Протокол Х10 позволяет реализовать многие функции интеллектуального дома за доступные средства: стоимость минимального комплекта составляет порядка $200, а далее система легко расширяется установкой дополнительных модулей стоимостью от $30. Даже если ремонт в здании или в помещении уже закончен – не беда, большинство устройств X10 не требуют прокладки дополнительных проводов и после включения в стандартные розетки готовы к работе.
Для начального уровня автоматизации помещения не требуется никаких специальных знаний и навыков. Тем не менее, можно получить широкие возможности по управлению освещением и электроприборами:
- дистанционно с инфракрасных и радио пультов управления;
- удаленно с помощью телефона и через Интернет;
- по временным сценариям с помощью программируемых таймеров;
- по датчикам освещенности, движения и температуры.
Х10 – это надежная и проверенная технология, получившая широкое распространение на рынках США и Европы.
Технология Х10 была изобретена и запатентована в конце 70-х годов инженерной фирмой PICO Electronics, со штаб-квартирой в Англии. Инженеры PICO впоследствии перебазировались в Нью-Йорк, и продолжили свои работы по развитию методов дистанционного управления проигрывателями, используя готовую электропроводку для передачи сигналов. После выполнения девяти экспериментальных проектов именно десятый оказался наиболее успешным (отсюда название Х10) и именно его результаты определили стандарт передачи сигналов по силовой электропроводке. Группа разработчиков Х10 назвала свою новую компанию по автоматизации домов X10 USA (X10 Inc).
Сегодня, много компаний производят Х10–совместимые устройства: X10 Inc., Leviton, Marmitek, IBM, SmartLinc, PowerHouse и другие. Сайт X10.com входит в число самых посещаемых ресурсов Интернета.
Что такое Х10?
X10 - широко используемый стандарт в области домашней автоматизации. Он определяет метод и протокол передачи управляющих сигналов-команд (включить, выключить, ярче, темнее и т.д.) по силовой электропроводке на электронные модули, к которым подключены управляемые электробытовые и осветительные приборы. Всего в сеть X10 может быть объединено до 256 групп устройств с разными адресами.
С точки зрения логики организации внутрисетевого взаимодействия все устройства X10 можно разбить на две большие группы: контроллеры и исполнительные модули.
Контроллеры отвечают за генерацию команд X10 и, помимо ручного кнопочного управления, могут иметь встроенный таймер или специализированное устройство ввода внешнего воздействия (датчик освещенности, фотоприемник инфракрасного излучения от пульта дистанционного управления и т.д.).
Исполнительный модуль, выполняя команды, передаваемые тем или иным контроллером, управляет коммутацией электропитания бытового или осветительного прибора, играя роль «умного» выключателя. Наиболее распространены модули двух типов: ламповые (lamp module) и приборные (appliance module).
Конструктивно ламповые модули представляют собой тиристорные регуляторы мощности и обеспечивают, помимо функций включения и выключения, плавную регулировку яркости свечения электроламп (функция диммера, от английского слова dimmer - «реостат», «темнитель»). Приборные модули оснащены электромагнитным реле для переключения питания и не предназначены для плавной регулировки подаваемой на нагрузку мощности.
С функциональной точки зрения сеть Х10 включает следующие компоненты:
- Передатчики - позволяют передавать специальные коды команд в формате Х10 по электросети. Такими устройствами являются: программируемые таймеры, посылающие сигналы в нужное время; компьютерные модули, выполняющие заданные программы по управлению электроприборами; датчики температуры, освещенности, движения и др., которые при наступлении определенных событий посылают соответствующие сигналы приемникам.
- Приемники – принимают команды Х10 и выполняют их: включают или выключают свет, регулируют освещенность и т.д. На каждом приемнике имеются селекторы установки его адреса: 16 возможных кодов дома (А - P) и 16 возможных кодов модуля (1 - 16), то есть всего 256 различных адресов. Несколько приемников могут иметь тот же адрес, в этом случае они управляются одновременно.
- Трансиверы - принимают сигналы от инфракрасных или радио пультов дистанционного управления и передают их в электросеть, преобразовав в формат Х10.
- Пульты ДУ – обеспечивают дистанционное управление устройствами Х10 по ИК или радио каналам. Наиболее удобны универсальные пульты ДУ; с их помощью можно управлять как устройствами Х10, так и аудио/видео аппаратурой.
