X10 — это протокол для связи между электронными устройствами, используемыми для домашней автоматизации ( домотехники ). Он в основном использует проводку линии электропередач для сигнализации и управления, где сигналы включают кратковременные радиочастотные импульсы, представляющие цифровую информацию. Также определен транспортный протокол на основе беспроводного радио .
X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics из Гленротса, Шотландия , для обеспечения удаленного управления домашними устройствами и приборами. Это была первая универсальная сетевая технология домашней автоматизации, которая до сих пор остается наиболее широкодоступной [ требуется ссылка ] . [1]
Несмотря на то, что существует ряд альтернатив с более высокой пропускной способностью , X10 по-прежнему популярен в домашних условиях: по всему миру используются миллионы устройств, а новые компоненты доступны по невысокой цене.
В 1970 году группа инженеров основала компанию Pico Electronics в Гленротесе, Шотландия . [2] Компания разработала первый однокристальный калькулятор . [1] Когда цены на интегральные схемы калькуляторов начали падать, Pico переориентировалась на коммерческие продукты, а не на простые ИС.
В 1974 году инженеры Pico совместно с Birmingham Sound Reproducers , в то время крупнейшим производителем устройств для смены пластинок в мире, разработали проигрыватель пластинок ADC Accutrac 4000. Его можно было запрограммировать на воспроизведение выбранных треков, и им можно было управлять с помощью пульта дистанционного управления с использованием ультразвуковых сигналов, что породило идею дистанционного управления для освещения и приборов. К 1975 году был задуман проект X10, названный так потому, что это был десятый проект. В 1978 году продукты X10 начали появляться в магазинах RadioShack и Sears . Совместно с BSR было сформировано партнерство под названием X10 Ltd. В то время система состояла из 16-канальной командной консоли, лампового модуля и модуля прибора. Вскоре после этого появился настенный модуль переключателя и первый таймер X10.
В 1980-х годах был выпущен компьютерный интерфейс CP-290. Программное обеспечение для интерфейса работало на Commodore 64 , Apple II , классической Mac OS , MS-DOS и Microsoft Windows .
В 1985 году BSR прекратила свое существование, и была образована X10 (USA) Inc. В начале 1990-х годов потребительский рынок разделился на две основные категории: ультра-высокий с бюджетом в 100 000 долларов США и массовый рынок с бюджетом от 2 000 до 35 000 долларов США. CEBus (1984) и LonWorks (1991) были попытками повысить надежность и заменить X10.
Компоненты X10 продаются под различными торговыми марками:
Многие из этих поставщиков с тех пор вышли из этого бизнеса.
Бытовая электропроводка , которая питает свет и приборы, используется для передачи цифровых данных между устройствами X10. Эти данные кодируются на носителе 120 кГц , который передается в виде пакетов во время относительно тихих нулевых переходов сигнала переменного тока 50 или 60 Гц . При каждом нулевом переходе передается один бит. [ 3]
Цифровые данные состоят из адреса и команды , отправленной контроллером на управляемое устройство. Более продвинутые контроллеры также могут запрашивать не менее продвинутые устройства, чтобы они ответили своим статусом. Этот статус может быть таким же простым, как «выключено» или «включено», или текущий уровень затемнения, или даже показания температуры или другого датчика . Устройства обычно подключаются к стене, куда подключается лампа, телевизор или другой бытовой прибор; однако некоторые встроенные контроллеры также доступны для настенных выключателей и потолочных светильников.
Относительно высокочастотная несущая волна , несущая сигнал, не может пройти через силовой трансформатор или через фазы многофазной системы . Для систем с разделенной фазой сигнал может быть пассивно связан от ноги к ноге с помощью пассивного конденсатора , но для трехфазных систем или там, где конденсатор обеспечивает недостаточную связь , можно использовать активный повторитель X10 . Чтобы сигналы могли быть связаны между фазами и при этом соответствовать нулевой точке пересечения каждой фазы, каждый бит передается три раза в каждом полупериоде со смещением на 1/6 цикла.
Также может быть желательно заблокировать выход сигналов X10 за пределы локальной области, чтобы, например, элементы управления X10 в одном доме не мешали элементам управления X10 в соседнем доме. В этой ситуации можно использовать индуктивные фильтры для ослабления сигналов X10, входящих в локальную область или исходящих из нее.
Независимо от того, используется ли линия электропередачи или радиосвязь, пакеты, передаваемые с использованием протокола управления X10, состоят из четырехбитного кода дома , за которым следует один или несколько четырехбитных кодов единиц , за которыми следует четырехбитная команда. Для удобства пользователей, настраивающих систему, четырехбитный код дома выбирается как буква от A до P, а четырехбитный код единицы — это число от 1 до 16.
