摘要
电力线通信让家电产品透过安装于住宅的标准插座进行互连。借着协调各种家电产品的运作，电力线通信能提高各种家电产品的性能表现。小至小型厨房用品，像是咖啡机和烤箱，大至洗碗机、洗衣机、烘衣机等大型家电。电力线通信不仅降低了尖峰时间的电流负载量，也减少其它家电设计的需求，在便利性和安全性皆有很大的提升。
就实现电力线通信的条件而言，并不需要太大的频宽。目前广泛使用的低价微控制器，只要经过少许调整，搭配少数外部组件，就能实现电力线通信。本文针对一种以电力线通信所拟定的通信协议，以及在一般家电产品中可能的用途进行探讨；并试着提出家电产品间互连的替代方案，以及该产业的新兴标准。
在家电产品中纳入电力线通信功能，能增进安全、便利性、提供自动化及家居安全等服务。若成本能够压低，电力线通信与家电产品的整合，以及附加利益的实现将更为可能。
背景
电力线通信(PLC)能增进安全、便利性、提供自动化及家居安全等服务。借着在家电产品与家用计算机之间建立连结，许多技术专家相信电力线通信将创造许多新的功能，让现代数字家庭的成员享受更便利的生活。(如图1)
在诸多想在智能型家庭市场抢占一席之地的技术中，电力线通信也是其中一员。其它提供数字连结的技术利用不同媒介，像是无线网络(Wi-Fi)、电话线网络(HomePNA)、甚至透过铜线配置工程(传言是锁定摩天大楼的局域网络)。每项技术的目标都朝向避免传统局域网络所必备的布线费用(像是以太网络的CAT-5线)。事实上，每个电源插座都是通信插座。
然而，由于无法预测的线路拓扑、信号的衰减、变动的电源传输阻抗、双向闸流体和马达所产生的噪声、以及不同负载连结与关闭所产生的动态环境，电力线环境对宽带数字通信相当不利。
无线通信避开充满噪声的电力线，为各种使用电池的独立装置建立网络，像是笔记型计算机、警报系统、恒温器等。但无线通信本身面临许多限制：像是信号会被金属物体反射，如电冰箱、档案柜，以及射频频带壅塞等。
由于两种媒介互补的天性，无线的“无线路”与电力线的“无需新建线路”技术，在未来的数字家庭中很可能占有一席之地。
市调机构IMS Research认为，在2008年之前，内建网络通信功能的家电产品数量将增长10倍。对于家电产品而言，电力线是很自然的通信媒介，因为大多数家电都由交流电插座提供电力。
各种电源线通信技术
电力线通信可按频宽、功能、以及传输范围等因素，分成许多类别(如图2)。像是应用在家庭自动化的电力线控制网络，就属于低频宽、涵盖单一住宅的网络。控制网络的范围，由主断路器控制，数据传输率从10 kbps～100 bps。
电力线数据网络取代传统的局域网络，让数据能在多部个人计算机之间分享，并使用共同的外围设备。数据传输率介于1Mbps～15 Mbps。宽带的数据网络，这里称之为电力线媒体网络，能在200Mbps的速度下同时传送多个影音媒体串流(与其它数据)。在数据网络的某些点，可透过家用网关器连上因特网。
电力线通信的潜力亦延伸至家庭以外的领域。电力线宽带网络让电力公司不仅能供应电力，还能提供上网服务。在足够的频宽支持下，电力线能和电话、有线电视、以及卫星等上网服务媒体一较高下，并提供自动读取电表数据的媒介。
家电产品的电力线通信
如图2所示，各种家电都可赋予PLC功能。应该运用怎样的技术依用途来决定。
开发LonWorks 装置网络平台的Echelon 公司，指出“代管服务”(managed services)的发展潜力─家电可透过电源线网络自动通知维修人员到府服务。(这明显只是一项诉求，毕竟谁会想维修人员没有事先告知就上门来？)
另一项对消费者没有太大吸引力的特点(但或许会吸引电力公司与监管机构的目光)就是远程负载管理。这个功能让电力公司能控制家庭用干衣机仅在离峰时段启动，让用户得到较便宜的费率。此外，家用电器也可在电力公司的中央控制下关闭，在夏天热浪来袭时，避免采取分区停电的策略。可惜的是，消费者大多不愿接受电力公司这样“周到”的服务。
到目前为止，市场并没有迫切需要提供洗碗机高速网络联机，或是在洗衣机与干衣机之间提供高速档案传输服务。
在４种PLC中，对于家电制造商而言，电力线控制网络是最直接、实际的应用领域。
电力线通信广泛的基础，为最古老且广泛被使用的家庭自动化技术─X-10。
重新认识X-10
即使技术上确实可行，但还有其它因素影响PLC是否能成为家电产品的普遍功能。主要的因素包括：
● 低边际成本
● 实用性
● 大规模的安装数量
● 通用的标准
X-10虽然 相对于一般数字标准而言是相当低速的，但其边际成本确实相当低；实用性十足；已累积了可观的安装数量；并拥有一个通用(目前)非专利式的标准，且能继续扩充。
X-10 协议于1977年在英国取得专利，而后于1980年取得美国专利(1977年12月申请)。由于超过20年的专利时效，X-10已成为一项开放标准。
