В статье рассмотрены устройства «умного» дома, работающие с использованием протокола Х10.

История протокола связи Х10 для управления бытовыми электроприборами с центрального пульта насчитывает почти четыре десятилетия. Он был разработан еще в 1975 году компанией «Pico Electronics» и быстро приобрел статус стандарта «де-факто». Произошло это благодаря остроумному инженерному решению: использовать электрическую проводку дома для передачи управляющих сигналов.

Развитие идеи получило в промышленных модемах PLC, используемых сегодня для передачи данных от электрических счетчиков по силовой электропроводке. Примером могут служить счетчики «Меркурий» московской фирмы «Инкотекс». Но, в отличие от своего прародителя, этот протокол передачи данных является закрытым, поскольку использует фирменный алгоритм кодировки данных для достижения высокой помехоустойчивости.

Сегодня только фирм, выпускающих изделия, совместимые с протоколом Х10, насчитывается десятки, если не сотни. К ним добавились китайские производители изделий домашней автоматизации с протоколом S10, который является если не клоном, то уж точно родным братом Х10. Но обилие изделий на рынке и огромная былая популярность вовсе не означает, что у этого стандарта нет проблем.

Для начала коротко познакомимся с особенностями передачи данных через силовую сеть протокола Х10. Все изделия, удовлетворяющие протоколу, можно разделить на передатчики (источники управляющих сигналов) и приемники, или исполнительные схемы. Управляющие сигналы передаются в момент пересечения напряжением нулевого значения.

Передатчик, определив момент нулевого перехода, с запаздыванием не более 200 микросекунд выдает управляющий сигнал продолжительностью 1 мс в виде пакета (цуга) колебаний частотой 120 кГц и амплитудой до 5В. Приемники сигналов на это время «открывают» временное окно и «слушают» сеть. При появлении сигнала в разрешенное время он обрабатывается. В изначальной версии можно было управлять 256 приемниками. Более подробно описание протокола можно найти в многочисленных источниках. Нам для обсуждения более детальная информация не понадобится.

Особенностью протокола Х10 является последовательная передача двоичных кодов команд. За один переход через нулевое значение передается только один бит информации. Поэтому это очень медленный протокол: передача стандартной команды на включение или выключение устройства занимает около секунды. С подобным неудобством еще можно мириться.

Но следующий недостаток может серьезно ограничить время жизни стандарта-долгожителя. Речь пойдет о крайне низкой помехозащищенности устройств, работающих с протоколом Х10. Со времен изобретения протокола мир разительно изменился. Если в семидесятые годы основным бытовым источником помех были газоразрядные лампы и фены с коллекторным двигателем, то сегодня этот перечень значительно расширился.

Практически в каждом доме или квартире есть телевизоры и компьютеры с импульсным блоком питания. Импульсное питание используют современные экономичные лампы. Даже обыкновенное зарядное устройство содержит нелинейный ограничитель тока – конденсатор. Такое обилие нелинейных нагрузок «загрязняет» электрические сети.

Степень «загрязненности» электрических сетей настолько высока, что ее трудно сравнить даже с зашумленностью в радиодиапазонах. Там давно действуют жесткие правила, регламентирующие работу радиоаппаратуры. Требования к качеству электрических сетей приняты в США и европейских странах (евронормали), но и они не могут гарантировать работу аппаратуры стандарта Х10 без сбоев. О качестве энергии в сетях стран СНГ лучше вообще не говорить – оно удручающее.

В этих условиях передача информации по электрическим сетям возможна только при изощренной системе кодирования помехоустойчивыми алгоритмами. А в протоколе Х10 используется в командах только один контрольный бит и амплитудная модуляция. Поэтому большинство пользователей устройств, работающих в стандарте Х10, жалуются на сбои в выполнении команд.

Для борьбы с внешними помехами и не санкционированным доступом к системе, устанавливают фильтры, например модуль FM10, входящий в состав линейки блоков Х10. Но с ростом числа источников помех внутри дома, таких модулей может потребоваться несколько. Все это усложняет и перегружает систему вспомогательными блоками.

Вообще, анализируя обилие устройств, совместимых с Х10, возникает крамольный вопрос: «Не проще ли отказаться от стандарта, имеющего столько недостатков и перейти на построение системы, основанной на современном протоколе?».