После установки системы каждое управляемое устройство настраивается на ответ на один из 256 возможных адресов (16 кодов домов × 16 кодов объектов); каждое устройство реагирует на команды, адресованные конкретно ему, или, возможно, на несколько широковещательных команд.
Протокол может передавать сообщение, которое говорит "выберите код A3", за которым следует "включите", что дает команду устройству "A3" включить свое устройство. Перед тем как дать команду, можно обратиться к нескольким устройствам, что позволяет команде воздействовать на несколько устройств одновременно. Например, "выберите A3", "выберите A15", "выберите A4" и, наконец, "включите", заставляют все устройства A3, A4 и A15 включиться.
Обратите внимание, что нет ограничений, которые бы запрещали использовать более одного кода дома в одном доме. Команды «все огни включены» и «все блоки выключены» будут влиять только на один код дома, поэтому установка с использованием нескольких кодов дома фактически разделяет устройства на отдельные зоны.
Недорогие устройства X10 только получают команды и не подтверждают свой статус остальной части сети. Устройства с двухсторонним контроллером позволяют создать более надежную сеть, но стоят в два-четыре раза дороже и требуют двухсторонних устройств X10. [4]
Обратите внимание, что двоичные значения для кодов домов и единиц соответствуют, но они не являются прямой двоичной последовательностью. За кодом единицы следует один дополнительный бит "0", чтобы отличить его от кода команды (подробно описано выше).
В потоке переменного тока частотой 60 Гц каждый переданный бит требует двух нулевых переходов. Бит «1» представлен активным нулевым переходом, за которым следует неактивный нулевой переход. Бит «0» представлен неактивным нулевым переходом, за которым следует активный нулевой переход. Активный нулевой переход представлен 1-миллисекундным всплеском 120 кГц в точке нулевого перехода (номинально 0°, но в пределах 200 микросекунд от точки нулевого перехода). Неактивный нулевой переход не будет иметь импульса сигнала 120 кГц.
Чтобы обеспечить предсказуемую начальную точку, каждый передаваемый кадр данных всегда начинается с начального кода из трех активных нулевых переходов, за которыми следует неактивный переход. Поскольку все биты данных отправляются как один активный и один неактивный (или один неактивный и один активный) нулевой переход, начальный код, имеющий три активных перехода подряд, может быть однозначно обнаружен. Многие таблицы протокола X10 представляют этот начальный код как «1110», но важно понимать, что это в терминах нулевых переходов, а не битов данных.
Сразу после стартового кода появляется 4-битный код дома (обычно представленный буквами от A до P на интерфейсных устройствах), а после кода дома следует 5-битный код функции . Коды функций могут указывать код номера устройства (1–16) или код команды. Номер устройства или код команды занимает первые 4 из 5 бит. Последний бит — 0 для кода устройства и 1 для кода команды. Несколько кодов устройств могут передаваться последовательно, прежде чем будет окончательно отправлен код команды. Команда будет применена ко всем отправленным кодам устройств. Также можно отправить сообщение без кодов устройств, только с кодом дома и кодом команды. Это будет применяться к команде для последней группы ранее отправленных кодов устройств.
Один стартовый код, один домашний код и один функциональный код называются кадром X10 и представляют собой минимальные компоненты допустимого пакета данных X10.
Каждый кадр отправляется дважды подряд, чтобы убедиться, что приемники понимают его на фоне любого шума линии электропередач в целях избыточности, надежности и для размещения ретрансляторов линии. После учета 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.
Всякий раз, когда данные изменяются с одного адреса на другой адрес, с адреса на команду или с одной команды на другую команду, кадры данных должны быть разделены как минимум 6 четкими нулевыми переходами (или «000000»). Последовательность из шести нулей сбрасывает аппаратное обеспечение декодера устройства.
Более поздние разработки (1997) аппаратного обеспечения являются усовершенствованиями собственного аппаратного обеспечения X10. В Европе (2001) для рынка 230 В переменного тока 50 Гц. Все улучшенные продукты используют тот же протокол X10 и совместимы.
Для обеспечения беспроводных клавиатур, дистанционных переключателей, датчиков движения и т. д. также определен протокол RF. Беспроводные устройства X10 отправляют пакеты данных, которые почти идентичны протоколу NEC IR , используемому многими ИК-пультами, а затем радиоприемник обеспечивает мост , который преобразует эти радиопакеты в обычные пакеты управления линией электропередачи X10. Беспроводной протокол работает на частоте 310 МГц в США и 433,92 МГц в европейских системах.
Устройства, доступные с использованием радиопротокола, включают в себя:
В зависимости от нагрузки, которая должна контролироваться, необходимо использовать различные модули. Для нагрузок ламп накаливания можно использовать модуль лампы или модуль настенного выключателя . Эти модули переключают питание с помощью твердотельного переключателя TRIAC и также способны регулировать яркость нагрузки лампы. Модули лампы практически бесшумны в работе и, как правило, рассчитаны на управление нагрузками в диапазоне приблизительно от 60 до 500 Вт .
