X10 (padrão da indústria) - X10 (industry standard)
X10 é um protocolo de comunicação entre dispositivos eletrônicos utilizados para automação residencial ( domótica ). Ele usa principalmente a fiação da linha de energia para sinalização e controle, onde os sinais envolvem breves rajadas de radiofrequência representando informações digitais . Um transporte de protocolo baseado em rádio sem fio também é definido.
O X10 foi desenvolvido em 1975 pela Pico Electronics de Glenrothes, Escócia , para permitir o controle remoto de aparelhos e eletrodomésticos. Foi a primeira tecnologia de rede domótica de propósito geral e continua sendo a mais amplamente disponível.
Embora existam várias alternativas de largura de banda mais alta , o X10 continua popular no ambiente doméstico com milhões de unidades em uso em todo o mundo e disponibilidade econômica de novos componentes.
História
Em 1970, um grupo de engenheiros fundou uma empresa em Glenrothes, Escócia, chamada Pico Electronics. A empresa desenvolveu a primeira calculadora de chip único . Quando os preços do circuito integrado de calculadora começaram a cair, o Pico voltou a se concentrar em produtos comerciais ao invés de CIs simples.
Em 1974, os engenheiros do Pico desenvolveram em conjunto um toca- discos LP , o ADC Accutrac 4000, com Birmingham Sound Reproducers , na época o maior fabricante de trocadores de discos do mundo. Ele poderia ser programado para tocar faixas selecionadas e poderia ser operado por um controle remoto usando sinais de ultrassom , o que gerou a ideia do controle remoto para luzes e eletrodomésticos. Em 1975, o projeto X10 foi concebido, assim chamado porque era o décimo projeto. Em 1978, os produtos X10 começaram a aparecer nas lojas RadioShack e Sears . Junto com a BSR foi formada uma parceria com o nome X10 Ltd. Naquela época, o sistema consistia em um console de comando de 16 canais, um módulo de lâmpada e um módulo de aparelho. Logo em seguida, veio o módulo de interruptor de parede e o primeiro temporizador X10.
Na década de 1980, a interface de computador CP-290 foi lançada. O software para a interface é executado no Commodore 64 , Apple II , Macintosh , MS-DOS e MS-Windows .
Em 1985, a BSR fechou as portas e a X10 (USA) Inc. foi formada. No início da década de 1990, o mercado consumidor era dividido em duas categorias principais, o ultra-high-end com um orçamento de US $ 100.000 e o mercado de massa com orçamentos de US $ 2.000 a US $ 35.000. CEBus (1984) e LonWorks (1991) foram tentativas de melhorar a confiabilidade e substituir o X10.
Marcas
Os componentes X10 são vendidos sob uma variedade de nomes de marcas:
- Powerhouse X10
- X10 Pro
- X10 Activehome
- Radio Shack Plug 'n Power
- Sistema de Controle Central Leviton (CCS)
- Controles eletrônicos Leviton Decora
- Sears Home Control System
- Stanley LightMaker
- Stanley Homelink
- Black & Decker Freewire
- IBM Home Director
- RCA Home Control
- GE Homeminder
- Tecnologias de controle avançado (ACT)
- Magnavox Home Security
- NuTone
- Lar inteligente
Visão geral do controle da operadora de linha de energia
A fiação elétrica doméstica que alimenta as luzes e aparelhos é usada para enviar dados digitais entre os dispositivos X10. Esses dados são codificados em uma portadora de 120 kHz que é transmitida como rajadas durante os cruzamentos de zero relativamente silenciosos da forma de onda de corrente alternada CA de 50 ou 60 Hz . Um bit é transmitido em cada cruzamento zero.
Os dados digitais consistem em um endereço e um comando enviado de um controlador para um dispositivo controlado. Controladores mais avançados também podem consultar dispositivos igualmente avançados para responder com seu status. Este status pode ser tão simples como "desligado" ou "ligado", ou o nível de escurecimento atual, ou mesmo a temperatura ou outra leitura do sensor . Os dispositivos geralmente se conectam à parede onde uma lâmpada, televisão ou outro eletrodoméstico é conectado; no entanto, alguns controladores integrados também estão disponíveis para interruptores de parede e luminárias de teto.
