电力线载波技术及两种协议在智能家居网络中的应用

智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的特征。它是利用多种通讯手段将家庭中的各种设备有机地连接在一起。电力线载波以电力线路为传输通道，通过载波方式将信号进行高速传输，是一种不需要线路投资的通信方式。在智能家居网络技术中，基于电力线载波技术的x10协议及plcbus协议有广泛的应用。笔者对x10和plcbus协议及两协议在组成智能家居控制网络中的优势进行了详细分析。
1 智能家居概述
智能家居，或称智能住宅（ smarthome, intelligent home），是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统（家庭各种信息设备、自动化设备、家用电器、安防装置、能源设备、环境监测设施等）通过一定的通讯技术有机地结合在一起，形成一个家庭智能化系统，通过监视、控制和管理，让家居生活更加舒适、安全、经济、有效。与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通。智能家居强调人的主观能动性，重视人与居住环境的协调。
智能家居总体结构分为3层：应用层、家庭网络层、物理介质层。应用层包含家庭自动化、网络家电、信息家电；家庭网络层包含控制网络、数据网络、音视频网络；物理介质层是各种传输媒质，如：电力线、双绞线、光纤、电话线、无线等。
家庭自动化包括环境控制、照明控制、安防控制、能源控制、内部监视等多个方面，是智能家居的主要内容；网络家电通常是指增加通讯功能的传统家电；信息家电是新兴的数字化家庭设施，如计算机、机顶盒、游戏设备、数字电话等。家庭网络一般就是将家庭各子系统连接在一起的网络，是各部分相互通讯协同工作的基础，主要实现对家庭自动化设备控制、数据通讯、对外连接功能。
2 家庭网络的控制部分- - 智能家居的核心
家庭网络是实现住宅的智能化、信息化的基本必需平台。家庭网络是在家庭范围内（可扩展至邻居、小区）将pc、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术，是将所有的家庭电气设施联结成一个整体网络，使每个家用电器成为整体中的一个成员；按照一定的通信协议，实现控制和调节。
网络应该容纳安全、照明、环境、能源管理、公用设施（水、电、煤气等）、计算机和娱乐等一系列家电和电器设施，具有自动调节、资源共享等功能。
家庭网络从技术上要完成3个方面信息链路的实现，第一，提供宽带的信息接口；第二，提供家庭内部的通信，资源共享；第三，为家庭设备控制网络提供信息链接。前两项的通讯对数据流量和数据延迟的要求较高，第3项对数据流量和数据延迟的要求较低。而通过家庭网络对家电、智能化的保安监控系统、灯光、能源、住宅环境等系统的监视和控制，最能够满足用户的直接需求，不仅是智能家居的直接表现，同时也是智能家居的核心内容。在家庭网络中具有上述控制监视功能的部分可称为家庭网络的控制部分。
3 家庭网络控制部分的应用技术
家庭网络的控制部分可以通过多种媒质，按照物理实现的方式分为有线和无线两大类。有线方案主要包括：总线制，电力线载波等；无线方案主要包括：红外线连接，无线电连接、rf技术连接和基于pc的无线连接等。
3. 1 集中布线技术（总线制）
单独布设家庭网络线路，利用弱电控制线来实现对家电或灯光的控制及信息传输，以前主要应用于楼宇智能化控制，因为单独布线，所以信号最稳定，适合于楼宇和小区智能化等大区域范围的控制，现部分应用于别墅智能化，但一般设置安装比较复杂，造价较高，工期较长，只适用新装修用户。
3. 2 无线射频（home rf）技术
利用点对点的射频技术，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制，但系统功能比较弱，控制方式比较单一，且易受周围无线设备环境及阻碍物干扰；适用于新装修户和已装修户。
3. 3 电力载波
主要利用家庭内部现有的电力线传输控制信号，从而实现对家电和灯光的控制和管理，安装设置比较简单，很多设备都是即插即用，可以随意按需选配产品，而且可以不断智能化升级，功能相对比较强大而且实用，价格适中，比较适合大众化消费，技术非常成熟，已有25年左右的历史，适用于新装修户和已装修户，是比较健康、安全、环保的智能家居技术。
4 电力载波技术具体分析
由于家庭网络承担的协议和功能较多，采用单一网络难以完成，一般是以一种通讯技术为主，其他通讯技术为补充。当前的家庭网络控制的主要功能是：实现照明控制、安防控制、环境控制、能源控制、远程通讯等功能，控制信号的传输和反馈要求带宽低，对延时不敏感，以电力载波通讯技术作为主要通讯手段可快速实现对上述方面的全方位控制，并可实现远程通讯管理，同时具有其他两种通讯介质不可比拟的优势。
4. 1 x10协议