X-10是目前低阶电力线控制网络的普及标准。简单的说，X-10协议有潜力成为一个实用的附加功能，为产品增添低成本、低频宽通信的功能。
最后，X-10在市场上已发展得相当成熟，上游的技术开发业者让PLC方法与X-10电力线标准得以并存。
本文的第二部份探讨如何运用一个8位PIC微控制器实现X-10通信系统，目前PIC微控制器已广泛运用在许多常见的家电产品。
X-10协定概述
X-10 是一个低频宽的通信协议，透过家庭电力线来传送信号。它是如何运作呢？X-10运用120 kHz的脉冲，在交流电源零交越(zero-crossings)时传送，以传递数字信息。(如图3)
藉由监控零交越波型，X-10组件知道何时要传送或接收X-10信息。接近交流电的零越有若有一个1 ms宽的120 kHz的脉冲用来代表binary 1；当它不见时又代表一个binary 0。
在一个三相分布式系统中，接收器(receiver)可能位在和发送器(transmitter)不一样的相位。因此，X-10会要求传送器传送３次的120 kHz脉冲，一次是在零交越时传送，另外两次是在其它相位的零交越时传送。图3显示这些脉冲的位置(让一个X-10信号能可靠地从某个相位传递至另一个相位，不论是电容或主动式中继组件，都必须安装在相位线路之间)
一个完整的X-10信号包含起始码(1110)，之后有一个house code内容码与一个key code。key code 可能是单元地址或是一个功能码，端视信息是地址或指令而定。表1与表2列出house与key code的可能值。
当传送表1与表2的数据码时，会利用两个零交越来传送数据位，采用互补的位数对模式，换言之，0-1代表一个零，1-0代表一个一。举例来说，要传送house code A，在表1中的四位码为0110，以互补位数对模式传送的数据码则是01101001。由于house 与key codes 是使用互补的模式来传送，因此启始码仅会置于X-10数据串流中出现1110的地方。
表2所示，5位长的key code，在互补格式中须用10位的代码表示。由于key code最后一个位在单元地址时永远都是零，而在功能码时永远都是1，因此key code最后一个位可用来分辨key code是一个单元地址或功能码。
一个完整的数据区块含有启始码(start-code)、house-code、key-code 以及后缀(suffix)。在每对数据区块中，每个数据区块都会在3个电力线周期或6个零交越周期中传送两次。
例如，开启一个X-10模块，指派给单元2的house code A，后续的数据串流会透过电力线传送，每个零交越点传送一个位：
首先，地址会传送两次：
启始码：1110
House A：01101001
单元2：10101001
后缀：01
之后，等候3个周期(6个零交越)： 000000
之后传送两次指令：
启始码：1110
House A：01101001
ON：01011001
后缀：10
之后，等待3个周期(6次零交越)，然后再传送下个区块：000000
有一个延伸码格式，能用来支持各种家电产品，X10 Wireless Technology公司将它命名为XTC798。其包含3种延伸码分别支持数据与控制、安全信息传递、以及读表(meter reading)等功能。
通信协议可进行修订，以提供更好的安全性以及更多地址功能(address capability)。例如，一个house code重新指派后，通信协议随之修改；其后，就能根据新标准来处理信息格式。
X-10 系统实作
X-10电路的硬件功能可分成３个部份：
● 零交越侦测器
● 120 kHz 载波侦测器
● 120 kHz 信号产生器
利用一个具备基本功能的8位微控制器实现以上功能是相当简单的，几乎Microchip所有款式的PIC微控制器都可达成。以下范例使用PIC16F877A 8位微控制器，利用最少的资源(归纳于表3)。每个功能组的实现如下所述：
Resource Use on Representative 8-bit Microcontroller (PIC16F877A)
Resource
Function
Description
External Interrupt on RB0
Zero-crossing detect
Generate 1 interrupt every zero-crossing
CCP1/Timer 2 in PWM mode
120 kHz modulation
TRISC is used to enable/disable 120 kHz output. Main oscillator must be selected to make frequency possible.