A onda portadora de frequência relativamente alta que transporta o sinal não pode passar por um transformador de potência ou pelas fases de um sistema multifásico . Para sistemas de fase dividida, o sinal pode ser acoplado passivamente perna a perna usando um capacitor passivo , mas para sistemas trifásicos ou onde o capacitor fornece acoplamento insuficiente , um repetidor X10 ativo pode ser usado. Para permitir que os sinais sejam acoplados através das fases e ainda correspondam ao ponto de cruzamento zero de cada fase, cada bit é transmitido três vezes em cada meio ciclo, com deslocamento de 1/6 de ciclo.
Também pode ser desejável bloquear os sinais X10 de deixar a área local para que, por exemplo, os controles X10 em uma casa não interfiram com os controles X10 em uma casa vizinha. Nessa situação, os filtros indutivos podem ser usados para atenuar os sinais X10 que entram ou saem da área local.
Protocolo
Quer usando linha de energia ou comunicação de rádio, os pacotes transmitidos usando o protocolo de controle X10 consistem em um código de casa de quatro bits seguido por um ou mais códigos de unidade de quatro bits , finalmente seguido por um comando de quatro bits. Para conveniência dos usuários que configuram um sistema, o código da casa de quatro bits é selecionado como uma letra de A a P, enquanto o código da unidade de quatro bits é um número de 1 a 16.
Quando o sistema é instalado, cada dispositivo controlado é configurado para responder a um dos 256 endereços possíveis (16 códigos de casa × 16 códigos de unidade); cada dispositivo reage a comandos endereçados especificamente a ele ou, possivelmente, a vários comandos de transmissão.
O protocolo pode transmitir uma mensagem que diz "selecione o código A3", seguida de "ligar", que comanda a unidade "A3" para ligar seu dispositivo. Várias unidades podem ser endereçadas antes de dar o comando, permitindo que um comando afete várias unidades simultaneamente. Por exemplo, "selecione A3", "selecione A15", "selecione A4" e, finalmente, "ligue", faz com que todas as unidades A3, A4 e A15 sejam ligadas.
Observe que não há nenhuma restrição que impeça o uso de mais de um código de casa em uma única casa. Os comandos "todas as luzes ligadas" e "todas as unidades desligadas" afetarão apenas um único código de casa, portanto, uma instalação que usa vários códigos de casa tem efetivamente os dispositivos divididos em zonas separadas.
Mão única vs mão dupla
Dispositivos X10 baratos apenas recebem comandos e não reconhecem seu status para o resto da rede. Os dispositivos controladores bidirecionais permitem uma rede mais robusta, mas custam duas a quatro vezes mais e requerem dispositivos X10 bidirecionais.
Lista de comandos X10
| Código | Função | Descrição | Mão Única | Duas Vias |
|---|---|---|---|---|
| 0 0 0 0 | Todas as unidades desligadas | Desligue todos os dispositivos com o código da casa indicado na mensagem | X | |
| 0 0 0 1 | Todas as luzes acesas | Liga todos os dispositivos de iluminação (com a capacidade de controlar o brilho) | X | |
| 0 1 1 0 | Todas as luzes apagadas | Desliga todos os dispositivos de iluminação | X | |
| 0 0 1 0 | Sobre | Alterna em um dispositivo | X | |
| 0 0 1 1 | Desligado | Desliga um dispositivo | X | |
| 0 1 0 0 | Dim | Reduz a intensidade da luz | X | |
| 0 1 0 1 | Brilhante | Aumenta a intensidade da luz | X | |
| 0 1 1 1 | Código estendido | Código de extensão | X | |
| 1 0 0 0 | Pedido de saudação | Solicita uma resposta do (s) dispositivo (s) com o código da casa indicado na mensagem | X | |
| 1 0 0 1 | Saudação de reconhecimento | Resposta ao comando anterior | X | |
| 1 0 1 0 | Escurecimento predefinido | Permite a seleção de dois níveis predefinidos de intensidade de luz | X | |
| 1 1 0 1 | Status está ativado | Resposta à solicitação de status indicando que o dispositivo está ligado | X | |
| 1 1 1 0 | Status está desligado | Resposta indicando que o dispositivo está desligado | X | |
| 1 1 1 1 | Solicitação de status | Solicitação que exige o status de um dispositivo | X |
Lista de codificações de código de unidade e casa X10
Observe que os valores binários para os códigos da casa e da unidade correspondem, mas não são uma sequência binária direta. Lembre-se também de que um código de unidade será seguido por um bit "0" adicional para distinguir de um código de comando (detalhado acima).