x10协议是由英国pico e lectronics公司的工程师在20世纪70年代后期开发并获得专利的，x10系统由三部分组成，即发射器、接收器和系统保障设备。发射器通过电力线发射控制信号给接收器，由接收器对被控器件进行远程控制。x10信号根据电力线信号正负过零点处120 khz脉冲信号出现与否来进行传输。利用该电力线网络做载体传输控制信号，将120 kh z的编码信号加载到60h z（我国是50h z）的电力线上，有载波信号表示数据1, 无载波信号表示数据 0 （在正弦波的0 相位处有120 kh z脉冲群，并且紧随其后的？？相位处无脉冲群则表示 1信号，如果在正弦波的0相位处没有脉冲群，并且紧随其后的？？相位处有脉冲群则表示 0信号） , 如图1所示。
由发射设备将x10信号发送给接收器，而每个接收设备都预先设定了一个地址码。地址码是由房间码（a ~ p）和单元码（ 1~ 16）组成，有了x10电力线载波通信协议，家里所有接到电力线上的设备几乎都能控制。系统保障设备主要是由于电力线干扰问题，用来检测和解决电力线噪音问题的一些设备，主要目的是保障x10信号在电力线上传输的稳定与有效强度，从而保障x10系统运作正常。
x10 系统的突出优点：
①安装方便（采用电力线介质通讯，无需另布线）； ②操作简单（只需要用户在拨号盘上设置地址即可）；③价廉物美，经济实用；④使用简便、控制灵活；⑤按需选配，升级空间大（系统没有主机、中心总控制台，组建系统就像搭积木，可以按照用户的需要量体裁衣选配产品，它可以不断扩展升级的特点可以让用户分阶段的将系统的功能完善，不断提升生活的档次）；⑥与现有的系统兼容性比较好，互不冲突；⑦ 标准协议，高级控制： x10是一个开放、标准的协议，可以和很多高级设备接入，实现更高级的智能家居控制方式。
x10技术也存在致命的缺点：传送数据的速率慢，其寻址能力弱，传输介质单一。
图1 载波信号示意图
4. 2 plcbus协议
由于x10技术在现代智能家居领域发展的局限性，针对其传输距离短、抗干扰能力、双向通讯可行性差、地址少等缺点，开发了具有代表性的plcbus技术。plcbus技术是近几年发展起来的一种电力载波通讯技术，英文名称叫做pulse positionmodulation （ ppm）脉冲相位调制法。它利用电力线的正弦波作为同步信号，在4个固定的时序中发送瞬间电脉冲传递信号。系统主要由三部分组成，即发射器、接收器和系统配套设备。发射器主要作用是通过电力线发射plcbus控制信号给接收器，通过对接收器的控制，从而达到间接控制灯及电器设备的目的。接收器主要作用是接收来自电力线的plcbu s控制信号，并执行相关控制命令，从而达到灯及电器控制的目的。由于plcbus的ppm 通讯方式的特殊性，plcbus的接收器可以很轻松简单的还原出plcbus 的编码。系统配套设备主要是为了配合发射器及接收器设备，辅助实现控制目的。
plcbus信号是通过给一个电容进行高压充电，然后在一个很精确的时间里将电容的电量释放到电力线上。这种快速的电容放电会在电力线上产生一个瞬间的能量脉冲，因而plcbus信号可以传递得很远。
每半个50h z的正弦波周期可以传递一个plcbus脉冲信号，plcbus脉冲信号总是出现在半个正弦周期里的4个固定位置中的一个位置。每个位置可以搭载2 b的信息，因此在50hz的电力线上，1 s可以传输200 b的数据。plcbus脉冲信号正好处于电力线半波的后半个周期，因为后半个周期处于能量下降区域，在这个区域的电力线噪音要比前半个周期小很多，而x10处于前半个周期。如图2所示。
图2 plcbus 脉冲信号
plcbus技术的优点：①高度可靠，万无一失。plcbus技术采用新的电力线加载技术，利用低频、广谱技术产生一种非常超强的电力通信信号，使其具有强抗干扰性；它的通信方式要可靠得多，通常在信号收发的传输中，plcbus技术接收到的比率是x10技术的100~ 1 000倍；②超级速度，即控即现。
plcbus的信号传输速度是x10技术的20~ 40倍。这相当于每秒钟可完成10个完整指令，平均每条指令从发射到执行在0. 1 s之内，几乎是即控即现；③双向通信，状态反馈。双向通信的功能，能让被控制设备真实反馈开关状态信号，以便确定控制命令是否真正被正确执行。plcbus技术100% 双向通信功能，也可实现多种设置方式和用电脑来进行控制；④ 地址丰富；⑤传输距离远。
plcbus技术设备可以与x10, cebus, 和lonw orks设备兼容，完全不会产生任何信号冲突。它采用了与宽带、窄频和扩频技术完全不同的频率范围。并且plcbus技术的通信方式与x10, cebus, lon-w orks的调制解调技术也完全不同。而且，只要安装了x10与plcbus信号转换器，就能轻松实现x10系统与plcbus系统的相互通信与控制。
5 结论
x10和plcbus是利用电力线载波通讯技术针对智能家居开发的通讯协议，具有造价低廉，简单稳定的特点，其通讯速率作为智能家居的控制网络部分，传送动作或者指令已经足够，可全面实现家庭自动化。x10和plcbu s协议各有特点，采用此类通讯方式的智能家居产品具有广阔的市场前景。