Для нагрузок, отличных от ламп накаливания, таких как люминесцентные лампы , высокоинтенсивные разрядные лампы и бытовые электроприборы , электронная коммутация на основе симистора в модуле лампы не подходит, и вместо нее необходимо использовать модуль прибора . 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, называемую локальным управлением . Если модуль выключен, управление выключателем питания на лампе или приборе приведет к включению модуля. Таким образом, лампа может гореть или кофеварка может быть включена без необходимости использования контроллера X10. Модули настенных выключателей могут не предлагать эту функцию. В результате старые модули Appliance могут не работать, например, при очень низкой нагрузке, такой как настольная светодиодная лампа мощностью 5 Вт.
Некоторые настенные выключатели предлагают функцию, называемую локальным затемнением . Обычно локальная кнопка настенного выключателя просто обеспечивает управление включением/выключением без возможности локального затемнения управляемой лампы. Если предлагается локальное затемнение, удерживание кнопки заставит лампу циклически проходить через свой диапазон яркости.
Модули более высокого класса обладают более продвинутыми функциями, такими как программирование уровней, настраиваемая скорость затухания, возможность передачи команд при использовании (так называемые двухсторонние устройства) и поддержка сцен .
Существуют сенсорные модули, которые считывают и сообщают о температуре, освещении, инфракрасном излучении, движении или открытии и закрытии контактов. Модули устройств включают термостаты, звуковые сигнализации и контроллеры для низковольтных переключателей.
Контроллеры X10 варьируются от чрезвычайно простых до очень сложных.
Простейшие контроллеры организованы для управления четырьмя устройствами X10 по четырем последовательным адресам (1–4 или 5–8). Контроллеры обычно содержат следующие кнопки:
Более сложные контроллеры могут управлять большим количеством устройств и/или включать таймеры, которые выполняют предварительно запрограммированные функции в определенное время каждый день. Также доступны устройства, которые используют пассивные инфракрасные датчики движения или фотоэлементы для включения и выключения света в зависимости от внешних условий.
Наконец, существуют очень сложные устройства, которые можно полностью запрограммировать и/или контролировать с помощью программного обеспечения под названием Active Home, например, последовательного интерфейса CM11A. Эти системы могут выполнять множество различных синхронизированных событий, реагировать на внешние датчики и выполнять нажатием одной кнопки целую сцену , включая свет, устанавливая уровни яркости и т. д. Программы управления доступны для компьютеров под управлением операционных систем Microsoft Windows , Macintosh от Apple , Linux и FreeBSD .
Также доступны системы охранной сигнализации . Эти системы содержат датчики дверей/окон, а также датчики движения, которые используют кодированный радиочастотный (РЧ) сигнал для определения того, когда они срабатывают или просто для обычной проверки и подачи сигнала сердцебиения, чтобы показать, что система все еще активна. Пользователи могут включать и выключать свою систему с помощью нескольких различных пультов дистанционного управления, которые также используют кодированный РЧ сигнал для обеспечения безопасности. При срабатывании сигнализации консоль сделает исходящий телефонный звонок с записанным сообщением. Консоль также будет использовать протоколы X10 для мигания ламп при срабатывании сигнализации, в то время как консоль безопасности будет издавать звук внешней сирены. С использованием протоколов X10 сигналы также будут отправляться на удаленные сирены для дополнительной безопасности.
Существуют мосты для перевода X10 в другие стандарты домашней автоматизации (например, KNX ). ioBridge может использоваться для перевода протокола X10 в API веб-сервиса через модуль интерфейса Powerline X10 PSC04. Домашний контроллер magDomus от magnocomp обеспечивает взаимосвязь и взаимодействие между большинством технологий домашней автоматизации.
Термостат
Поскольку X10 является открытым стандартом, такие компании, как RCS, выпустили модель термостата TX15-B с управлением x10, которым можно управлять через веб-интерфейс или с помощью компьютера, на котором установлено программное обеспечение X10, например HAL или HomeSeer.
Твердотельные переключатели, используемые в элементах управления X10, пропускают очень малый ток утечки. Компактные люминесцентные лампы могут демонстрировать неприятное мерцание в выключенном состоянии; производители КЛЛ рекомендуют не управлять лампами с помощью твердотельных таймеров или пультов дистанционного управления.
Некоторые контроллеры X10 с симисторными твердотельными выходами могут не работать с маломощными устройствами (ниже 50 Вт) или такими устройствами, как люминесцентные лампы, из-за тока утечки устройства. Модуль прибора, использующий реле с металлическими контактами, может решить эту проблему. Многие старые блоки приборов имеют функцию «локального управления», при которой реле намеренно обходит резистор с высоким значением; затем модуль может определять собственный выключатель прибора и включать реле при срабатывании локального выключателя. Этот ток обнаружения может быть несовместим со светодиодными или люминесцентными лампами.