| Código da Casa | Código do Dispositivo | Valor binário |
|---|---|---|
| UMA | 1 | 0 1 1 0 |
| B | 2 | 1 1 1 0 |
| C | 3 | 0 0 1 0 |
| D | 4 | 1 0 1 0 |
| E | 5 | 0 0 0 1 |
| F | 6 | 1 0 0 1 |
| G | 7 | 0 1 0 1 |
| H | 8 | 1 1 0 1 |
| eu | 9 | 0 1 1 1 |
| J | 10 | 1 1 1 1 |
| K | 11 | 0 0 1 1 |
| eu | 12 | 1 0 1 1 |
| M | 13 | 0 0 0 0 |
| N | 14 | 1 0 0 0 |
| O | 15 | 0 1 0 0 |
| P | 16 | 1 1 0 0 |
Detalhes da camada física
No fluxo de corrente CA de 60 Hz , cada bit transmitido requer dois cruzamentos de zero. Um bit "1" é representado por um cruzamento de zero ativo seguido por um cruzamento de zero inativo. Um bit "0" é representado por um cruzamento de zero inativo seguido por um cruzamento de zero ativo. Um cruzamento de zero ativo é representado por uma rajada de 1 milissegundo de 120 kHz no ponto de cruzamento zero (nominalmente 0 °, mas dentro de 200 microssegundos do ponto de cruzamento zero). Um cruzamento de zero inativo não terá um pulso de sinal de 120 kHz.
A fim de fornecer um ponto de início previsível, cada quadro de dados transmitido sempre começa com um código de início de três cruzamentos de zero ativos seguidos por um cruzamento inativo. Uma vez que todos os bits de dados são enviados como um cruzamento por zero ativo e um inativo (ou um inativo e um ativo), o código de início, possuindo três cruzamentos ativos em uma linha, pode ser detectado exclusivamente. Muitos gráficos de protocolo X10 representam este código inicial como "1110", mas é importante perceber que é em termos de cruzamentos de zero, não bits de dados.
Imediatamente após o código de início, um código de casa de 4 bits (normalmente representado pelas letras A a P nas unidades de interface) aparece e, após o código de casa, vem um código de função de 5 bits . Os códigos de função podem especificar um código de número de unidade (1–16) ou um código de comando. O número da unidade ou código de comando ocupa os primeiros 4 dos 5 bits. O bit final é 0 para um código de unidade e 1 para um código de comando. Múltiplos códigos de unidade podem ser transmitidos em sequência antes que um código de comando seja finalmente enviado. O comando será aplicado a todos os códigos de unidade enviados. Também é possível enviar uma mensagem sem códigos de unidade, apenas um código da casa e um código de comando. Isso se aplicará ao comando para o último grupo de códigos de unidades enviados anteriormente.
Um código de início, um código de casa e um código de função são conhecidos como um quadro X10 e representam os componentes mínimos de um pacote de dados X10 válido.
Cada quadro é enviado duas vezes em sucessão para garantir que os receptores o entendam sobre qualquer ruído da linha de energia para fins de redundância, confiabilidade e para acomodar repetidores de linha. Depois de permitir a retransmissão, o controle de linha, etc., as taxas de dados ficam em torno de 20 bits / s , tornando a transmissão de dados do X10 tão lenta que a tecnologia se limita a ligar e desligar dispositivos ou outras operações muito simples.
Sempre que os dados mudam de um endereço para outro endereço, de um endereço para um comando, ou de um comando para outro comando, os quadros de dados devem ser separados por pelo menos 6 cruzamentos de zero claros (ou "000000"). A sequência de seis zeros redefine o hardware do decodificador do dispositivo.
