Главная страница » Что такое протокол x10

Что такое протокол x10

  • автор:

Статья X10 — Стандарт автоматизации офиса и способы его аудита

Всем здравия, господа! Сегодня я расскажу про x10. “X10 — международный открытый промышленный стандарт, применяемый для связи электронных устройств в системах домашней автоматизации. Стандарт X10 определяет методы и протокол передачи сигналов управления электронными модулями, к которым подключены бытовые приборы, с использованием обычной электропроводки или беспроводных каналов.” — вики. Наверняка, многие видели видео “Хакеры — такому в школе не научат”. Там показывалось, как несколькими нажатиями на свой смартфон, герой видео выключает свет в целом офисном здании. Естественно, когда я увидел это, я подумал, как так? Хочу также! Но увидев огромное количество опровержений этого видео и прочитав несколько статей, рассказывающих, что это невозможно, я “слегка” подзабил, а точнее, вообще забыл про это. Но недавно услышал про протокол автоматизации электроники в офисе — X10. И углубился в эту тему…

И понял, что это именно то, что было показано в том видео. Изначально я считал, что так не бывает. Как можно программно включить или выключить свет, если выключатель механический? Это то же самое, что попытаться программно вытащить флешку из компьютера. Но все оказалось намного более интересно, нежели я думал. Оказывается есть целая наука – автоматика, которой занимаются целые полчища ученых по всему миру. Уже очень давно они решили задачу автоматического управления электропитанием: научились удаленно включать и выключать различные электроприборы, вроде ламп освещения, электродвигателей и кофеварок. И уж конечно они решили проблему управления освещением в крупных зданиях. Или ты думаешь, что такой проблемы нет?

Погасить свет сразу во всем здании – очень просто, а что делать, если какому-нибудь сотруднику-трудоголику вздумается поработать ночью? Во всех коридорах и офисах погашен свет, а этому работничку надо дойти до своего офиса и ходить время от времени в туалет. Не думаю, что кто-то в здравом уме будет из-за него включать свет во всем здании.

И конечно же нельзя доверять ему пользоваться ручными выключателями: он обязательно забудет что-нибудь погасить, и охраннику снизу придется из-за этого топать на этаж. Само собой, таких трудоголиков в большом офисном центре может быть немало, и вручную включать и выключать для них свет — непростая задача. Да и вывести на единый пульт у охраны все выключателей — так себе идея. Только представьте, сколько проводов придется прокладывать! Для примера, если в здании 1000 выключателей, то толщина связки всех подходящих к пульту проводов будет достигать четырёх метров! Да и сориентироваться в тысяче кнопок для охранника – нелегкое дело.

s-l1000.jpg

Гораздо разумнее подошли к этому вопросу ученые-автоматчики, разработавшие автоматическую систему управления освещением. Предлагаю разобраться, как она работает.

Представьте себе, что каждый из выключателей – это не просто механический замыкатель контактов, а умное реле с собственным логическим адресом. Все реле, естественно, подключаются к общей сети и, понятное дело, физически связаны друг с другом. Также к сети подключается некий пульт, который координирует работу всех реле, посылая им специальные сигналы.

Протокол X10 впервые был представлен в 1978 году компанией PICO electronics. У него есть несколько огромных плюсов для взломщика.

  1. Сигнал передаётся по силовым проводам, значит не придётся вклиниваться не в какую доп проводку, так как её попросту нет
  2. Данный протокол полностью описан, следовательно, не возникнет проблем с поиском способа его взлома

Прежде всего, несколько слов об электрической составляющей этого протокола. Как я уже говорил, для передачи информации используется обычная электрическая сеть 220 вольт 50 Гц, доступ к которой можно получить через любую розетку. Хитрость тут в том, что провода могут легко передавать радиосигналы вместе с сетевым напряжением. Информация распространяется в виде наложенных на синус сети пакетов переменного напряжения с амплитудой в 5 вольт и частотой 120 кГц. Длится каждый пакет 1 мс. Данные передаются в последовательном виде. Синхронизация импульсов определяется переходом переменного напряжения через ноль. Единица кодируется тремя импульсами с интервалом 3,33 мс (это справедливо для частоты сети 50 Гц), что соответствует переходу всех трех фаз через ноль. Нулевой бит является отсутствием этого импульса. Проще говоря, если у нас в сети идет переменный ток синусоидальной формы, то на экране осциллографа в момент передачи сигналов в месте перехода сетевого напряжения через ноль будут видны небольшие всплески, напоминающие шум или даже некоторую рябь. А при передаче нулевого бита подобного всплеска не будет. Это была электрическая составляющая протокола. Теперь расскажу о логике.

