой прибор; однако также доступны встроенные контроллеры для настенных выключателей и потолочных светильников. Относительно высокочастотная несущая волна, передающая сигнал, не может проходить через силовой трансформатор или между фазами многофазной системы. Для систем со сдвинутой фазой сигнал может быть пассивно соединен между фазами с помощью пассивного конденсатора, но для трехфазных систем или в случаях, когда конденсатор обеспечивает недостаточное соединение, можно использовать активный повторитель X10. Чтобы обеспечить передачу сигналов между фазами и синхронизацию с нулевым переходом каждой фазы, каждый бит передается три раза в каждом полуцикле со смещением на 1/6 цикла. Также может быть необходимо блокировать выход сигналов X10 за пределы локальной сети, чтобы, например, управление X10 в одном доме не создавало помех управлению X10 в соседнем доме. В этом случае можно использовать индуктивные фильтры для ослабления сигналов X10, поступающих в локальную сеть или выходящих из нее.

Протокол

Используя линию электропередачи или радиосвязь, пакеты данных, передаваемые по протоколу управления X10, состоят из четырехбитного кода дома, за которым следует один или несколько четырехбитных кодов устройств, и, наконец, четырехбитная команда. Для удобства пользователей при настройке системы четырехбитный код дома выбирается буквой от A до P, а четырехбитный код устройства – числом от 1 до 16. После установки системы каждое управляемое устройство настраивается на реагирование на один из 256 возможных адресов (16 кодов домов × 16 кодов устройств); каждое устройство реагирует на команды, адресованные конкретно ему, или, возможно, на несколько широковещательных команд. Протокол может передать сообщение, например, "выбрать код A3", за которым следует "включить", что дает команду устройству "A3" включиться. Можно адресовать несколько устройств перед отправкой команды, что позволяет одной командой воздействовать на несколько устройств одновременно. Например, последовательность "выбрать A3", "выбрать A15", "выбрать A4", и затем "включить" приведет к включению устройств A3, A4 и A15. Следует отметить, что нет ограничений на использование нескольких кодов домов в одном помещении. Команды "включить все освещение" и "выключить все устройства" будут действовать только в пределах одного кода дома, поэтому установка с использованием нескольких кодов домов фактически разделяет устройства на отдельные зоны.

Односторонний и двусторонний

Недорогие устройства X10 только принимают команды и не подтверждают свой статус остальной сети. Двусторонние контроллеры обеспечивают более надежную сеть, но стоят в два-четыре раза дороже и требуют использования двухсторонних устройств X10.

Детали физического слоя

В потоке переменного тока 60 Гц каждый передаваемый бит требует двух нулевых пересечений. Бит "1" представлен активным нулевым пересечением, за которым следует неактивное нулевое пересечение. Бит "0" представлен неактивным нулевым пересечением, за которым следует активное нулевое пересечение. Активный нулевой переход представлен всплеском частоты 120 кГц в течение 1 миллисекунды в точке нулевого перехода (номинально 0°, но в пределах 200 микросекунд от точки нулевого перехода). Неактивный нулевой переход не содержит импульса сигнала 120 кГц. Для обеспечения предсказуемой начальной точки каждый передаваемый кадр данных всегда начинается со стартового кода, состоящего из трех активных нулевых пересечений, за которыми следует неактивное пересечение. Поскольку все биты данных передаются как один активный и один неактивный (или один неактивный и один активный) нулевой переход, стартовый код, содержащий три активных пересечения подряд, может быть однозначно обнаружен. Многие схемы протокола X10 представляют этот стартовый код как "1110", но важно понимать, что это обозначение относится к нулевым пересечениям, а не к битам данных. Сразу после стартового кода следует 4-битный код дома (обычно представленный буквами A–P на интерфейсных устройствах), а за кодом дома – 5-битный код функции. Коды функций могут указывать код устройства (1–16) или командный код. Номер устройства или командный код занимает первые 4 из 5 бит. Последний бит равен 0 для кода устройства и 1 для командного кода. Несколько кодов устройств могут передаваться последовательно перед отправкой командного кода. Команда будет применена ко всем отправленным кодам устройств. Также можно отправить сообщение без кодов устройств, только код дома и командный код. Это применит команду к последней группе кодов устройств, отправленных ранее. Один стартовый код, один код дома и один код функции вместе образуют кадр X10 и представляют собой минимальные компоненты допустимого пакета данных X10. Каждый кадр отправляется дважды подряд, чтобы обеспечить понимание его приемниками при наличии помех в электросети, в целях избыточности, надежности и для поддержки повторителей сигнала. После учета возможности повторной передачи, управления линией и т. д. скорость передачи данных составляет около 20 бит/с, что делает передачу данных X10 настолько медленной, что технология ограничивается включением и выключением устройств или другими очень простыми операциями. При изменении данных с одного адреса на другой, с адреса на команду или с одной команды на другую, кадры данных должны быть разделены как минимум шестью четкими нулевыми пересечениями (или "000000"). Последовательность из шести нулей сбрасывает аппаратное обеспечение декодера устройства. Более поздние разработки (1997) аппаратного обеспечения являются улучшениями исходного аппаратного обеспечения X10. В Европе (2001) для рынка 230 В переменного тока 50 Гц. Все улучшенные продукты используют один и тот же протокол X10 и совместимы.