Desenvolvimentos posteriores (1997) de hardware são melhorias do hardware X10 nativo. Na Europa (2001) para o mercado de 230 VAC 50 Hz. Todos os produtos aprimorados usam o mesmo protocolo X10 e são compatíveis.
Protocolo RF
Para permitir teclados sem fio, interruptores remotos, sensores de movimento etc., um protocolo de RF também é definido. Os dispositivos sem fio X10 enviam pacotes de dados quase idênticos ao protocolo IR NEC usado por muitos remotos IR, e um receptor de rádio fornece uma ponte que converte esses pacotes de rádio em pacotes de controle de linha de energia X10 comuns. O protocolo sem fio opera na frequência de 310 MHz nos Estados Unidos e 433,92 MHz nos sistemas europeus .
Os dispositivos disponíveis usando o protocolo de rádio incluem:
- Controladores de teclado ("clickers")
- Controladores de chaveiro que podem controlar de um a quatro dispositivos X10
- Módulos de alarme contra roubo que podem transmitir dados do sensor
- Interruptores infravermelhos passivos para controlar a iluminação e carrilhões X-10
- Explosões de informações não passivas
Suporte de hardware
Módulos de dispositivo
Dependendo da carga a ser controlada, diferentes módulos devem ser usados. Para cargas de lâmpadas incandescentes , um módulo de lâmpada ou módulo de interruptor de parede pode ser usado. Esses módulos alternam a alimentação usando uma chave de estado sólido TRIAC e também são capazes de diminuir a carga da lâmpada. Módulos de lâmpada são quase silenciosos em operação e geralmente classificados para controlar cargas que variam de aproximadamente 40 a 500 watts .
Para cargas que não sejam lâmpadas incandescentes, como lâmpadas fluorescentes , lâmpadas de descarga de alta intensidade e eletrodomésticos , a comutação eletrônica baseada em triac no módulo da lâmpada é inadequada e um módulo de eletrodoméstico deve ser usado em seu lugar. Esses módulos trocam a alimentação usando um relé de impulso . Nos EUA, esses módulos são geralmente classificados para controlar cargas de até 15 amperes (1800 watts a 120 V).
Muitos módulos de dispositivo oferecem um recurso chamado controle local . Se o módulo estiver desligado, operar o botão liga / desliga na lâmpada ou dispositivo fará com que o módulo seja ligado. Desta forma, uma lâmpada ainda pode ser acesa ou uma cafeteira ligada sem a necessidade de usar um controlador X10. Módulos de interruptor de parede podem não oferecer esse recurso. Como resultado, os módulos de aparelhos mais antigos podem não funcionar com, por exemplo, uma carga muito baixa, como um abajur LED de 5W.
Alguns módulos de switch de parede oferecem um recurso chamado dimerização local . Normalmente, o botão de pressão local de um módulo de interruptor de parede simplesmente oferece controle liga / desliga, sem possibilidade de escurecer localmente a lâmpada controlada. Se o escurecimento local for oferecido, manter o botão pressionado fará com que a lâmpada percorra sua faixa de brilho.
Módulos de ponta têm recursos mais avançados, como programáveis em níveis, taxas de desvanecimento personalizáveis, a capacidade de transmitir comandos quando usados (referidos como dispositivos de 2 vias) e suporte de cena .
Existem módulos de sensores que detectam e relatam aberturas e fechamentos de temperatura, luz, infravermelho, movimento ou contato. Os módulos do dispositivo incluem termostatos, alarmes sonoros e controladores para interruptores de baixa tensão.
Controladores
Os controladores X10 variam de extremamente simples a muito sofisticados.
Os controladores mais simples são organizados para controlar quatro dispositivos X10 em quatro endereços sequenciais (1–4 ou 5–8). Os controladores normalmente contêm os seguintes botões:
- Unidade 1 ligada / desligada
- Unidade 2 ligada / desligada
- Unidade 3 ligada / desligada
- Unidade 4 ligada / desligada
- Aumentar o brilho / escurecer (última unidade selecionada)
- Todas as luzes acesas / todas as unidades apagadas
Controladores mais sofisticados podem controlar mais unidades e / ou incorporar temporizadores que executam funções pré-programadas em horários específicos de cada dia. Também estão disponíveis unidades que usam detectores de movimento infravermelho passivos ou fotocélulas para ligar e desligar as luzes com base nas condições externas.