Современный набор пультов, работающих с использованием радиоканалов, вполне справляется с задачами домашней автоматизации автономно. Поэтому встраивать в них дополнительную функцию поддержки Х10 – это скорее дань традиции, чем необходимость.

Ведь для ввода управляющего сигнала в силовую сеть требуются трансиверы, что усложняет как сами пульты, так и систему в целом. Еще нужно добавить ретрансляторы информационных сигналов, фильтры перепадов напряжения, блокираторы сигналов, мосты для связи с разными фазами и т.д. Перечень вспомогательного оборудования, повышающего надежность системы, давно превысил сложность базовых устройств самой системы.

Для кого же тогда все это выпускается? Дело в том, что только в США около 5 миллионов домов оборудовано системами автоматизации протокола Х10. Не меньшее количество систем функционирует в Европе. С момента появления стандарта реализовано более 100 миллионов изделий. На этих потребителей и ориентируются производители, непрерывно расширяя перечень.

Но для тех, кто только думает заняться увлекательной проблемой создания «умного дома», ориентироваться на стандарт Х10 и оборудование, его поддерживающее, не стоит. Сегодня на рынке предлагается современные изделия для домашней автоматизации, выполняющие обширный круг задач: измерение температуры и влажности, управление нагрузками непосредственно и таймером, и много другого. При этом они гораздо надежней, а зачастую и дешевле.

И еще одно: при всех своих недостатках и почтенном возрасте, изделия стандарта Х10 сегодня далеко не из дешевых. Простейший базовый набор, состоящий из пульта и приемника, стоит от 200 долларов, а каждый дополнительный блок еще в среднем 30 долларов. А продукция «солидных» изготовителей, например, бельгийской фирмы Xanura, обойдется в 2300 долларов за многофункциональный контроллер и 300 за ИК-трансивер.

Поэтому те, кто отдаст предпочтение этому стандарту, должны быть очень осторожны как в определении задач, которые будет решать система вашего «умного» дома, так и выборе поставщиков устройств. Лучший вариант – это купить продукцию фирмы «Х10 Inc», которая широко представлена на рынках СНГ, но возможны и другие варианты, зависящие от ваших финансовых возможностей.

Источник

Что такое протокол x10

Первоначально фирма Pico Electronics занималась разработкой калькуляторов и микросхем для них (проекты с 1-го по 8-й). Затем в сферу ее внимания попали системы дистанционного управления проигрывателями грампластинок, воплотившиеся в проект номер 9. От него оставался один шаг до проекта дистанционного управления домашними электроприборами по электросети, который получил номер 10, откуда и десятка в названии платформы. Попытки аналогичных разработок предпринимались другими компаниями и ранее, но они не имели коммерческого успеха. В то же время X10, едва появившись, приобрела большую популярность, несмотря на ряд ощутимых недостатков, и дала мощный толчок развитию индустрии «умного» дома. Успеху платформы способствовали несколько обстоятельств, в т.ч. повышенная, по сравнению с аналогами того времени, помехоустойчивость за счет синхронизации информационного обмена с моментом перехода сетевого напряжения через нуль, относительная дешевизна, первоначальная ориентация на домашних умельцев, и продвижение через торговую корпорацию Radio Shack Corp., продававшую бытовую электронику и товары для радиолюбителей по всему миру. Кроме того, для реализации протокола информационного обмена данной платформы фирма Pico Electronics разработала серию микросхем 785XX, которая существенно сокращала аппаратные затраты, упрощала проектирование и обеспечивала гарантированную взаимную совместимость устройств. Дополнительную информацию по истории платформы X10 можно найти здесь и здесь.

Рис.1 Некоторые компоненты первого поколения платформы X10

Со временем на рынке появилось большое число более современных платформ домашней автоматизации, превосходящих X10 по совокупности технических характеристик, в т.ч. и с передачей информации по стандартной электропроводке. Тем не менее, платформа X10 до последнего времени продолжала пользоваться огромной популярностью, особенно на североамериканском континенте, где ею оснащены миллионы домов и квартир. Однако, несмотря на такой успех, компания X10 WTI в середине 2013 года обанкротилась (см. здесь) и права на бренд и сайт X10.com перешли к ее дилерской компании Authinx Inc.

2. АРХИТЕКТУРА

Вводные сведения

Указанным выше патентом GB-1592971 кроме собственно самого протокола определены и схемотехнические решения для его реализации, на базе которых была разработана серия использовавшихся в компонентах X10 микросхем 785ХХ.