- Линейное оборудование – повторители/ретрансляторы сигналов, фильтры скачков напряжения или тока, противопомеховые фильтры, блокираторы сигналов. Эти устройства используются для повышения надежности и безотказности системы в целом. Хотя в простых системах возможно достижение прекрасных результатов и без использования этих средств, но всегда лучше подстраховаться.
- Измерительное оборудование - используется для измерения уровней полезных сигналов Х10 и помех в электросети при выполнении монтажных и пуско-наладочных работ.
Технология передачи сигналов Х10
Х10 – протокол взаимодействия передатчиков и приемников, путем передачи и приема сигналов по силовым линиям (бытовая сеть электропитания). Этими сигналами являются ВЧ – импульсы, которые кодируют цифровую информацию.
Импульсы представляют собой пакеты переменного напряжения амплитудой 5 В, частотой 120 КГц и длительностью 1 мс, что определяет бинарную единицу (единичный бит); бинарный ноль – отсутствие импульса.
Единичный бит передается в виде трех импульсов с интервалом 3,33 мс (для сети с частотой напряжения 50 Гц), которые соответствуют нулям трех фаз трехфазной электрической сети.
Для передачи команды Х10 требуется одиннадцать циклов (периодов) силового напряжения. Первые два цикла передают стартовый код, следующие четыре цикла представляют код дома (с А по Р) и последние пять циклов передают код прибора (с 1 по 16) или код функции (ВКЛ, ВЫКЛ и т.д.), т.е. ключевой код.
Такой полный код (стартовый код + код дома + ключевой код) всегда передается дважды непрерывным блоком. Между блоками разных команд всегда должен быть перерыв в три цикла силового напряжения. Исключением из этого правила являются блоки команд ЯРЧЕ/ТЕМНЕЕ, которые передаются последовательно (минимум два блока) без задержек.
Внутри каждого блока, код дома и ключевой код должны передаваться с дополняющими до единицы кодами в смежных полупериодах силового напряжения. Например, если единичный импульс передан в первой половине периода, то во второй не должно быть никакого сигнала (нулевой бит).
Стартовый код – это уникальный код, всегда равный 1110 и не имеющий дополняющих бит в смежных полупериодах, т.е. значащие биты передаются на каждый переход силового напряжения через ноль:
[1] - HAIL запрос (запрос-приветствие) передается для нахождения передатчиков в зоне покрытия. Это позволяет выставить различные коды домов в случае получения ответа Hail Acknowledge.
[2] - В коде функции Pre-Set Dim, бит D8 вместе с четырьмя битами кода дома составляет блок из 5 бит {D8H8H4H2H1}, определяющий абсолютный уровень диммера.
[3] - Функция Extended Data (дополнительные данные) предшествует последовательности байт (8 бит) произвольной длины, которые представляют аналоговые данные после аналогово-цифрового преобразования. Код функции и байты данных передаются непрерывно, без пауз. Первый байт данных может указывать на количество байт в последовательности. Если при передаче в последовательности байт допущены паузы, то модуль – приемник может выполнить ошибочную операцию.
Функция Extended Code эквивалентна Extended Data: последовательность байт (без пауз), которые представляют дополнительные коды. Это позволяет разработчикам использовать больше 256 имеющихся кодов.
Первые 16 из ключевых кодов определяют номер модуля, который в дальнейшем будет принимать и выполнять команды (ВКЛ, ВЫКЛ, ЯРЧЕ, ТЕМНЕЕ) до переопределения управляемого модуля. Бит D16 называется «функциональным битом», если он равен 1, то передается функция, иначе код модуля.
Приведем пример. Чтобы включить 5-ый модуль в «доме К», нужно послать по электросети следующую строку бит:
111001011010010101100 11110010110100101011001000 0001110010110100101100 1101110010110100101100110.
Эта посылка содержит 94 бита, и займет 47 циклов силового напряжения или 0,94 с (почти секунда!). Поэтому, когда вы нажимаете на кнопку ВКЛ, свет включается с запаздыванием. Реакция на команды «Весь свет ВКЛ» или «Все модули ВЫКЛ» заметно быстрее, т.к. не передается код модуля.
