隨著科技的進步，智能家居系統(tǒng)(Smart Home System)接入Internet將成為未來智能家居的發(fā)展趨勢。目前全世界約有40多種樓宇現場總線，如CE-Bus、Lonworks、X-10、HBS、DeviceNet、EIB等^[1]。由于各種總線協(xié)議標準互不兼容，接入Internet的方式也各不相同。如何將現有的X-10智能家居系統(tǒng)接入Internet，目前國內尚無研究。基于此，本文設計了遠程基于以太網TCP/IP協(xié)議、戶內基于電力線載波通信X-10協(xié)議的嵌入式智能家庭網關。利用現有家庭網絡，無需另外布線，具有很好的可移植性和兼容性；而且綠色環(huán)保，無電磁輻射和穿透射線污染，是智能家居發(fā)展的一個新方向。
1 X-10智能家居系統(tǒng)
　　X-10協(xié)議是一種目前廣泛應用于智能家居和樓宇自動化領域的電力線載波通信(PLC)協(xié)議，由英國的皮可公司(Pico E1ectronics Ltd)在1976年提出^[2]，它利用家中現有的電力線路控制家庭內部電器開關以及進行照明調光、供水供暖、安防警報的智能化設備。其產品長期占據著美國智能家居市場的主導地位，在國內市場也應用廣泛。
　　X-10信號是加載在家用220V電力線上、滿足X-10通信協(xié)議的脈沖群。其發(fā)送時刻為交流電正弦波的過零點，過零點處有幅值為5V、頻率為120kHz的脈沖時表示二進制1，無則表示0。一條完整的X-10指令由間隔三個電力線周期的兩部分數據幀組成，如圖1所示。
　　圖1中前一部分為尋址幀，包括起始碼(START CODE)、房間碼(HOUSE CODE)和單元碼(UNIT CODE)；后一部分為命令幀，包括起始碼、房間碼和命令碼。為降低誤碼率，尋址幀和命令幀都傳輸兩遍^[3]。由于信號衰減和干擾噪聲的影響，X-10信號在電力線上傳輸距離有限(約200米)，32位ARM微控制器(MCU)和嵌入式Linux技術解決了如何將Internet接入X-10智能家居系統(tǒng),并實現遠程控制的問題。

2嵌入式X-10智能家庭網關
2.1系統(tǒng)總體結構
　　智能家居產品公司提供基于家庭用戶名和密碼的Web Server，用戶在接入以太網的計算機上登陸Web頁面。用戶的遠程操作指令由服務器發(fā)送到對應的IP地址，經嵌入式X-10智能家庭網關轉換為X-10信號，對本地X-10家電進行控制。
2.2 嵌入式X-10智能家庭網關的硬件結構
　　嵌入式X-10網關的MCU和主要外圍結構如圖2所示，使用Samsung公司的嵌入式微控制芯片S3C4510B。它是基于以太網應用系統(tǒng)的高性價比32位RISC芯片,內含ARM7TDMI RISC處理器核，支持實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)，適合于對價格及功耗敏感的應用場合^[4]。

　　嵌入式X-10網關的MCU和主要外圍結構具體為：
　　(1)MCU外圍擴展模塊：包括片外擴展FLASH存儲器、SDRAM存儲單元和JTAG調試接口。
　　(2)載波模塊：主要包含過零檢測電路、載波信號調制電路和信號解調" title="信號解調">信號解調電路。
　　(3)用戶層面：LCD和鍵盤接口提供了家庭用戶對各X-10信息家電和網絡IP等數據的本地設置界面。
　　(4)網絡接口：對寬帶網用戶和電話撥號上網用戶提供兩種接入方式——Ethernet PHY和嵌入式modem接口。使用S3C4510B的UART單元提供兩個獨立的異步串行I/O口實現和Internet的數據通信。
2.3 X-10載波收發(fā)模塊的電路設計
　　X-10電力線載波模塊由零點檢測、信號調制、信號解調、燈光驅動、地址設定和開/關按鈕電路組成。過零檢測電路檢測220V交流電正弦波的過零點，通知MCU同步發(fā)送或接收信號。
2.3.1 X-10電力線載波信號調制電路
　　如圖3所示，X-10電力線載波信號調制電路包括載波信號發(fā)生、信號放大、信號耦合等幾部分。