В Х10 существует адресация получателя сигнала. Есть так называемый «адрес дома», который символически обозначается латинской буквой от А до O. В каждой такой «ячейке» имеется адрес кода прибора — число от 0 до 16-ти. «Адрес дома» – это абстрактное понятие, просто дополнительный адрес. Можно в одной квартире поставить один светильник на дом А и пятый адрес, второй — на В и десятый адрес. Команда передачи по сети занимает 22 перехода фазового напряжения через нулевой уровень (22 бита информации, по биту на переход через ноль). Начальная команда называется стартовым кодом, она всегда равна 1110b. Когда на исполнительное устройство приходит такая последовательность бит, то оно понимает, что началась передача. Дальше передается адрес кода дома, который занимает один байт. Затем — 10 бит, несущих код устройства или код команды для всех устройств в адресе этого дома (например, выключить все приборы). Если передается адрес, то он еще содержит в себе команду, что сделать с тем или иным прибором (например, можно сделать свет менее ярким, если в качестве приемника используется диммерный модуль). Получается, что посылка выглядит так. Сначала идет стартовый код, потом — адрес дома, затем — адрес исполняемого устройства с командой, либо команда для всех устройств в этом «доме». Чтобы исключить помехи в осветительной сети от разных устройств, посылка отправляется дважды. Между посылками делается небольшая пауза, чтобы отделить их друг от друга. Вся посылка обычно занимает 94 бита, которые занимают 47 периодов силового напряжения и по времени длятся 0,94 секунды. Поэтому работа осуществляется достаточно медленно, но этого вполне хватает для управления освещением, бытовыми приборами и иной электрикой офиса. Также есть возможность дать дополнительные инструкции, просто в последней части сообщения даётся инструкция — “включить расширенные коды” и далее идёт ещё 256 бит инструкций. Но это чаще применимо к сложным системам, типа сигнализаций, но сейчас не об этом.

Что будет принимать команды, я думаю, понятно, однако их надо с чего-то отправлять. В основе всей этой системы лежит некоторый передатчик формата Х10, которым может управлять либо человек, либо некоторый автономный девайс.

Начнем с трансивера. Представьте, что вы уже лежите в постели и тут вспоминаете, что забыли погасить свет во всей квартире, но вставать вам лень. Берёте пульт, нажимаете пару кнопок, и свет везде гаснет. Этот пульт тоже работает по стандарту Х10 на частоте 433,92 МГц, но только передает команды в виде радиоволн, то есть без проводов. Передача сигналов с пульта в сеть 220 вольт осуществляется трансивером – девайсом, преобразующим радиосигнал в команды Х10. Выходит, что если в нашем здании стоит управление автоматикой с такого пульта, то не составит большого труда просто взять его и включить лампы по необходимым адресам. Остается только добыть карту адресов освещения этого здания или просто самому вечером с пульта составить ее методом перебора. Если трансивера в здании нет, то ничего не мешает его туда тихо пронести, воткнуть в ближайшую розетку… и осуществить описанный выше взлом.

Но всё это как-то не интересно. Для настоящих программеров есть неплохое хакерское устройство, которое называется Marmitek CM11. На мой взгляд, это самое удачное решение. Девайс подключается к компьютеру через USB- или COM-интерфейс и позволяет с помощью программы Home Control управлять освещением, писать небольшие макросы, которые можно сохранить в него и выполнить в определенное время уже без компьютера. Нам останется лишь узнать адреса ламп в заветном офисном помещении, написать соответствующий макрос, который включится в определенное время, затем залить его в CM11 и подключить этот девайс к любой офисной розетке.

imagen.jpg

Конечно, кроме X10 существует множество других стандартов автоматизации, но эта статья не о них, если желаете, могу и про них написать. А за сим я откланяюсь, вам желаю хорошего дня, и надёжной системы автоматизации, если конечно вы ей пользуетесь.