Работа модулей X10 с различными типами нагрузок
Нагрузки, которые могут быть подключены к устройствам Х10, можно разделить на две большие группы: «линейные» и «нелинейные». Еще одну большую группу составляют электронные устройства, не имеющие трансформатора на входе - телевизоры, радиоприемники. Кроме того, в эту же группу входят флуоресцентные лампы.
Линейные нагрузки имеют только активное сопротивление и практически не имеют реактивного (индуктивного или емкостного). Примерами могут служить лампы, включаемые непосредственно в осветительную сеть и электронагревательные приборы (ТЭНы).
Нелинейные нагрузки имеют значительное реактивное сопротивление. К такому типу нагрузок относятся, например, электродвигатели и трансформаторы.
Следует иметь в виду, что в современной электротехнике распространено применение различных электронных устройств, встраиваемых в корпуса изделий и предназначенных для «интеллектуального» управления нагрузками (например, диммеры - для плавного включения ламп накаливания). Такие устройства не могут считаться линейными нагрузками.
Следует помнить, что ламповые модули с опцией диммера (LM12, LD11, LM15S…) предназначены для управления только линейными нагрузками! Управление электронными устройствами (например, телевизорами) может приводить к выходу этих устройств из строя!
Для управления электронными устройствами можно применять только приборные модули Х10, имеющие релейный выход (AM12, AM12W, AD10). Таким образом, для каждого типа нагрузок предназначены определенные модули X10.
Передача управляющего сигнала Х10 между разными фазами электропроводки
Если внутри дома используется проводка с несколькими фазами, то возникает вопрос о передаче управляющего сигнала Х10 от одной фазы к другим. Для решения этого вопроса имеется специальное устройство – соединитель или мост (coupler).
Существуют различные варианты таких соединителей. Один из них – пассивный соединитель (passive coupler). Примером может служить устройство FD10, выполняющее дополнительно функции фильтра. Внутри такого устройства содержатся конденсаторы (для разделения низкочастотного напряжения осветительной сети и высокочастотных сигналов Х10) и высокочастотные трансформаторы. В принципе, устройство симметрично в том смысле, что входы и выходы могут быть поменяны местами; то есть, термины «вход» и «выход» применяются лишь для удобства объяснения. Вход пассивного соединителя присоединяется к той фазе, к которой подключен источник управляющего сигнала Х10; выход – к другой фазе, к которой присоединены устройства, управляемые Х10.
Пассивный соединитель просто «копирует» принятый им сигнал Х10, не анализируя его содержание и правильность. При подключении пассивного соединителя амплитуда сигнала Х10 в той фазе проводки, к которой подключен вход пассивного соединителя, естественно, несколько уменьшается.
Другой вариант соединителя - мост-повторитель (coupler-repeater). Пример – устройства CAT6272, CAT3000. Этот тип приборов содержит одну или несколько микросхем и прочие необходимые компоненты, чтобы принимать сигнал Х10, анализировать его и посылать в другую фазу электропроводки после незначительной модификации. Суть производимой модификации пояснена ниже.
Управляющий сигнал Х10, создаваемый устройствами-источниками, в соответствии с протоколом Х10, содержит дважды повторяемый адрес приемника и дважды повторяемую команду, подлежащую исполнению. Например, сигнал Х10, который будет включать устройство E7, будет:
[E7] [E7 (повторно)] [E-On] [E-On (повторно)].
Устройство-приемник сигнала Х10 должно выполнить команду после однократного приема своего адреса и команды и не нуждается в повторной передаче этих данных.
Изменения, вносимые соединителем-повторителем, сводятся к ретрансляции только вторых пакетов адреса и команды, т.е. сигнал:
[E7] [E7 (повторно)] [E-On] [E-On (повторно)]< br>
преобразуется в:
[ничего] [E7] [ничего] [E-On].
Такая последовательность будет включать устройство Х10, имеющее адрес E7.
Вход и выход соединителя-повторителя не взаимозаменяемы, если их поменять местами, то соединитель-повторитель просто не будет передавать сигналы от передатчиков.
Кроме передачи сигнала Х10 в другую фазу электропроводки соединитель-повторитель может быть использован для увеличения радиуса действия сети Х10. Это может быть актуально для больших зданий. Рекомендуется использовать соединитель-повторитель, если здание имеет площадь более 300 м2. В этом случае вход и выход соединителя-повторителя будут присоединены к одной и той же фазе электропроводки.
Требования к качеству напряжения электросети.