Стандартный протокол X10 для силовой электропроводки.

В силовой электропроводке обмен информацией на физическом уровне организуется с помощью передачи / приема посылок синусоидальных высокочастотных колебаний в окнах, формируемых после каждого пересечения нуля сетевым напряжением, т.е. в каждом полупериоде (см. рис.2).

Рис.2 Окна приема и передачи протокола X10

Данная диаграмма относится к однофазной сети. В случае использования трехфазной сети информационный обмен осуществляется по всем фазам в аналогичных окнах приема-передачи, сдвинутых друг относительно друга на 60 градусов. Для этой цели в комплектах модулей X10 предусматриваются специальные трехфазные ретрансляторы.

Если количество периодов сигнала посылки, принятых в окне приема, больше или равно 48, то такой сигнал идентифицируется как единица. Меньшее значение соответствует нулю. На передачу 1 бита данных отводится два полупериода питающего напряжения, при этом в следующем полупериоде передается инверсное значение. Это не только повышает помехоустойчивость кода, но и обеспечивает возможность выделения пакетов с помощью стартового кода (кода синхронизации) 1-1-1-0, поскольку такая последовательность сигналов в принципе не может встречаться в информационной части пакетов.

Кроме стандартных пакетов есть еще расширенные, используемые командами Extended code (расширенный код команды) и Extended data (расширенные данные), у которых в конце добавляются дополнительнеы байты, а также пакеты групповых команд (см. ниже).

Рис.3 Формат стандартного одиночного пакета X10

Адреса зданий и устройств задаются 4-мя битами (в коде адреса устройства пятый бит D16 всегда имеет значение логического нуля). Принцип кодирования определяется схемой и расположением контактных ламелей вращающихся переключателей на 16 положений, используемых для установки указанных адресов (см. ниже описание компонентов). В коде команд пятый бит D16 всегда имеет значение логической единицы. Собственно, бит D16 как раз и служит для того, чтобы отличать пакет с кодом адреса устройства от пакета с кодом команды. Схемы кодирования адресов и команд для базовой версии протокола (X10 Standard) приведены в таблице.

Рассмотрим назначение и использование команд.

Модификации протокола X10 и его отдельных команд.

Описанная выше система команд протокола X10 была заложена на начальной стадии разработки платформы. Впоследствии и ее разработчиком, и производителями устройств она в определенных пределах развивалась и модифицировалась. Имеется информация по следующим версиям протокола и модификациям отдельных команд:

Отличия X10 Extended от X10 Standard заключаются в следующем:

• Вместо команды Extended Code с кодом 01111 предусмотрена команда Extended Code 1 с тем же кодом. Формат пакета данной команды отличается от стандартного и имеет вид:

Для команд формата Extended Code 1 также регламентированы коды сценариев (LifeStyle Codes), освещенности (Ambient Light Data) и температуры (Temperature Data). Следует также отметить, что данный формат стандартные устройства X10 не поддерживают.

• Вместо команды Extended Data с кодом 11001 предусматривалась команда Extended Code 2 с тем же кодом, которая предназначалась для опроса счетчиков и работы с системами управления энергоресурсами (DMS), при этом имела свой собственный формат пакетов переменной длины с идентификатором, позволяющим отличать их от стандартных пакетов X10. Однако документов, регламентирующих формат данной команды, равно как и ее поддержку какими-либо устройствами, не обнаружено.

• Вместо команды Pre-Set Dim 1 с кодом 1010 предусматривалась команда Extended Code 3 с тем же кодом, которую планировалось использовать для задач безопасности. Однако ее формат так и не был разработан и команда не нашла применения.

• Переведена в разряд неиспользуемых команда Pre-Set Dim 2 с кодом 1011.

Т.о. фактически X10 Extended только расширяет возможности команды Extended Code и регламентирует усовершенствованную процедуру доступа к магистрали Access Protocol.

Команду Extended Code 1 поддерживают ламповые модули LM14A, LM465, выключатели-диммеры WS467, интерфейсный модуль CM11A и ряд других.

Приписывание авторства протокола A10 разработчикам модулей Xanura, которое кочует из публикации в публикацию, является ошибочным. Также является ошибочным утверждение, что размах напряжения на выходе передатчика по протоколу A10 (6В) в два раза больше, чем по протоколу X10 (3В), т.к. согласно документации на интерфейсные модули PL513/TW523 для X10 она составляет не 3В, а 5В.