«Умный дом» собственными руками. Часть 5. Технологии Х10

В прошлой статье мы прикрутили к нашей системе «умный дом» небольшой веб-интерфейс. Самое время обратиться к той части дела, ради которой все это и затевается — управление нагрузкой. Под нагрузкой подразумевается любое электроустройство, которым есть смысл управлять.
За подробностями реализации прошу под кат.

Небольшое вступление или что-же такое Х10

Протокол связи Х10 и основанный на нем стандарт известны миру достаточно давно. Стандарт был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics для управления домашними электроприборами. Так в чем же его преимущество, по сравнению с протоколом 1-wire? Все дело в том, что для связи с приемниками, контроллер Х10 использует обычную электропроводку, что позволяет избежать лишних проводов и добраться до труднодоступных мест (например, кому-то не захочется портить ремонт 😉

Что внутри?

Для передачи сигналов Х10 используются «пакеты» колебаний на частоте 120 кГц длительностью 1 мс. Передача сигнала в Х10 синхронизирована с нулевым напряжением в цепи переменного тока. Когда напряжение достигает нулевого значения, приемник сигнала Х10 (например, встроенный в патрон лампочки) «слушает» сеть в течение 6 мс. Если в это время передатчик сигнала х10 посылает «пакет», приемник воспринимает его как единицу. Отсутствие «пакета» воспринимается как ноль. Каждое устройство, управляемое посредством х10, имеет свой адрес, состоящий из двух символов. Первый – код дома, второй – код устройства. Каждый из них может иметь 16 значений, а общее число различных адресов достигает 256. Код дома обозначают латинской буквой (от A до P), а код устройства – числом от 1 до 16. По электропроводке каждый код дома и устройства передается своей последовательностью нулей и единиц – двоичным кодом.

Каждая команда х10 также имеет свой двоичный код. Последний бит в двоичных кодах устройства и команды служит для различия типа кодов: 0 соответствует коду устройства, 1 – коду команды. Для того чтобы приемник знал, когда начинается передача полезного сигнала, передатчик сначала посылает так называемый стартовый код – ему соответствует последовательность 1110. За ним следует код дома, а потом – код устройства или команда. Последовательность стартового кода, кода дома и кода устройства или команды называется кадром (или фреймом) Х10. Каждый кадр передается два раза подряд – для большей надежности. Каждый информационный бит кадра, за исключением битов стартового кода, сопровождается комплементарным (дополняющим) битом – после 1 идет комплементарный 0, после 0 – единица. Таким образом, для передачи одного кадра необходимо 11 циклов переменного напряжения.

Для передачи команды Х10 нужно сначала отправить кадр с кодом устройства, которому предназначена команда, а за ним – кадр с самой командой. Исключение составляют групповые команды, например «All Units Off» – они отправляются всем устройствам, поэтому код устройства перед ними передавать не нужно.

При передаче последовательности адресов и/или команд между каждой парой кадров должен быть промежуток в три цикла переменного напряжения – то есть последовательность 000000. Например, адрес устройства и команда для него передаются двумя парами кадров с указанным промежутком. Для передачи такой последовательности необходимо 22+3+22=47 циклов напряжения. При частоте 50 Гц такая операция занимает примерно одну секунду. Пожалуй, в этом и заключается самый большой минус данной технологии по сравнению с 1-wire, где команды передаются практически мгновенно. Отмечу, что команды «Bright» («Ярче») и «Dim» («Темнее») следуют друг за другом без промежутка между кодами. Это пример передачи сигналов в однофазной сети. В трехфазных сетях передача сигнала происходит аналогично, но «приурочена» к нулю каждой фазы. X10 команды, как правило, не проходят между разными фазами. Это означает, что необходимо либо подключать все устройства на какую-то определенную фазу, либо использовать специальные устройства — репитеры, которые далеко не всегда доступны в продаже. Кроме того, репитеры вносят свою лепту в задержки, связанные с передачей команд, фактически удваивая их. Это на самом деле большая проблема, так как обычно при 3-х фазном электроснабжении стараются развести фазы так, чтобы нагрузка на них была равномерна, а значит велика вероятнось того, что одна группа розеток или комната будет запитана от первой фазы, а другая от второй.