Модули устройств

В зависимости от контролируемой нагрузки, необходимо использовать различные модули. Для ламп накаливания можно использовать модуль для ламп или модуль настенного выключателя. Эти модули переключают питание с помощью твердотельного переключателя на основе TRIAC и также способны регулировать яркость лампы. Модули для ламп практически бесшумны в работе и обычно рассчитаны на управление нагрузками от примерно 60 до 500 Вт. Для нагрузок, отличных от ламп накаливания, таких как люминесцентные лампы, лампы высокого давления и бытовые электроприборы, электронное переключение на основе TRIAC в модуле для ламп не подходит, и вместо него следует использовать модуль для приборов. Эти модули переключают питание с помощью импульсного реле. В США эти модули обычно рассчитаны на управление нагрузками до 15 ампер (1800 Вт при 120 В). Многие модули устройств предлагают функцию локального управления. Если модуль выключен, включение выключателя питания на лампе или приборе приведет к включению модуля. Таким образом, лампу можно включить или кофеварку запустить без использования контроллера X10. Модули настенных выключателей могут не поддерживать эту функцию. В результате, старые модули для приборов могут не работать с очень малой нагрузкой, например, со светодиодной настольной лампой мощностью 5 Вт. Некоторые модули настенных выключателей предлагают функцию локального диммирования. Обычно местная кнопка на модуле настенного выключателя обеспечивает только управление включением/выключением без возможности локальной регулировки яркости управляемой лампы. Если локальное диммирование поддерживается, удержание кнопки приведет к циклическому изменению яркости лампы. Модули более высокого класса обладают расширенными функциями, такими как программируемые уровни включения, настраиваемые скорости изменения яркости, возможность передачи команд при использовании (так называемые двухсторонние устройства) и поддержка сценариев. Существуют модули датчиков, которые обнаруживают и сообщают о температуре, освещенности, инфракрасном излучении, движении, а также об открытии и закрытии контактов. Модули устройств включают термостаты, звуковые сигнализации и контроллеры для выключателей низкого напряжения.

Совместимость

Выключатели твердотельного типа, используемые в системах управления X10, пропускают очень небольшой ток утечки. Компактные люминесцентные лампы могут нежелательно мигать при выключении; производители КЛЛ не рекомендуют управлять лампами твердотельными таймерами или дистанционными пультами управления. Некоторые контроллеры X10 с триаковыми выходами твердотельного типа могут некорректно работать с устройствами малой мощности (менее 50 Вт) или с такими устройствами, как люминесцентные лампы, из-за тока утечки устройства. Использование модулей с реле и металлическими контактами может решить эту проблему. Многие старые модули имеют функцию "местного управления", при которой реле намеренно шунтируется резистором большого сопротивления; модуль может тогда определять состояние выключателя самого прибора и включать реле при работе местного выключателя. Этот ток определения состояния может быть несовместим со светодиодными или КЛЛ лампами. Не все приборы можно использовать с диммером. Люминесцентные лампы нельзя затемнять диммерами для ламп накаливания; некоторые модели компактных люминесцентных ламп диммируемые, но стоят дороже. Моторные приборы, такие как вентиляторы и т.п., как правило, не будут работать должным образом с диммером.