Микроконтроллер внутри устройств Х10 должен иметь стабильное питание. Для этого сетевое напряжение не должно «просаживаться» мощными нагрузками. В частности, нежелательна работа электросварки от той же фазы, на которой установлены устройства Х10. Особенно это актуально для сельской местности.
Кроме того, не должно создаваться помех для управляющих сигналов Х10. Эти сигналы передаются в интервалах времени, следующих после перехода сетевого напряжения через ноль, длительностью около одной миллисекунды. Тиристорные регуляторы (кроме устройств Х10), могут создавать помехи именно в эти моменты времени, если мощность, подводимая к нагрузке от тиристорного регулятора, составляет от 95% и до 100% его номинальной мощности (регулирующий тиристор в этом случае переключается именно в названные интервалы времени). Таким образом, при использовании устройств, снабженных тиристорными регуляторами, следует избегать режима «почти 100%-ной нагрузки».
В устройствах Х10 с функцией диммера этот эффект учтен – конструктивно предусмотрено, что при плавной регулировке мощности участок 95%..100% обходится скачком. Сделано это именно ради уменьшения создаваемых помех для «соседних» устройств Х10.
Симмисторные ключи (триаки) в диммерных модулях Х10 чувствительны к скачкам напряжения в сети, что может вывести симмисторы из строя или произвольно включить их.
Перегрузка же диммерного модуля приведет к перегреву симмистора, управляющего нагрузкой. Выход из строя такого симмистора может произойти по причине превышения его максимального прямого тока или перегрева кристалла.
Недостатки протокола Х10 и борьба с ними
Низкая скорость передачи информации.
Передача импульсов синхронизирована с переходом через ноль напряжения электросети, например, команда «ВКЛ», содержащая 94 бита, займет 47 циклов силового напряжения или 0,94 сек. (почти секунда!). Но если после этого послать команду «ВЫКЛ» на этот же модуль, то она выполнится в два раза быстрее, т.к. не надо передавать код устройства.
Низкая помехозащищенность
X10 использует амплитудную модуляцию, поэтому помехи в электросети легко могут «забить» полезный сигнал. Основные источники помех в электросети - электродвигатели (холодильник, стиральная машина, электродрель и т.п.) и приборы с тиристорными регуляторами (кроме устройств Х10).
Помехоподавляющие конденсаторы электробытовых приборов также могут фильтровать высокочастотный 120 КГц сигнал X10.
Для преодоления проблем с помехозащищенностью необходимо соблюдать следующие рекомендации:
- устанавливать фильтры (типа FD10) на вводе в объект;
- все устройства, могущие создать помехи в электросети (электродвигатели; устройства, содержащие тиристорные регуляторы, кроме Х10) включать в сеть только через дополнительные фильтры (типа FM10);
- по возможности избегать кратковременных (длительностью менее 20 сек) отключений напряжения электросети;
- электросварочные и подобные работы производить от фаз, к которым не подключены устройства Х10.
Без выполнения этих рекомендаций сеть X10 тоже работать будет, но иногда возможны неожиданные неприятные эффекты.
Проблема ложного срабатывания
Ложные срабатывания от помех в электросети, вызванных бытовыми электроприборами маловероятны.
Более вероятны ложные срабатывания, если, например, два устройства Х10 одновременно подают в электрическую сеть свои управляющие сигналы. Так как проблема «столкновений» в протоколе Х10 практически никак не решена, то такие ситуации возможны. Хотя вероятность таких коллизий и мала (длительность одной посылки управляющих сигналов порядка одной секунды), но ненулевая.
Преодолеть эту проблему, не меняя сам протокол Х10, невозможно. Просто следует иметь в виду, что, когда в доме работают два или более передатчика управляющих сигналов Х10, такие ситуации возможны, и уменьшать их вероятность путем организационных, а не технических решений.
Отсутствие обратной связи приемника с передатчиком
В X10 нет сигналов квитирования (квитков), которые бы подтверждали принятие и исполнение приемниками команд от передатчиков. Хотя команды повторяются дважды, существует вероятность того, что если помехи электросети «съедят» сигнал, то ожидаемого действия не произойдет.
В современных модулях существует возможность запрашивать статус модуля, тем самым контролировать выполнение команд.