Оборудование

Что же нужно для организации умного дома на такой технологии? Для начала, прежде всего — контроллер. Это голова всей сети Х10. Именно он посылает в сеть управляющие команды.

  • Устройство 1 On/Off
  • Устройство 2 On/Off
  • Устройство 3 On/Off
  • Устройство 4 On/Off
  • Ярче(Brighten) / Темнее(Dim) (последнее выбранное устройство)
  • Включить весь свет / Выключить все

Наконец, существуют устройства, которые можно программировать или они могут использоваться программой, работающей на компьютере. Эти системы могут выполнить различные синхронизированные события, реагировать на внешние датчики и команды, выполнять, сценарии, включать и выключать освещение, выравнивать его яркость и так далее.

Именно последний тип контроллеров нас и интересует. Небольшой сеанс гугла подсказал, что наиболее адекватной моделью в моем случае является CM11A. Выглядит сие чудо примерно так:

image

Как можно видеть, с одной стороны вставляется в обычную розетку (лучше не в фильтр), с другой — в COM-порт нашего компьютера. Для тех у кого нет COM, есть вариант контроллера с переходником USB-COM — CM11USB.
Поставляется с программкой ActiveHome, которая, впрочем, нас не интересует 😉

С контроллером разобрались, теперь перейдем к тому, чем он управляет.

  • Исполнительные модули (приемники) – принимают и выполняют команды x10. Каждый приемник имеет адрес, состоящий из кода дома и кода устройства, например A10. Несколько приемников могут иметь тот же адрес – в этом случае они управляются одновременно. Приемниками могут быть, например, ламповые и приборные розеточные модули, настенные выключатели, светорегуляторы в ламповом патроне, приводы жалюзи, диммерные модули для управления резистивной нагрузкой
  • Трансиверы – принимают сигналы от пультов дистанционного управления (ИК или радио), преобразуют в формат x10 и передают в электросеть
  • Пульты ДУ – обеспечивают дистанционное управление устройствами X10 по ИК- или радиоканалам. Есть и универсальные пульты ДУ для управления устройствами x10 и аудио/видеоаппаратурой
  • Оборудование для повышения качества и надежности работы систем X10 – усилители и ретрансляторы сигналов, фильтры для подавления электромагнитных помех. В простых системах часто можно обойтись и без этих устройств
  • Измерительное оборудование – предназначено для измерения затухания сигналов X10

Стоит заметить, что на рынке есть множество исполнительных модулей, используя которые, можно решить практически любую задачу по автоматизации дома. Я же, для пробы, я взял исполнительный модуль в виде лампового патрона под названием LM15S. Модуль подкупил простотой монтажа (вкрутить, как обычную лампочку), так и относительной дешевизной. Модуль стал дополнительным отдельным источником освещения в моей люстре, когда хочется приглушенного света. Стоит отметить, что им достаточно неудобно управлять с помощью обычного выключателя.

Что же нам нужно сделать, чтобы получить возможность управления нашим модулем с помощью компьютера? Для начала, установить необходимый софт. Есть несколько систем для общения с контроллером под Linux. Я остановился на HEYU (офсайт).

Установка проста и назамысловата: скачиваем исходники, смотрим содержимое INSTALL, выполняем по инструкциям 😉

Попробуем в действии! Для начала, нам нужно задать адрес нашему модулю. Сделам это: ввернем модуль вместе с управляемой лампой в патрон. Для присвоения LM15S кода дома и кода модуля необходимо подать напряжение на модуль LM15S выключателем. Затем, в течении 30 секунд, подадим 3 команды на включение нашим контроллером на адрес, который хотим присвоить модулю:

$ heyu on a1
nix@nix-boss:

$ heyu on a1
nix@nix-boss:

После этого нашему модулю присваивается адрес А1 в сети Х10. Достаточно просто.
На некоторых устройствах адрес можно выставлять с помощью джамперов. Например, на устройствах, производимых фирмой Marmitek.