Не все устройства можно использовать с диммером. Люминесцентные лампы не регулируются диммерами для ламп накаливания; некоторые модели компактных люминесцентных ламп регулируются, но стоят дороже. Моторизованные приборы, такие как вентиляторы и т. д., как правило, не будут работать так, как ожидается, с диммером.
Одной из проблем с X10 является чрезмерное затухание сигналов между двумя проводниками под напряжением в 3-проводной системе 120/240 вольт, используемой в типичном североамериканском жилом строительстве. Сигналы от передатчика на одном проводнике под напряжением могут не распространяться через высокое сопротивление обмотки распределительного трансформатора на другой проводник под напряжением. Часто просто нет надежного пути, позволяющего сигналам X10 распространяться от одного провода стойки трансформатора к другому; этот сбой может возникать и исчезать, когда большие 240-вольтовые устройства, такие как печи или сушилки, включаются и выключаются. (При включении такие устройства обеспечивают мост с низким сопротивлением для сигналов X10 между двумя проводами стойки.) Эту проблему можно навсегда решить, установив конденсатор между проводами стойки в качестве пути для сигналов X10; производители обычно продают соединители сигналов, которые подключаются к розеткам 240 вольт, которые выполняют эту функцию. Более сложные установки устанавливают активное устройство повторителя между стойками, в то время как другие объединяют усилители сигнала с устройством связи. Повторитель также необходим для межфазной связи в домах с трехфазным электроснабжением . Во многих странах за пределами Северной Америки целые дома обычно подключены к одному однофазному проводу на 240 вольт, поэтому эта проблема не возникает.
Телевизионные приемники или бытовые беспроводные устройства могут вызывать ложные сигналы "выкл" или "вкл". Фильтрация шума (установленная на компьютерах, а также на многих современных приборах) может помочь отсечь внешние шумы от сигналов X10, но фильтры шума, не предназначенные для X10, могут также ослаблять сигналы X10, проходящие по ответвленной цепи, к которой подключен прибор.
Некоторые типы источников питания , используемые в современном электронном оборудовании, таком как компьютеры, телевизионные приемники и спутниковые приемники, ослабляют проходящие сигналы X10, обеспечивая низкоомный путь для высокочастотных сигналов. Обычно конденсаторы, используемые на входах этих источников питания, замыкают сигнал X10 с линии на нейтраль, подавляя любую надежду на управление X10 в цепи вблизи этого устройства. Доступны фильтры, которые блокируют сигналы X10 от достижения таких устройств; подключение неисправных устройств к таким фильтрам может устранить загадочные периодические сбои X10.
Наличие резервного источника питания или источника резервного питания, например, используемого для компьютеров или других электронных устройств, может полностью вывести эту часть бытовой электросети из строя из-за фильтрации, используемой в источнике питания.
Сигналы X10 могут передаваться только по одной команде за раз, сначала путем обращения к устройству для управления, а затем отправки операции для выполнения этим устройством. Если два сигнала X10 передаются одновременно, они могут конфликтовать или чередоваться, что приводит к командам, которые либо не могут быть декодированы, либо вызывают неверные операции. Трансивер CM15A и RR501 может избежать этих конфликтов сигналов, которые иногда могут возникать с другими моделями.
Протокол X10 медленный. Для передачи адреса устройства и команды требуется примерно три четверти секунды. Хотя это обычно незаметно при использовании настольного контроллера, это становится заметной проблемой при использовании двухпозиционных переключателей или при использовании какого-либо компьютеризированного контроллера. Очевидную задержку можно несколько уменьшить, используя более медленные скорости затемнения устройства. С более продвинутыми модулями другой вариант — использовать расширенные команды группового управления (сцены освещения). Они позволяют регулировать несколько модулей одновременно одной командой.
Протокол X10 поддерживает более продвинутый контроль скорости диммирования, прямую настройку уровня диммирования и групповое управление (настройки сцены). Это делается 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. Они требуют настройки каждой цепи освещения одну за другой, что может быть визуально непривлекательно и также очень медленно.
Стандартные протоколы X10 Power Line и RF не поддерживают шифрование и могут адресовать только 256 устройств. Неотфильтрованные сигналы Power Line от близких соседей, использующих те же адреса устройств X10, могут мешать друг другу. Мешающие беспроводные сигналы RF могут быть получены аналогичным образом, и любой, кто находится поблизости с пультом X10 RF, может легко преднамеренно или непреднамеренно вызвать хаос, если устройство RF to Power Line используется в помещении.