Finalmente, estão disponíveis unidades muito sofisticadas que podem ser totalmente programadas ou, como o Firecracker X10 , usar um programa em execução em um computador externo. Esses sistemas podem executar muitos eventos cronometrados diferentes, responder a sensores externos e executar, com o pressionar de um único botão, uma cena inteira , acendendo luzes, estabelecendo níveis de brilho e assim por diante. Os programas de controle estão disponíveis para computadores que executam os sistemas operacionais Microsoft Windows , Macintosh da Apple , Linux e FreeBSD .
Sistemas de alarme contra roubo também estão disponíveis. Esses sistemas contêm sensores de porta / janela, bem como sensores de movimento que usam um sinal de radiofrequência (RF) codificado para identificar quando eles estão desarmados ou apenas para fazer o check-in rotineiramente e dar um sinal de batimento cardíaco para mostrar que o sistema ainda está ativo. Os usuários podem armar e desarmar seu sistema por meio de vários controles remotos diferentes que também usam um sinal de RF codificado para garantir a segurança. Quando um alarme é disparado, o console fará uma chamada telefônica com uma mensagem gravada. O console também usará protocolos X10 para acender as luzes quando um alarme for disparado enquanto o console de segurança soa uma sirene externa. Usando protocolos X10, os sinais também serão enviados para sirenes remotas para segurança adicional.
Pontes
Existem pontes para traduzir o X10 para outros padrões domóticos (por exemplo, KNX ). O ioBridge pode ser usado para converter o protocolo X10 em uma API de serviço da web por meio do Módulo de Interface Powerline X10 PSC04. O controlador residencial magDomus da magnocomp permite a interconexão e interoperação entre a maioria das tecnologias de automação residencial.
Limitações
Compatibilidade
Chaves de estado sólido usadas em controles X10 passam uma corrente de fuga muito pequena. Lâmpadas fluorescentes compactas podem piscar incômodo quando desligadas; Os fabricantes de CFL não recomendam o controle de lâmpadas com temporizadores de estado sólido ou controles remotos.
Alguns controladores X10 com saídas triac de estado sólido podem não funcionar bem com dispositivos de baixa potência (abaixo de 50 watts) ou dispositivos como lâmpadas fluorescentes devido à corrente de fuga do dispositivo. Um módulo de aparelho, usando um relé com contatos metálicos, pode resolver esse problema. Muitas unidades de aparelhos mais antigas têm um recurso de 'controle local' em que o relé é intencionalmente desviado com um resistor de valor alto; o módulo pode então detectar a própria chave do aparelho e ligar o relé quando a chave local for operada. Esta corrente de detecção pode ser incompatível com lâmpadas LED ou CFL.
Nem todos os dispositivos podem ser usados em um dimmer. As lâmpadas fluorescentes não podem ser reguladas com dimmers de lâmpadas incandescentes; certos modelos de lâmpadas fluorescentes compactas são reguláveis, mas custam mais. Os aparelhos motorizados, como ventiladores, etc. geralmente não funcionam como esperado em um dimmer.
Fiação e fontes de interferência
Um problema com o X10 é a atenuação excessiva dos sinais entre os dois condutores ativos no sistema de 3 fios de 120/240 volts usado na construção residencial típica da América do Norte . Os sinais de um transmissor em um condutor ativo podem não se propagar através da alta impedância do enrolamento do transformador de distribuição para o outro condutor ativo. Freqüentemente, simplesmente não há um caminho confiável para permitir que os sinais X10 se propaguem de um fio da perna do transformador para o outro; essa falha pode ir e vir à medida que grandes dispositivos de 240 volts, como fogões ou secadores, são ligados e desligados. (Quando ligados, tais dispositivos fornecem uma ponte de baixa impedância para os sinais X10 entre os dois fios da perna.) Este problema pode ser superado permanentemente instalando um capacitor entre os fios da perna como um caminho para os sinais X10; os fabricantes geralmente vendem acopladores de sinal que se conectam a soquetes de 240 volts que realizam essa função. Instalações mais sofisticadas instalam um dispositivo repetidor ativo entre as pernas, enquanto outras combinam amplificadores de sinal com um dispositivo de acoplamento. Um repetidor também é necessário para a comunicação interfásica em residências com energia elétrica trifásica . Em muitos países fora da América do Norte, casas inteiras são normalmente conectadas com um único fio monofásico de 240 volts, portanto, esse problema não ocorre.
