Управление освещением по протоколу X10. Протокол X10 : преимущества и недостатки. "Умный дом"
IT-эксперты утверждают, что рынок "интеллектуальных" домов в России никогда не станет массовым и в ближайшее десятилетие вряд ли выйдет за пределы элитного жилья в Московской области. В перспективе возможным потребителем рынка станет мизерная часть населения с высокими доходами и в регионах, но для широких масс "умный дом" останется красочной картинкой на страницах таблоидов и интернет-ресурсов. Так ли это? Уже сейчас инфраструктура жилища рядового обывателя представляет собой довольно сложную комбинацию различных инженерных систем. Объединить их в одну сеть без глобальных затрат поможет стандарт X10.
Возможности "умного дома"
Самая распространенная и простая функция - управление освещением. Интеллектуальная система позволяет дистанционно контролировать каждый осветительный прибор. Не вставая с места можно включить или выключить освещение в любой комнате или во всем доме сразу, отрегулировать яркость ночной подсветки коридора, ландшафтных светильников. "Умный дом", включая свет в разных местах по определенному алгоритму, отпугнет злоумышленников, имитируя присутствие хозяев в случае их отъезда.
Автоматизированное управление поддержит заданные температурные параметры в помещении, управляя отопительными приборами или системами кондиционирования и вентиляции. Интеллектуальный дом может контролировать охранно-пожарное оборудование и, при возникновении нештатных ситуаций, отправить уведомление на телефон хозяина или соответствующих структур голосовым или СМС-сообщением.
Как все начиналось
X10 - один из первых открытых индустриальных стандартов, разработанный для систем бытовой автоматизации компанией Pico Electronics (Шотландия, Гленротс) в 1975 году. Изначально фирма занималась проектировкой и производством микросхем и микрокалькуляторов. Первый же опыт расширения сферы производства стал очень удачным в коммерческом плане. Платформа X10 быстро приобрела популярность среди разработчиков концепции умного дома и дала ощутимый импульс развитию этой индустрии. Попытки создания подобного интерфейса предпринимались и другими фирмами, но особого успеха не получили.
Для своего времени X10 - протокол с хорошей помехозащищенностью. Популярности способствовали сравнительная дешевизна оборудования, ориентация разработчиков на бытовую автоматизацию, сопровождение и техническая поддержка. На Североамериканском континенте стандарт до сегодняшнего дня востребован и распространен. Вслед за фирмой-разработчиком, широкий спектр X10-совместимых устройств стали выпускать гигантские корпорации IBM и Philips.
В настоящие дни Pico Electronics преобразована в компанию X10 INC (США) с торговой маркой PowerHouse.
Классификация оборудования
Аппаратное обеспечение сети X10 представляет собой совокупность устройств, связанных между собой по стандартной электросети или радиоканалу. В состав базовой системы обязательно входят:
- Передатчики - контроллеры, формирующие и отправляющие команды, модули управления (с компьютерным интерфейсом или автономные), программируемые таймеры с различным временным диапазоном, пульты дистанционного управления (инфракрасного или радиоканала).
- Приемники - исполнительные устройства, выполняющие поступившие команды: ламповые модули и патронные светорегуляторы, диммерные и розеточные блоки, всевозможные приводы.
В случае построения более масштабной сети или расширения существующей часто применяют вспомогательное оборудование:
- Трансиверы, принимающие командные сигналы от пультов ДУ с дальнейшим преобразованием в коммуникационный протокол X10 перед отправкой в электросеть.
- Ретрансляторы и усилители сигналов.
- Фильтры, уменьшающие влияние помех электромагнитного характера.
- Межфазные мосты, для электросетей 380 в (пассивные или активные, для зданий, площадью свыше 300 м2).
- Измерительные устройства, упрощающие монтажные и пусконаладочные работы, датчики (движения, освещенности и т. д.).
Оборудование, выпускаемое различными фирмами, зачастую имеют сходный внешний вид, функционал и даже маркировку. Устройства имеют различное исполнение в зависимости от требований к размещению; для монтажа в линию, на DIN-рейку в стандартных электрошкафах, микромодули для распредкоробок скрытой проводки.
Автоматизацию быта можно начать с нескольких базовых модулей, а затем постепенно увеличивать масштаб и расширять функционал, добавляя новые аппаратные единицы.