Замечание: В некоторых источниках иногда в качестве еще одной модификации протокола X10 для силовой электросети упоминается некий протокол S10. Однако никаких сведений о его существовани на момент опубликования данного обзора не обнаружено.

Протокол X10-IR для ИК-канала.

Рис.4 Формат пакета базовой версии протокола X10-IR

В базовой версии, реализованной в панели IR543, предусмотрено использование кода адреса устройства и кода команды в полном соответствии с системой кодирования проводного X10, однако перечень команд ограничен командами On/Off, All Lights On/Off, Dim/Bright. Получив от пульта ДУ пакеты адреса и команды, IR543 преобразует их в проводной формат и отправляет в электросеть, при этом адрес здания формируется в соответствии с установленным на панели. В панелях IR543AH и IR7243W реализован расширенный вариант протокола, который дополнительно к пакетам адреса устройства и команды позволяет транслировать в сеть пакет адреса здания, задаваемого с пульта ДУ, команды Pre-Set Dim 1/2, а также пакеты команд расширенного формата.

Протокол X10-RF для радиоканала.

Рис.5 Формат пакета протокола X10-RF

3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И СХЕМОТЕХНИКА

Для реализация протокола X10 фирмой Pico Electronics Ltd была разработана серия микросхем 785ХХ, базовая функциональная схема которых и алгоритмы функционирования описаны в упомянутом выше основополагающем патенте GB-1592971. В настоящее время данные микросхемы не производятся, в программе поставок производителей не значатся и какая-либо официальная техническая информация по ним (даташиты) в сети Интернет отсутствует. Ниже приводятся примеры схемотехнических решений устройств платформы X10 с использованием данных микросхем.

Рис.6 Микросхема серии 78570 (приемник) в составе модуля AM486

Рис.7 Микросхема 78542 (передатчик) в составе панели управления HR12A

Со временем микросхемы серии 785ХХ стали заменяться на PIC-контроллеры, которые обеспечивали большую гибкость и более широкую функциональность. В настоящее время их использование для реализации протокола X10, особенно в категории «сделай сам», является стандартом «де-факто», что нашло отражение в рекомендациях фирмы Microchip AN236: X-10 Home Automation Using the PIC16F877A, под которые были разработаны соответствующие программные библиотеки.

Рис.8 PIС-контроллер в составе модуля TM751

Рис.9 Схема включения микросхемы PLIX

4. КОМПОНЕНТЫ И ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Компоненты X10 также разрабатывались и выпускались другими компаниями по лицензии фирмы X10. К наиболее известным, выпускавшим и выпускающим полную гамму устройств, относятся следующие:

Рис.10 Микромодуль Xanura (позднее Marmitek/Haibrain)

Marmitek (www.marmitek.com). Первоначально занималась дистрибуцией линеек X10 Power House, X10 Active Home и X10 Pro, а также освоила OEM-производство X10 с оформлением в собственном конструктиве. В середине 2000-х годов Marmitek приобрела указанное выше подразделение компании Holec по разработке и производству устройств A10 Xanura, которое в 2013 году было преобразовано в дочернюю компанию Haibrain (www.haibrain.com), при этом бренд Marmitek был заменен на бренд Haibrain. Полную информацию по продукции Marmitek/Haibrain можно найти в разделах Haibrain X10 Home Automation и Haibrain X10 RF Home Automation, в т.ч. и по модулям в миниатюрном исполнении Haibrain Micromodules

Рис.11 Новые интерфейсные компоненты X10 Haibrain

Примечание: В настоящее время судьба компании ACT неизвестна. Указанный сайт, включая все его разделы, за исключением страницы www.act-solutions.com, с 10.03.2015 недоступен. Ранее на этой странице был дан анонс, что фирме предстоит разделение на три компании по профилю деятельности, а складские остатки продукции были выставлены на распродажу. При прояснении ситуации в данный параграф будут внесены соответствующие добавления.

Рис.12 Модули A10 фирмы ACT

Рис.13 Модули X10 (RD) (изображения взяты с сайта www.razumdom.ru)

Рис.14 X10-совместимые устройства серии TDXE фирмы Taiyito Technology

В документации на модули PL513/TW523 в качестве OEM-производителей устройств X10 указан ряд компаний, в т.ч. Leviton Manufacturing Co, C & K Systems, Shlage Lock Co, Zenith Co. Однако в настоящее время устройства X10 данными фирмами не производятся.