　　圖3采用幅值調制，通過一個CMOS多諧振蕩器實現載波信號發(fā)生。當PLCOUT為高電平時，或非門A輸出低電平，B輸出高電平，C輸出低電平，三極管Q6不導通；發(fā)送信號時，PLCOUT為低電平，或非門A和B產生自激振蕩，調整R11與C13的值，使振蕩頻率為120kHz。振蕩周期T或粗選R、C的元件參數可由式(1)估算，最后通過實驗調整確定。
　　T=RCln4≈1.4RC　　　　　(1)
　　三極管Q6增加U3C的驅動能力，120kHz的信號通過可調電感T3耦合到電源線上。變壓器T3實現了高壓與低壓的隔離。電容C14阻斷低頻的高壓，防止變壓器飽和；調節(jié)T3副邊的電感，使其與C16在120kHz時發(fā)生諧振，從而提高了信號的輸出功率。
2.3.2 X-10電力線載波信號解調電路
　　X-10電力線載波信號解調電路如圖4所示，包括檢波和解調兩部分。T1為可調電感，實現強弱電隔離并與C1組成諧振電路，電容C2起高通濾波作用。經三極管Q2交流放大后的信號為120kHz、5V的方波信號，持續(xù)時間為1ms，無信號時輸出為低電平。由于R3的阻值選得較大，使電容C3充電快，放電慢。當電容充電超過0.7V時，三極管Q3輸出低電平。

3 嵌入式X-10智能家庭網關的軟件實現
　　嵌入式X-10智能家庭網關系統(tǒng)需要移植μClinux操作系統(tǒng)到目標平臺^[5]， μClinux是對標準Linux內核裁剪形成的高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、可移植性強、支持多種典型的處理器構架和多種網絡協(xié)議的優(yōu)點。使用精簡TCP/IP協(xié)議^[6](Thin TCP/IP)，將傳統(tǒng)TCP/IP的開放系統(tǒng)互連(OSI) 模型簡化為四層:應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層，舍棄了多余數據和功能，集中解決了MCU的上網問題。
　　嵌入式X-10網關需要建立起設備地址命令和X-10碼的轉換表，如表1所示。表1中，X-10智能家居系統(tǒng)最多可控制256組設備，每個設備地址分為房間號(A,B,C,…P)和單元號(1,2,…16)，如A1、C9等。用戶可隨意改變家中設備的地址，并對其進行控制。

　　發(fā)送X-10碼時，采用載波偵聽多路訪問(CSMA)協(xié)議解決信道競爭問題。當發(fā)送模塊檢測到電源線上連續(xù)4個周期無信號時，認為信道為空，開始發(fā)送數據；若檢測到有信號，則隨機等待幾個周期后再重新偵聽總線。為防止數據發(fā)送過程中的信道競爭，發(fā)送模塊在發(fā)送二進制“0”時，偵聽總線上是否有信號，若有，則立即中止此次發(fā)送，隨機等待4、5個周期后再重新發(fā)送信號。
4 調試結果及結論
　　經調試，在遠程Web頁面選擇了熄滅家中地址為A1的燈的指令：Light A1 OFF。
　　在本地示波器上得到的家中信息家電收到的X-10信號如圖5所示。圖5中CH1為50Hz家用電力線的過零點同步方波信號，CH2為電力線上濾波后的X-10信號。將其譯成X-10碼為：尋址段：11100(1)1(0)1(0)0(1)0(1)0(1)1(0)1(0)0(1)0(1) 11100(1)1(0)1(0)0(1)0(1)0(1)1(0)1(0)0(1)0(1)命令段：11100(1)1(0)1(0)0(1)1(0)0(1)0(1)1(0)1(0)1(0)11100(1)1(0)1(0)0(1)1(0)0(1)0(1)1(0)1(0)1(0) 。除去補碼，對照圖1，1110為起始碼，011001100為地址A1，00111為指定燈關命令。執(zhí)行結果與遠程Web頁面的指令完全一致。