Receptores de televisão ou dispositivos sem fio domésticos podem causar sinais "desligados" ou "ligados" falsos. A filtragem de ruído (como instalada em computadores, bem como em muitos aparelhos modernos) pode ajudar a manter o ruído externo fora dos sinais X10, mas os filtros de ruído não projetados para X10 também podem atenuar os sinais X10 que viajam no circuito derivado ao qual o aparelho está conectado.
Certos tipos de fontes de alimentação usados em equipamentos eletrônicos modernos, como computadores, receptores de televisão e receptores de satélite, atenuam a passagem de sinais X10, fornecendo um caminho de baixa impedância para sinais de alta frequência. Normalmente, os capacitores usados nas entradas dessas fontes de alimentação encurtam o sinal do X10 da linha para o neutro, suprimindo qualquer esperança de controle do X10 no circuito próximo ao dispositivo. Filtros estão disponíveis para bloquear os sinais X10 de chegar a esses dispositivos; conectar dispositivos ofensivos em tais filtros pode curar misteriosas falhas intermitentes do X10.
Ter uma fonte de alimentação de backup ou de reserva, como a usada com computadores ou outros dispositivos eletrônicos, pode matar totalmente essa perna em uma instalação doméstica por causa da filtragem usada na fonte de alimentação.
Comandos perdidos
Os sinais X10 só podem ser transmitidos um comando de cada vez, primeiro endereçando o dispositivo para controlar e, em seguida, enviando uma operação para que esse dispositivo execute. Se dois sinais X10 forem transmitidos ao mesmo tempo, eles podem colidir ou intercalar, levando a comandos que não podem ser decodificados ou que acionam operações incorretas. Os transceptores CM15A e RR501 podem evitar essas colisões de sinal que às vezes podem ocorrer com outros modelos.
Falta de velocidade
O protocolo X10 é lento. Demora cerca de três quartos de segundo para transmitir um endereço de dispositivo e um comando. Embora geralmente não seja perceptível ao usar um controlador de mesa, torna-se um problema perceptível ao usar interruptores de 2 vias ou algum tipo de controlador computadorizado. O atraso aparente pode ser reduzido um pouco usando taxas de dimerização de dispositivo mais lentas. Com módulos mais avançados, outra opção é usar comandos estendidos de controle de grupo (cena de iluminação). Isso permite ajustar vários módulos de uma vez por um único comando.
Funcionalidade limitada
O protocolo X10 oferece suporte a um controle mais avançado sobre a velocidade de escurecimento, configuração de nível de escurecimento direto e controle de grupo (configurações de cena). Isso é feito por meio do conjunto de mensagens estendidas, que é uma parte oficial do padrão X10. No entanto, o suporte para todas as mensagens estendidas não é obrigatório e muitos módulos mais baratos implementam apenas o conjunto básico de mensagens. Isso requer o ajuste de cada circuito de iluminação um após o outro, o que pode ser visualmente desagradável e também muito lento.
Interferência e falta de criptografia
A linha de energia X10 padrão e os protocolos de RF não têm suporte para criptografia e podem endereçar apenas 256 dispositivos. Sinais de linha de energia não filtrados de vizinhos próximos usando os mesmos endereços de dispositivo X10 podem interferir uns nos outros. Sinais sem fio RF interferentes podem ser recebidos de forma semelhante, sendo fácil para qualquer pessoa próxima com um remoto RF X10 causar caos, intencionalmente ou involuntariamente, se um dispositivo de linha de energia de RF estiver sendo usado no local.