Any digital input pin
Input for carrier envelope detect circuit
Timer0 interrupt
120 kHz envelope timing
Times duration of 1 ms bursts and onset of 2nd and 3rd phase bursts.
Program memory
X-10 firmware functions
Less than 1 Kbyte
Data memory
X-10 firmware variables
Less than 100 bytes
零交越侦测器
在X-10电路中，信息在交流电源的零交越处设定时序。使用RB0接脚的一个外部中断，加上一个外部组件─如电阻器，就能轻易建立一个零交越侦测器。该侦测器可限制输入到PIC微控制器的电流(如图4)。
在美国，Vrms = 117VAC，尖峰线路电压为165V。若我们选择一个为5 M ohms的电阻器：
Ipeak= 165V/5 M ohms = 33 μA
将完全落在PIC微控制器I/O接脚的箝位电流范围内。
输入保护二极管(设计到PIC微控制器I/O接脚内)针对任何高于Vdd或低于Vss的电压进行箝位处理。因此，当AC电压在周期的负值部份，RB0接脚被箝位至 Vss-0.6V。它被解释为逻辑零(logic zero)。当AC电压上升至输入门坎值之上时，逻辑值变成1。
在这个范例中 ，RB0设定成外部中断 ，输入缓冲区是一个 Schmitt触发器。如此一来，在上升阶段输入门坎为 0.8 Vdd = 4V，在下降阶段门坎为0.2， Vdd =1V
在每个中断，OPTION_REG缓存器的中断边缘选择位会被触发，让中断发生在每个零交越。使用以下公式，能算出接脚状态变更与零交越的关系
V= Vpk x sin(2xpixfxt), 其中的 Vpk = 165V 而 f = 60 Hz.
在上升端， 在零交越后RB0 高于 64μs，在下降端，在零交越之前会低于16μs。
120 kHz 载波侦测器
想要接收 X-10 信号，必须侦测AC电源线路上是否有120 kHz信号。并搭配一个解耦电容(decoupling capacitor)、高通滤波器(high-pass filter)、调谐放大器(tuned amplifier)、以及一个波形侦测器(envelope detector)。载波侦测器的组件如图5所示。
由于电容的阻抗为：
Zc = 1/(2xπxfxC)
因此一个 0.1μF 电容对120 kHz载波频率代表一个低阻抗(13Ω)，但对于60 Hz的电力线而言却是高阻抗(26.5 KΩ)。这个高通滤波器让120 kHz信号能安全地与60 Hz电力线进行耦合，但在120 kHz载波产生器阶段会倍增，如下节所述。
由于120 kHz载波频率远高于60 Hz电力线频率，因此可设计出一个RC滤波器来传递120 kHz信号，并完全衰减60 Hz部份。高通滤波器构成高通滤波器与调谐放大器模块的第一个阶段。
对于一个简单的高通滤波器而言，
3 db 断点为：
f3 db = 1/(2xπxRxC).
对于C = 100 pF 且R = 1 M,
f3 db = 1/(2xπx150 pF x33 KΩ) = 32 kHz.