Возможны конфликты устройств X10 разных производителей
Изначальное несовершенство протокола Х10 потребовало внесения в него различных дополнений. Одно из таких дополнений – extended codes (расширенные или дополнительные коды). В силу того, что каждый производитель разрабатывал эти коды самостоятельно, устройства разных фирм-изготовителей не всегда корректно ретранслируют и выполняют управляющие сигналы, передаваемые устройствами других фирм. Вывод очевиден.
Возможен несанкционированный доступ к устройствам X10 по электросети
Если в двух соседних квартирах, использующих одну и ту же фазу осветительной сети, используются устройства Х10, то, естественно, возникает вопрос о том, как избежать попадания управляющих сигналов Х10 из одной квартиры через электрическую сеть в другую квартиру.
Безусловно, такая задача типична для случаев применения устройств Х10, и в силу этого, она решена путем создания отдельного устройства. Так как управляющие сигналы передаются по электрической сети на частоте порядка 120 кГц, отличающейся от основной частоты сети (50 Гц) на три порядка, то посредством фильтрации они могут быть легко подавлены.
Такая фильтрация выполняется штатными устройствами Х10 – фильтрами типа FD10. Такой фильтр устанавливается на вводе электрической сети в жилое помещение (там, где в России принято устанавливать электрические автоматы после электросчетчика). Поскольку «атака» через электросеть с физической точки зрения эквивалентна созданию взаимных помех между соседними квартирами, то FD10 полностью решит вопрос отражения подобной «атаки».
Возможна внешняя атака на домашнюю сеть X10 посредством «чужого» радиопульта
Протокол X10 не предусматривает никакой системы паролей и предполагает совместимость любого передатчика управляющих сигналов с любым приемником (исполнительным устройством). Наличие системы паролирования заметно усложнило бы устройства X10 и создало разработчикам в 80-е годы дополнительные трудности, поскольку первоначально устройства X10 изготовлялись на жесткой логике, без применения микропроцессоров. В современных условиях добавление паролей к передаваемым управляющим сигналам X10 - вполне посильная задача для микропроцессорной техники (например, по аналогии с динамическими кодами, применяемыми в автомобильных сигнализациях); но внедрение такого механизма нарушило бы совместимость с ранее разработанными устройствами X10.
Таким образом, технически возможен умышленный или неумышленный несанкционированный доступ по радиоканалу к устройствам Х10. Диапазоны частот 310 МГц и 433МГц, применяемые в радиоканалах Х10, широко используются в системах охранно-пожарных сигнализаций, в автомобильных сигнализациях и т.п.
Известно, что существуют серийно выпускаемые комплекты (передатчик + приемник) устройств X10, обеспечивающие устойчивую передачу информации на расстояния порядка 100 метров, причем часть этого расстояния – по открытому воздуху, а другая часть – внутри помещения. Очевидно, увеличивая мощность, излучаемую передатчиком, можно добиться того, что приемник радиосигнала Х10 начнет их принимать (чувствительность радиоприемников Х10 не очень высока, т.к. для передачи сигналов внутри жилого помещения очень высокой чувствительности не требуется).
Рабочие частоты передатчика и приемника не стабилизированы, а определяются настройкой LC-контуров. Это облегчает достижение совместимости любого передатчика управляющих сигналов с любым приемником (исполнительным устройством). Одновременно с этим облегчается и задача «атакующим» - нет необходимости в точном подборе частоты передатчика, применяемого для «атаки».
Возможны как минимум два варианта «атаки» на устройства Х10 посредством радиоканала:
- Подача извне дома не желательных команд управления.
- Передача извне радиочастотных помех, препятствующих правильной работе радиоканала Х10 между передатчиками управляющих сигналов и приемниками (исполнительными устройствами). Хотя для этого нужна довольно высокая мощность передатчика, создающего помехи, но технически это реализуемо. С точки зрения хозяев дома результат «атаки» будет выглядеть как потеря управляемости исполнительными устройствами Х10.
Каким образом можно уменьшить вероятность эффективной «атаки» по радиоканалу? Только за счет уменьшения эффективной чувствительности радиоприемника Х10 (например, путем расположения его наиболее далеко от периметра домашней территории – вблизи ее геометрического центра; для случая коттеджа – в том месте строения, которое ближе всего к геометрическому центру участка). Кроме того, если потенциальная угроза атаки по радиоканалу рассматривается как неприемлемая, то можно отказаться от радиопультов и использовать только инфракрасные пульты управления.