Интерфейс X10 имеют многие аппаратные средства платформ верхнего уровня. В этой категории наиболее популярны контроллеры Ocelot и Leopard фирмы Applied Digital Inc, поддерживающие как протокол ADNET той же фирмы, так и протокол X10. Более подробно X10-совместимые контроллеры верхнего уровня будут рассмотрены в отдельно.

5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Для X10 наработано достаточно много ПО верхнего уровня. Его рассмотрение и анализ является предметом отдельного обзора. Здесь же отметим, что наибольшей популярностью пользуются два специально разработанных для платформы X10 программных продукта:

Кроме того, платформу X10 поддерживает ряд программных пакетов платформ верхнего уровня, например, HomeSeer, Omni (Hai Leviton), Universal Devices и др.

6. ПРАВОВАЯ ЗАЩИТА

Как было сказано в самом начале, архитектура платформы X10 была защищена фирмой Pico Electronics патентами GB-1592971/US-4200862, срок действия которых истек в 1998 году. Позднее патентами также были защищены технические решения по реализации входного каскада приемника (патенты GB-2215892/US-5005187) и репитера для трехфазной сети (патент US-4638299). Сроки действия данных патентов также истекли.

Фирмой ACT был защищен патентом US-5491463 модифицированный вариант архитектуры и протокола X10 (см. протокол A10). Срок действия данного патента также истек. Других патентов, определяющих решения платформы X10 и ее модификаций, не обнаружено.

В связи с этими обстоятельствами в настоящее время технические решения платформы X10 и ее улучшенной модификации A10 не имеют ограничений в использовании и могут свободно тиражироваться.

7. ПРОБЛЕМАТИКА

Платформа X10, хотя и пользуется до сих пор огромной популярностью, обладает целым рядом недостатков, к числу которых относятся:

Ограниченность адресного пространства. Протоколы X10 Standard и X10 Extended предусматривают всего 16 адресов зданий и 16 адресов устройств. Этого для больших систем явно недостаточно. Одним из направлений решения данной проблемы является использование в пределах одной системы нескольких адресов зданий, как, например, в модификации протокола RCS bi-directional X10 Protocol. Однако такой подход всего лишь переносит проблему на другой уровень.

Ослабление уровня полезного сигнала. Результатом ослабления является ухудшение соотношения сигнал-шум, что приводит к усилению влияния помех. Источником данной проблемы является емкостная составляющая входного сопротивления подключенных к сети потребителей, в основном вносимая конденсаторами их сетевых фильтров.

Возможность конфликта передатчиков. Обмен в сетях X10 происходит по инициативе передающих устройств, работа которых друг с другом не синхронизирована. В результате возможно наложение пакетов, приводящее к сбоям. Частично, но не кардинально, эта проблема решается процедурами разрешения конфликтов и процедурами подтверждения приема и выполнения команд протокола X10 Extended, однако многие устройства их не поддерживают.

Описанная проблематика весьма актуальна и ей посвящено достаточно большое число исследовательских работ и разработок. Их содержание и результаты являются предметом отдельных обзоров и в настоящей работе не рассматриваются.

8. КРАТКОЕ РЕЗЮМЕ

Платформа X10 по нынешним меркам, безусловно, морально устарела. Более того, в ней ощущается много непродуманного, необоснованного, «радиолюбительского», вследствие чего ее архитектуру можно с полным основанием назвать «корявой», Эта «корявость» является причиной целого ряда недостатков платформы. Попытки улучшить ее привели к появлению различных «заплаток», которые не только не смогли принципиально изменить качество данного продукта, но и придали ему еще большую степень несовершенства.

Тем не менее, несмотря на принципиальные ограничения и недостатки, платформа X10 до сих пор пользуется большой популярностью, что обусловлено, в первую очередь, ее относительной дешевизной, простотой инсталляции, а также большим объемом внедрения на заре домашней автоматизации. Более того, в то время, как ряд производителей снимает X10 с производства, рядом фирм, в т.ч. отечественных, предпринимаются попытки придать X10 «второе дыхание». Возможно, X10 еще не сказала своего последнего слова. Поэтому задачей наших дальнейших исследований будет разобраться с проблематикой X10 и определить, имеет ли данная технология какие-либо скрытые резервы.

Другие статьи проекта «Умный Дом в разрезе», имеющие отношение к теме «платформа X10»:

Источник