这个f3 db点确保当120 kHz的信号通过多个放大器阶段，60 Hz信号会完全衰减。之后，120 kHz信号使用一连串的反转器进行放大，这些反转器被设定成增益放大器(high-gain amplifiers)。前两个阶段是调谐放大器，在120kHz达到尖峰反应；后面两个阶段则提供额外的放大机制。放大后的120 kHz信号通过一个波形侦测器(envelope detector)，这些侦测器内含一个二极管、电容、以及电阻器。波形侦测器的输出值通过一个反转器存入缓冲区，并传送到PIC16F877A的输入接脚(RC3)。
在每个零交越中断上，RC3在1ms传送封包内进行检查，观察是否有载波存在。载波的存在与否，代表0与1，这些0与1构成了上述的X-10信号。
120 kHz 信号产生器
X-10 使用120 kHz调变机制，透过60Hz电力线来传送信息。它能透过一个外部振荡器电路来产生120 kHz的载波。一个I/O针脚能用来启动或关闭振荡器的电路输出。但是，若使用一个PIC微控制器的撷取/比较/PWM(CCP)模块，就不必使用外部振荡器电路。
在PWM模式中使用CCP1模块，产生一个1/2 duty 的120 kHz方波(square-wave)。由于X-10载波频率为 120 kHz (+/- 2 kHz)，因此这个范例中系统振荡器选择7.680 MHz，以便让CCP产生精准的120 kHz。
在启动后，CCP1持续开启，接脚的TRISC 位用来控制PWM的输出。当设定TRISC位时，接脚是一个输入端，在接脚上没有120 kHz信号。当TRISC位被清除后，接脚就成为120 kHz信号的输出，并通过一个晶体管放大器和电容，与AC电源进行耦合，如图6所示。
由于电容的阻抗为：
Zc = 1/(2xπxfxC),
一个0.1μF 电容对于120 kHz载波频率而言，代表的是低阻抗，但对60 Hz的电力线频率而言却是一个高阻抗。这个高通滤波器让120 kHz信号能安全地与60 Hz电力线进行耦合，并在120 kHz载波侦测器的第一个阶段就倍增，如同先前所述。
为了和其它X-10接收器维持兼容，零交越与X-10封包开始之间的最大延迟，约莫在300μs。由于零交越侦测器的最大延迟约为64μs，因此在侦测到跨零交越后，韧体只能花不到236μs的时间，以传送120 kHz的封包。
应用实例
此章节介绍几项应用，能运用低频宽的电力线通信来实现。
在实际了解X-10的功能与弱点后，就能设计许多应用，以有效发挥X-10协议的低频宽控制网络功能。
X-10目前最常见的应用就是灯光控制。标准前置套件中含一个灯光模块，能装在任何灯具与电源插座之间。无线光源传感器能安装在窗口，天黑时就会自动打开灯光，并在预设时间关闭。因此，大多数X-10模块都是接收器。X-10不是用在各家电之间连续的通信；而是间歇性的，通常是在一个控制单元与多个灯具模块之间进行单向通信。X-10缺乏碰撞侦测、加密等功能，不适合支持安全防护的产品(尽管如此，X-10的灯具控制功能，让家中即使没人，也能伪装出有人在家的状态，仍是它的杀手应用)
以下列举几种可采用低成本电力线通信技术的家电：
智能型咖啡机 + 智能型闹钟
在设定闹钟时，可设定让咖啡机在闹钟响前数分钟自动开启。(记得放入新的咖啡豆，否则咖啡机将不会启动)
智能型空调
可在通风管道设置可变速的风扇，以控制各房间的空调气流。这种系统除了现有的交流电线路外，不需要额外的控制线路。
更安全的熨斗
当洗衣间的灯光关闭时，熨斗也会自动关闭；或是当警报系统启动、熨斗闲置超过1小时，也会自动关闭。
在家用电器的设计中，不需太多力气就能与许多新点子结合；然而制造商面临的挑战是─在加入各种实用功能的同时，不会减少其可用性及增加复杂度。诚如 Donald A. Norman 在《The Design of Everyday Things》一书所述，科技的矛盾在于，相同的科技一方面让生活简单；一方面让生活复杂。
在设计家电产品方面，良好设计的原则，就是减少使用者操作的复杂性，这对推广电力线通信也是重要的关键。
结论
X-10功能只需一个8位微控制器加上些许的资源、少量的程序内存、以及几个外部组件，就能达成。由于X-10是家庭自动化的标准，如今更发展成一个可延伸的开放性标准，家电产品的制造商确实值得考虑用它作为基础，在产品中扩增基础的电力线通信功能。一旦与X10协议兼容的增补标准规格发布，能支持更多的地址并提供更强化的安全性，市场前景将更可观。