Источники проводов и помех

Одна из проблем X10 — чрезмерное ослабление сигналов между двумя фазными проводниками в трехпроводной системе 120/240 вольт, используемой в типичном североамериканском жилом строительстве. Сигналы от передатчика на одном фазном проводнике могут не распространяться через высокое сопротивление обмотки распределительного трансформатора на другой фазный проводник. Часто просто отсутствует надежный путь для распространения сигналов X10 от одного провода обмотки трансформатора к другому; эта неисправность может возникать и исчезать при включении и выключении мощных 240-вольтных приборов, таких как плиты или сушилки. (При включении такие приборы обеспечивают путь низкого сопротивления для сигналов X10 между двумя проводами обмотки.) Эту проблему можно окончательно решить, установив конденсатор между фазными проводниками в качестве пути для сигналов X10; производители обычно продают сигнальные сцепки, которые подключаются к розеткам 240 вольт и выполняют эту функцию. В более сложных установках используется активный повторитель между фазами, а другие сочетают усилители сигнала с устройством сцепки. Повторитель также необходим для межфазной связи в домах с трехфазным электропитанием. Во многих странах за пределами Северной Америки целые дома обычно запитываются от одной 240-вольтной однофазной линии, поэтому эта проблема не возникает. Телевизоры или бытовые беспроводные устройства могут создавать ложные сигналы "выключено" или "включено". Фильтрация помех (устанавливаемая на компьютерах, а также на многих современных приборах) может помочь защитить сигналы X10 от внешних помех, но фильтры помех, не предназначенные для X10, также могут ослаблять сигналы X10, проходящие по цепи, к которой подключено устройство. Определенные типы блоков питания, используемые в современном электронном оборудовании, таком как компьютеры, телевизоры и спутниковые ресиверы, ослабляют проходящие сигналы X10, обеспечивая путь низкого сопротивления для высокочастотных сигналов. Как правило, конденсаторы, используемые на входах этих блоков питания, закорачивают сигнал X10 от фазы к нейтрали, исключая возможность управления X10 на цепи вблизи этого устройства. Доступны фильтры, которые не допускают попадания сигналов X10 к таким устройствам; подключение проблемных устройств к таким фильтрам может устранить загадочные прерывистые сбои X10. Наличие резервного или источника бесперебойного питания, например, используемого с компьютерами или другими электронными устройствами, может полностью отключить эту фазу в домашней установке из-за фильтрации, используемой в блоке питания.

Команды потерялись

Сигналы X10 могут передаваться только по одной команде за раз: сначала осуществляется обращение к устройству управления, а затем отправляется команда для его выполнения. Если два сигнала X10 передаются одновременно, они могут столкнуться или наложиться друг на друга, что приведет к командам, которые не могут быть декодированы или вызовут неверные действия. CM15A и RR501 приемопередатчик позволяют избежать этих коллизий сигналов, которые иногда возникают с другими моделями.

Недостаток скорости

Протокол X10 медленный. На передачу адреса устройства и команды уходит примерно три четверти секунды. Хотя обычно это незаметно при использовании настольного контроллера, это становится ощутимой проблемой при использовании двухпозиционных выключателей или при использовании какого-либо компьютеризированного контроллера. Ощутимую задержку можно немного уменьшить, используя более медленные скорости изменения яркости устройств. Для более продвинутых модулей есть возможность использовать расширенные команды группового управления (сцены освещения). Они позволяют регулировать несколько модулей одновременно одной командой.

Ограниченная функциональность

Протокол X10 обеспечивает более продвинутое управление скоростью диммирования, непосредственную установку уровня диммирования и групповое управление (сценами). Это достигается с помощью расширенного набора сообщений, который является официальной частью стандарта X10. Однако поддержка всех расширенных сообщений не является обязательной, и многие более дешевые модули реализуют только базовый набор сообщений. Это требует настройки каждого контура освещения последовательно, что может быть визуально неэстетично и очень медленно.

Смешение и отсутствие шифрования

Стандартные протоколы X10 и RF не поддерживают шифрование и могут адресовать только 256 устройств. Нефильтрованные сигналы по линиям электропередач от ближайших соседей, использующих те же адреса устройств X10, могут создавать помехи. Аналогичным образом могут приниматься посторонние беспроводные радиочастотные сигналы, и любому находящемуся поблизости человеку с пультом дистанционного управления X10 (RF) легко, намеренно или случайно, нарушить работу системы, если в помещении используется устройство, преобразующее радиосигналы в сигналы по линиям электропередач.