Теперь мы можем управлять нашей лампой нехитрыми командами:

$ heyu on a1
nix@nix-boss:

$ heyu off a1

Соответственно, первая — включение лампы, вторая — выключение. Некоторые модули позволяют плавно менять освещенность:

heyu dim a5 10

Что выставит яркость лампы на 10 ступеней из 22.
С управлением разобрались, перейдем к интеграции в наше ПО.

Интегрируем Х10

Добавим в подпрограмму checkcmd() скрипта srv.pl после строк:

Все просто 😉 Теперь, если вы можете сказать: «Система, включить лампу» или «Система, выключить лампу» и увидеть результат. Тут конечно не хватает проверки, если ламп будет много или включить можно будет не только лампу. Просто добавим еще одно условие:

Тут можно добавлять и экспериментировать бесконечно. Дальше все зависит только от вашей фантазии и возможностей.

Я же хочу выразить благодарность тем, кто интересовался данными постами. Пожалуй, я описал, все что хотел. Если у кого-то возникнуть вопросы — милости прошу, постараюсь ответить всем.

Развернутое описание протокола X10

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 , 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>

[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 м 2 . 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.

Протокол Х10 в «умном» доме: жить ли дальше ветерану?

Протокол Х10 в «умном» доме: жить ли дальше ветерану?История протокола связи Х10 для управления бытовыми электроприборами с центрального пульта насчитывает почти четыре десятилетия. Он был разработан еще в 1975 году компанией «Pico Electronics» и быстро приобрел статус стандарта «де-факто». Произошло это благодаря остроумному инженерному решению: использовать электрическую проводку дома для передачи управляющих сигналов.

Развитие идеи получило в промышленных модемах PLC, используемых сегодня для передачи данных от электрических счетчиков по силовой электропроводке. Примером могут служить счетчики «Меркурий» московской фирмы «Инкотекс». Но, в отличие от своего прародителя, этот протокол передачи данных является закрытым, поскольку использует фирменный алгоритм кодировки данных для достижения высокой помехоустойчивости.

Сегодня только фирм, выпускающих изделия, совместимые с протоколом Х10, насчитывается десятки, если не сотни. К ним добавились китайские производители изделий домашней автоматизации с протоколом S10, который является если не клоном, то уж точно родным братом Х10. Но обилие изделий на рынке и огромная былая популярность вовсе не означает, что у этого стандарта нет проблем.

Для начала коротко познакомимся с особенностями передачи данных через силовую сеть протокола Х10. Все изделия, удовлетворяющие протоколу, можно разделить на передатчики (источники управляющих сигналов) и приемники, или исполнительные схемы. Управляющие сигналы передаются в момент пересечения напряжением нулевого значения.

Передатчик, определив момент нулевого перехода, с запаздыванием не более 200 микросекунд выдает управляющий сигнал продолжительностью 1 мс в виде пакета (цуга) колебаний частотой 120 кГц и амплитудой до 5В. Приемники сигналов на это время «открывают» временное окно и «слушают» сеть. При появлении сигнала в разрешенное время он обрабатывается. В изначальной версии можно было управлять 256 приемниками. Более подробно описание протокола можно найти в многочисленных источниках. Нам для обсуждения более детальная информация не понадобится.

Особенностью протокола Х10 является последовательная передача двоичных кодов команд. За один переход через нулевое значение передается только один бит информации. Поэтому это очень медленный протокол: передача стандартной команды на включение или выключение устройства занимает около секунды. С подобным неудобством еще можно мириться.

Модули Х10 в электрощитеНо следующий недостаток может серьезно ограничить время жизни стандарта-долгожителя. Речь пойдет о крайне низкой помехозащищенности устройств, работающих с протоколом Х10. Со времен изобретения протокола мир разительно изменился. Если в семидесятые годы основным бытовым источником помех были газоразрядные лампы и фены с коллекторным двигателем, то сегодня этот перечень значительно расширился.