Примеры элементной базы
Основой для типичного модуля X10 служит программируемый микроконтроллер. По определенному алгоритму он управляет функционированием электронной схемы устройства, подающей на его вход сформированные сигналы, принятые из внешней электросети и преобразует выходные импульсы для обратной передачи в сеть. В качестве микрокомпьютеров могут использоваться контроллеры серийного производства (например, PIC или AVR компаний Microchip и Atmel, соответственно).
Для управления освещением в концепции "интеллектуальный" дом широко применяются ламповые релейные модули X10. Различают две модификации: вставляемые в обычную розетку для подключения торшеров, настольных ламп (LM12) или выполненные в виде переходника между осветительным патроном и стандартной лампочкой с цоколем Е27, мощностью до 100 Вт (LM15S).
Управление бытовой электротехникой осуществляют с помощью приборных розеточных модулей. Например, модуль AM12 по виду напоминает ламповый, но не поддерживает команды, специфичные для освещения (об этом чуть ниже).
Программное обеспечение
Реализовать протокол X10 на компьютере помогут программные продукты верхнего уровня.
ActiveHome Software - бесплатное ПО для персональных компьютеров на базе операционных систем WINDOWS от компании-разработчика платформы X10. Пакет включает в себя огромное количество утилит и драйверов устройств, а также мобильную версию программы.
ActiveHomePro - программное обеспечение для компьютерного интерфейса СМ-15 (радиотрансивера, 433 МГц) с подключение через порт USB. Позволяет управлять освещением и бытовой техникой с заданием необходимых алгоритмов, графиков и таймеров с персонального компьютера или автономно с беспроводного пульта.
Х10 Commander (Melloware Inc) - свободно распространяемый софт под любую ОС, позволяющий на базе ПК создать многофункциональный сервис управления и интегрировать протокол X10 на телефон и любые мобильные устройства (iOS/Android).
Российское ООО "Лаборатория домашних технологий" предлагает потребителям удобный девайс на платформе X10 - полноцветную сенсорную VGA-панель XTS-36. Автономное устройство имеет удобный графический интерфейс. Управление протоколом X10 и контроль системы интеллектуального освещения остается комфортным, с прекрасной визуализацией, но исключается необходимость в постоянной работе компьютера в фоновом режиме. В комплекте поставляются драйвера и программное обеспечение для прописывания адресации устройств X10 и основных параметров начальной конфигурации, для составления различных сценариев.
X10. Протокол в подробностях
Физическая среда обмена информацией в силовых электропроводах представляет собой передачу/прием фрагментов синусоидальных колебаний высокой частоты (120 КГц) с амплитудой 5в и длительностью 1 мс/630 мкс в каждом полупериоде сетевого напряжения, в окнах, сформированных сразу после пересечения нулевой отметки. В трехфазных цепях аналогичные окна формируются в каждой фазе, т. е. со сдвигом в 60 градусов с дальнейшим применением межфазных мостов.
X10 - протокол, в котором стандартный одиночный пакет (кадр, фрейм) передается за 11 периодов. Он содержит:
- код синхронизации - 2 бита,
- код модуля - 4 бита,
- код здания - 5 битов.
Каждый пакет, без всякого интервала, передается два раза подряд. Перед трансляцией следующего пакетного дубля выдерживается пауза в 3 периода сетевого напряжения (исключение - команды диммирования яркости, передающиеся непрерывным потоком).
ИК-пульты управления в сетях X10 работают по протоколу X10-IR на несущей частоте 40 КГц. Радиоканал (протокол X10-RF), в зависимости от региона, имеет диапазон от 310 до 434 Мгц.
Адресация и система команд
Максимальное количество модулей в сети X10 - 256. На каждом модуле расположены два селекторных переключателя с 16 фиксированными положениями.
Представление о существующих командах платформы и соответствующих им действиях можно получить из таблицы.
| Команда (англ.) | Команда (рус.) | Тип | Действие |
| All units off | Выключить всех потребителей | Групповая | Отключаются все устройства с указанным кодом дома, поддерживающие команду. |
| All ligths on/off | Включить/выключить все освещение | Групповая | Перевод в состояние включено/отключено всех осветительных модулей с заданным кодом дома. |
| On/off | Включить/ выключить | Адресная | Перевод в состояние включено/выключено конкретного модуля. |
| Dim/Brigth | Повысить/понизить яркость | Адресная | Управление диммерами. Количество пакетов для диапазонов регулирования яркости освещения на разных устройствах различно. |
| Pre-Set Dim 1/2 | Задание определенного уровня яркости. | Адресная | Позволяет выбрать любую из 32 ступеней регулирования яркости. |
| Status request | Запрос статуса | Адресная | Запрос состояния коммутирующего модуля. |
| Status on/off | Ответ на запрос | - | Ответ о состоянии модуля. |
| Hail Request/Acknowlege | Запрос/отправка отклика | Групповая | Технологическая команда для определения насыщенности адресного пространства системами других зданий. |
Основные преимущества...
