隨著科技的進(jìn)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(xiàn)場總線，如CE-Bus、Lonworks、X-10、HBS、DeviceNet、EIB等^[1]。由于各種總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)互不兼容，接入Internet的方式也各不相同。如何將現(xiàn)有的X-10智能家居系統(tǒng)接入Internet，目前國內(nèi)尚無研究?；诖?，本文設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議、戶內(nèi)基于電力線載波通信X-10協(xié)議的嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)。利用現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)，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(gè)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(yīng)用于智能家居和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)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(xiàn)有的電力線路控制家庭內(nèi)部電器開關(guān)以及進(jìn)行照明調(diào)光、供水供暖、安防警報(bào)的智能化設(shè)備。其產(chǎn)品長期占據(jù)著美國智能家居市場的主導(dǎo)地位，在國內(nèi)市場也應(yīng)用廣泛。
　　X-10信號(hào)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(shí)刻為交流電正弦波的過零點(diǎn)，過零點(diǎn)處有幅值為5V、頻率為120kHz的脈沖時(shí)表示二進(jìn)制1，無則表示0。一條完整的X-10指令由間隔三個(gè)電力線周期的兩部分?jǐn)?shù)據(jù)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(hào)衰減和干擾噪聲的影響，X-10信號(hào)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(shù)解決了如何將Internet接入X-10智能家居系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的問題。

2嵌入式X-10智能家庭網(wǎng)關(guān)
2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　智能家居產(chǎn)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(wǎng)的計(jì)算機(jī)上登陸Web頁面。用戶的遠(yuǎn)程操作指令由服務(wù)器發(fā)送到對應(yīng)的IP地址，經(jīng)嵌入式X-10智能家庭網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為X-10信號(hào)，對本地X-10家電進(jìn)行控制。
2.2 嵌入式X-10智能家庭網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)
　　嵌入式X-10網(wǎng)關(guān)的MCU和主要外圍結(jié)構(gòu)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(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)比32位RISC芯片,內(nèi)含ARM7TDMI RISC處理器核，支持實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，適合于對價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場合^[4]。

　　嵌入式X-10網(wǎng)關(guān)的MCU和主要外圍結(jié)構(gòu)具體為：
　　(1)MCU外圍擴(kuò)展模塊：包括片外擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器、SDRAM存儲(chǔ)單元和JTAG調(diào)試接口。
　　(2)載波模塊：主要包含過零檢測電路、載波信號(hào)調(diào)制電路和信號(hào)解調(diào)" title="信號(hào)解調(diào)">信號(hào)解調(diào)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(wǎng)絡(luò)IP等數(shù)據(jù)的本地設(shè)置界面。
　　(4)網(wǎng)絡(luò)接口：對寬帶網(wǎng)用戶和電話撥號(hào)上網(wǎng)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(gè)獨(dú)立的異步串行I/O口實(shí)現(xiàn)和Internet的數(shù)據(jù)通信。
2.3 X-10載波收發(fā)模塊的電路設(shè)計(jì)
　　X-10電力線載波模塊由零點(diǎn)檢測、信號(hào)調(diào)制、信號(hào)解調(diào)、燈光驅(qū)動(dòng)、地址設(shè)定和開/關(guān)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(diǎn)，通知MCU同步發(fā)送或接收信號(hào)。
2.3.1 X-10電力線載波信號(hào)調(diào)制電路
　　如圖3所示，X-10電力線載波信號(hào)調(diào)制電路包括載波信號(hào)發(fā)生、信號(hào)放大、信號(hào)耦合等幾部分。

　　圖3采用幅值調(diào)制，通過一個(gè)CMOS多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)發(fā)生。當(dāng)PLCOUT為高電平時(shí)，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(dǎo)通；發(fā)送信號(hào)時(shí)，PLCOUT為低電平，或非門A和B產(chǎn)生自激振蕩，調(diào)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(shù)可由式(1)估算，最后通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整確定。
　　T=RCln4≈1.4RC　　　　　(1)
　　三極管Q6增加U3C的驅(qū)動(dòng)能力，120kHz的信號(hào)通過可調(diào)電感T3耦合到電源線上。變壓器T3實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)T3副邊的電感，使其與C16在120kHz時(shí)發(fā)生諧振，從而提高了信號(hào)的輸出功率。
2.3.2 X-10電力線載波信號(hào)解調(diào)電路
　　X-10電力線載波信號(hào)解調(diào)電路如圖4所示，包括檢波和解調(diào)兩部分。T1為可調(diào)電感，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離并與C1組成諧振電路，電容C2起高通濾波作用。經(jīng)三極管Q2交流放大后的信號(hào)為120kHz、5V的方波信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1ms，無信號(hào)時(shí)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(dāng)電容充電超過0.7V時(shí)，三極管Q3輸出低電平。

3 嵌入式X-10智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)
　　嵌入式X-10智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)需要移植μClinux操作系統(tǒng)到目標(biāo)平臺(tái)^[5]， μClinux是對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)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(qiáng)、支持多種典型的處理器構(gòu)架和多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。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(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層，舍棄了多余數(shù)據(jù)和功能，集中解決了MCU的上網(wǎng)問題。
　　嵌入式X-10網(wǎng)關(guān)需要建立起設(shè)備地址命令和X-10碼的轉(zhuǎn)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(shè)備，每個(gè)設(shè)備地址分為房間號(hào)(A,B,C,…P)和單元號(hào)(1,2,…16)，如A1、C9等。用戶可隨意改變家中設(shè)備的地址，并對其進(jìn)行控制。

　　發(fā)送X-10碼時(shí)，采用載波偵聽多路訪問(CSMA)協(xié)議解決信道競爭問題。當(dāng)發(fā)送模塊檢測到電源線上連續(xù)4個(gè)周期無信號(hào)時(shí)，認(rèn)為信道為空，開始發(fā)送數(shù)據(jù)；若檢測到有信號(hào)，則隨機(jī)等待幾個(gè)周期后再重新偵聽總線。為防止數(shù)據(jù)發(fā)送過程中的信道競爭，發(fā)送模塊在發(fā)送二進(jìn)制“0”時(shí)，偵聽總線上是否有信號(hào)，若有，則立即中止此次發(fā)送，隨機(jī)等待4、5個(gè)周期后再重新發(fā)送信號(hào)。
4 調(diào)試結(jié)果及結(jié)論
　　經(jīng)調(diào)試，在遠(yuǎn)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(hào)如圖5所示。圖5中CH1為50Hz家用電力線的過零點(diǎn)同步方波信號(hào)，CH2為電力線上濾波后的X-10信號(hào)。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(bǔ)碼，對照圖1，1110為起始碼，011001100為地址A1，00111為指定燈關(guān)命令。執(zhí)行結(jié)果與遠(yuǎn)程Web頁面的指令完全一致。