В 2025 году отмечает свой 50-летний юбилей первый в истории протокол Умного дома — X10. Протокол X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics из Гленротса (Шотландия), чтобы обеспечить дистанционное управление домашними устройствами и приборами. Это была первая технология домашней автоматизации общего назначения, которая до сих пор остаётся сравнительно доступной.
Популярность данной технологии обеспечила передача управляющих сигналов через стандартную бытовую электропроводку с переменным током 230 В 50 Гц (Европа) и 120 В 60 Гц (США). Масштабировать «Умный дом» с данной технологией довольно просто, так как нет необходимости прокладывать дополнительные провода. Базовые принципы функционирования устройств умного дома, которыми мы пользуемся и сегодня, были заложены именно в X10.
Несмотря на то, что протокол X10 необратимо устарел и не так функционален как современные решения, им до сих пор пользуются миллионы американцев и европейцев в своих домах. Это обусловлено тем, что на пике популярности, огромное количество домовладельцев вложили значительные средства в экосистему на устройствах X10 и на текущий момент, когда система продолжает исправно работать, а устройства для нее все еще свободно продаются, не видят смысла в дополнительных тратах на переход.
Принцип работы X10.
Управление исполнительными устройствами, как мы уже писали ранее, осуществляется через бытовую электрическую сеть переменного тока. Посредством серии коротких, длиной в 1мс, кодированных импульсов частотой 120 кГц устройствам передаются команды в бинарном формате. Протокол X10 подразумевает широковещательную передачу управляющих сигналов — кадров, и чтобы устройства понимали кому предназначается команда, введена система адресации, состоящая из двух символов — одной латинской буквы и одной цифры. Всего доступно 16 «кодов дома» (A-P) и 16 «кодов устройств» (1-16), что в результате дает 256 уникальных комбинаций. Для присвоения адреса на каждом устройстве инфраструктуры X10 имеются специальные переключатели. При необходимости, вы можете устанавливать нескольким устройствам один и тот же адрес, тогда управление ими будет происходить одновременно.
Структура каждой команды (кадра) представляет из себя последовательный набор двоичных данных.
Передача данных X10 синхронизируется с точкой пересечения нуля амплитуды переменного тока.
Для передачи команды x10 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 0. 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.
Пример пакета протокола X10, который включит модуль-A1
1110 (Запуск), 01101001 (Дом A), 0110100101 (Устройство 1)
1110 (Запуск), 01101001 (Дом A), 0110100101 (Устройство 1)
000000 (Тишина)
1110 (Запуск), 01101001 (Дом A), 0101100110 (Команда Вкл.)
1110 (Запуск), 01101001 (Дом A), 0101100110 (Команда Вкл.)
000000 (Тишина)
Со временем, когда ассортимент устройств, работающих в экосистеме X10 значительно увеличился, потребовалось дополнить базовый список команд, чтобы, в некотором смысле, повысить гибкость системы. Поэтому список стандартных команд был расширен. Новые команды позволяли запрашивать текущее «состояние» подключенных актуаторов и менять яркость осветительных приборов на конкретный заданный уровень.
Для чего это было сделано? Здесь нужно пояснить, что основная масса исполнительных устройств (актуаторов) X10 работает только в режиме «приёма», т.е. вы не получаете от них обратной связи. Это создает неудобства, связанные с тем, что вы не знаете, включено ли в данный момент или выключено устройство, находящееся вне поля вашего зрения. Новые команды должны были устранить эту проблему, соответственно, при наличии актуаторов, которые бы эти команды поддерживали. Например, ложась спать, вы хотели бы оставить на ночь освещение крыльца, но для экономии энергии не на полную яркость, а на 50%. Если у вас обычный актуатор, то вам пришлось бы выходить на крыльцо или наблюдая в окно «на глаз» устанавливать яркость, а если у вас установлен актуатор с поддержкой расширенного списка команд, то вы, не вставая с кровати, сможете задать устройству необходимый режим работы.
При отправке
У X10 имеется особенность при работе в трехфазной сети. Сигнал изначально передается по 1 фазе, и чтобы корректно транслировать его на остальные 2 фазы, используют твердотельные конденсаторы или специальные устройства — репитеры. При этом 1-миллисекундные пакеты должны одинаково передаваться три раза, чтобы совпасть с точкой пересечения нуля всех трех фаз в трехфазной системе электроснабжения. На рисунке ниже показано временное соотношение этих пакетов относительно пересечения нуля.
На изображении выше, показана схема передачи управляющего сигнала по протоколу X10 в бытовой электросети с помощью твердотельных (важно, не электролитических!) конденсаторов. Это самый простой/дешевый метод, но и самый ненадежный. Для создания емкостного межфазного моста требуется конденсатор емкостью 0,1 микрофарада рассчитанный на рабочее напряжение не менее 600 вольт переменного тока. Работает это следующим образом, конденсатор почти без потерь пропускает токи на высокой частоте (120кГц), при этом создает высокое сопротивление токам на частоте 60Гц, что не дает произойти короткому замыканию между фазами. Проверить это несложно с помощью формулы Xc = 1/(2πƒC), где Xc — ёмкостное реактивное сопротивление, ƒ — частота сигнала в герцах (Гц), C — ёмкость конденсатора в фарадах (Ф). При частоте 120кГц сопротивление конденсатора будет составлять 13.26 Ом, а при частоте 60Гц уже 26.53 кОм (в 2000 раз больше!). Главным минусом этого метода является риск замыкания между обкладками конденсатора, что повышает многократно риск возгорания. Дополнительно стоит учитывать, что помехи от устройств работающих на разных фазах, будут также проходить через конденсатор.
Гораздо надежнее и эффективнее использовать специализированные межфазовые ретрансляторы, например, CAT6272, X10 XPCP, Leviton 6299, XTBR и XTB-IIR
РАСШИРЕННЫЙ ПРОТОКОЛ X10 (Extended Protocol X10)
В 1993 году