X10 - протокол малобюджетного класса бытовой автоматизации, использующий для передачи информационных и командных сообщений уже существующие электросети. Отпадает необходимость в прокладке новых коммуникаций, что особенно актуально в домах с чистовой отделкой или законченными ремонтными работами. Можно как использовать сетевую проводку, так и задействовать радиоканал - ассортимент оборудования, предлагаемый производителями, позволяет реализовать оба варианта или их комбинацию. Стоимость устройств, по сравнению с более современными платформами, также приятно радует.
Следующее достоинство - гибкость применения и простота монтажа, не требующая специальных навыков и умений. Система характеризуется прекрасной расширяемостью и масштабируемостью. Модули подключаются по принципам Plug & Power (включил и управляй). Вся настройка заключается в том, чтобы задать новому компоненту уникальный адрес. Дальше автоматика все сделает сама.
Значительно упрощается разделение осветительной инфраструктуры на зоны. Достаточно присвоить устройствам одной группы одинаковую букву (код здания), и при подаче соответствующей широковещательной команды, включаться или выключаться будет свет в этой зоне.
Открытый протокол - еще один плюс платформы, предполагающий легкую интеграцию с любой системой управления, возможность использования при проектировании сети электроустановочных изделий сторонних производителей.
...и недостатки
Основное достоинство интерфейса X10 - передача информационного сигнала по силовой проводке - является и главным источником его проблематики.
Низкая скорость. Передача команды занимает около секунды, т. е. запаздывание выполнения команды реально ощутимо даже при управлении одним устройством. А в процессе отработки заложенного сценария, задержка может стать раздражающе недопустимой. Так как скорость передачи информации привязана к частоте питающего напряжения, повысить ее не представляется возможным.
Низкая помехоустойчивость. Обилие бытовых приборов в современном жилище резко повышает уровень помех в силовой сети, негативно отражается на соотношении сигнал/шум, что, в свою очередь, сказывается на качестве информационного обмена между модулями X10. Отсюда и следствия - невыполнение команд или ложная коммутация. При строительстве больших сетей проблемой может стать ограниченность адресного поля, так как подключиться к протоколу X10 смогут только 256 устройств.
Рассинхронизация передающего оборудования может привести к наложению пакетов и возникновению коллизий, в результате чего, ни одна из команд не будет выполнена. Кардинально исправить ситуацию нельзя.
Не предусмотрены процедуры разграничения доступа, нет защиты от несанкционированных действий сторонних лиц. И наконец, невозможно создание сложных схем управления бытовыми приборами и освещением с реализацией функции самодиагностики системы и входящих в нее устройств.
Модификации X10
Перечисленные недостатки в большинстве своем исправлены в следующих поколениях систем бытовой автоматизации так называемой шинной архитектуры (передача сигналов происходит по специально выделенной/проложенной шине с низковольтным питающим напряжением).
В свою очередь, разработчики и производители оборудования X10 предпринимали шаги по усовершенствованию и модификации существующей платформы. Результатом стал формат X10Extended с расширенной системой команд. Несомненным плюсом модифицированной платформы стало регламентирование процедуры доступа передатчиков к магистрали, исключающее возникновение коллизий и расширение функций команды Exteded Code 1 с изменением формата пакета.
Дальнейшая модификация X10Extended привела к созданию формата А10, в котором существенно расширили адресное поле (до 4096 модулей) и добавили несколько сервисных функций (доступных только на устройствах, выпускаемых фирмой-разработчиком). Протоколы А10 и X10 абсолютно совместимы, что делает возможным эксплуатацию в одной системе модулей обоих типов.
Подводя краткие итоги, трудно не согласиться, что первый интерфейс домашней автоматизации за прошедшие, без малого, пятьдесят лет морально устарел. Попытки модернизации, напоминающие латание кровли в сезон дождей, кардинально выправить ситуацию не в состоянии. Но бюджетные характеристики платформы по-прежнему удерживают ее на рынке интеллектуальных систем, а оборудование X10 активно производится и реализуется.
Отечественные фирмы прогнозируют интерфейсу новую волну популярности. Потребителям предлагается широкий спектр как отдельных устройств, так и готовых решений для "интеллектуального" дома на платформе X10.