Практически в каждом доме или квартире есть телевизоры и компьютеры с импульсным блоком питания. Импульсное питание используют современные экономичные лампы. Даже обыкновенное зарядное устройство содержит нелинейный ограничитель тока – конденсатор. Такое обилие нелинейных нагрузок «загрязняет» электрические сети.

Степень «загрязненности» электрических сетей настолько высока, что ее трудно сравнить даже с зашумленностью в радиодиапазонах. Там давно действуют жесткие правила, регламентирующие работу радиоаппаратуры. Требования к качеству электрических сетей приняты в США и европейских странах (евронормали), но и они не могут гарантировать работу аппаратуры стандарта Х10 без сбоев. О качестве энергии в сетях стран СНГ лучше вообще не говорить – оно удручающее.

Модуль Х10 в выключателеВ этих условиях передача информации по электрическим сетям возможна только при изощренной системе кодирования помехоустойчивыми алгоритмами. А в протоколе Х10 используется в командах только один контрольный бит и амплитудная модуляция. Поэтому большинство пользователей устройств, работающих в стандарте Х10, жалуются на сбои в выполнении команд.

Для борьбы с внешними помехами и не санкционированным доступом к системе, устанавливают фильтры, например модуль FM10, входящий в состав линейки блоков Х10. Но с ростом числа источников помех внутри дома, таких модулей может потребоваться несколько. Все это усложняет и перегружает систему вспомогательными блоками.

Вообще, анализируя обилие устройств, совместимых с Х10, возникает крамольный вопрос: «Не проще ли отказаться от стандарта, имеющего столько недостатков и перейти на построение системы, основанной на современном протоколе?».

Современный набор пультов, работающих с использованием радиоканалов, вполне справляется с задачами домашней автоматизации автономно. Поэтому встраивать в них дополнительную функцию поддержки Х10 – это скорее дань традиции, чем необходимость.

Изделия стандарта Х10Ведь для ввода управляющего сигнала в силовую сеть требуются трансиверы, что усложняет как сами пульты, так и систему в целом. Еще нужно добавить ретрансляторы информационных сигналов, фильтры перепадов напряжения, блокираторы сигналов, мосты для связи с разными фазами и т.д. Перечень вспомогательного оборудования, повышающего надежность системы, давно превысил сложность базовых устройств самой системы.

Для кого же тогда все это выпускается? Дело в том, что только в США около 5 миллионов домов оборудовано системами автоматизации протокола Х10. Не меньшее количество систем функционирует в Европе. С момента появления стандарта реализовано более 100 миллионов изделий. На этих потребителей и ориентируются производители, непрерывно расширяя перечень.

Но для тех, кто только думает заняться увлекательной проблемой создания «умного дома», ориентироваться на стандарт Х10 и оборудование, его поддерживающее, не стоит. Сегодня на рынке предлагается современные изделия для домашней автоматизации, выполняющие обширный круг задач: измерение температуры и влажности, управление нагрузками непосредственно и таймером, и много другого. При этом они гораздо надежней, а зачастую и дешевле.

Изделия стандарта Х10 в магазинеВажно учесть еще одну особенность — изделия от разные производителей могут быть не совместимы между собой. На фоне всех этих проблем такие недостатки, как отсутствие квитирования (обратной связи с приемниками) и незащищенность от несанкционированного доступа выглядят просто мелкими шероховатостями стандарта.

И еще одно: при всех своих недостатках и почтенном возрасте, изделия стандарта Х10 сегодня далеко не из дешевых. Простейший базовый набор, состоящий из пульта и приемника, стоит от 200 долларов, а каждый дополнительный блок еще в среднем 30 долларов. А продукция «солидных» изготовителей, например, бельгийской фирмы Xanura, обойдется в 2300 долларов за многофункциональный контроллер и 300 за ИК-трансивер.

Поэтому те, кто отдаст предпочтение этому стандарту, должны быть очень осторожны как в определении задач, которые будет решать система вашего «умного» дома, так и выборе поставщиков устройств. Лучший вариант – это купить продукцию фирмы «Х10 Inc», которая широко представлена на рынках СНГ, но возможны и другие варианты, зависящие от ваших финансовых возможностей.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *