[ X ]

 

 

платформы нижнего уровня

Платформа UPB: общий обзор

 

1. Общие сведения

Основы платформы UPB (Universal PowerLine Bus) были заложены в середине 90-х годов, в период триумфа платформы X10, положившей начало технологиям Умного Дома. Отцом - создателем платформы является американский изобретатель Маршалл Лестер (Marshall E. Lester). Им преследовалась цель - разработать платформу, использующую в качестве среды стандартную силовую электропроводку, но лишенную главной «головной боли» X10 - нестабильности информационного обмена в условиях помех и наличия поглощения полезного сигнала сетевыми нагрузками (об этой проблематике X10 см. Платформа X10: борьба с помехами и ослаблением сигнала). Для этого был использован принципиально иной способ формирования сигнала и, соответственно, другой способ кодирования битов и формирования посылок (см. ниже п.2 Архитектура).

Для надежного обмена данными в UPB-сетях, как правило, не требуется ни фильтрация помех, ни усиление ослабленных линией и нагрузками сигналов. По данным специальных испытаний Alpha Test, проведенных в условиях реальных объектов в 2003 году, платформа UPB обеспечивает надежность доставки сообщений не менее 99,9 %, а также уверенную передачу сигнала по силовой сети на расстояние до 1 мили. Кроме того, по сравнению с X10 она имеет существенно более широкое адресное пространство и существенно более высокую скорость информационного обмена.

Генеральным разработчиком и производителем компонентов платформы является фирма PCS - Powerline Control Systems Inc. (www.pcslighting.com), основанная в 1995 году упомянутым выше изобретателем UPB. Первоначально фирма занималась разработкой и производством по лицензии устройств платформы X10, в частности, линейки Scene Master, ориентированной на системы освещения. Эта линейка отличалась рядом инновационных решений, направленных на повышение «интеллектуальности» систем, что обеспечило ей немалый успех на рынке (более 1000 инсталляций). Однако с выводом на рынок в начале 2000-х годов своей платформы UPB фирма прекратила производство устройств X10.

У фирмы PCS имеется обширная сеть дилеров, дистрибьютеров и реселлеров, а также несколько технологических партнеров, разрабатывающих и производящих по лицензии UPB - совместимые компоненты. На сегодняшний день платформа используется, в основном, в нише систем управления освещением и для других областей применения самой фирмой - разработчиком не позиционируется. Тем не менее, предлагаемые на рынке смарт-хауса UPB - совместимые устройства позволяют строить и другие системы.

компоненты платформы UPB

Рис.1 Компоненты платформы UPB

 

 

2. Архитектура

Вводные замечания

Базовые архитектурные принципы платформы UPB были сформулированы в патентах США US-6734784 и US-784790. Впоследствии ее разработчиками предпринимались попытки усовершенстовать отдельные технические решения, что нашло отражение в ряде патентов той же компании PCS. Следует также отметить, что в отличие от X10 платформа UPB имеет весьма детальную документированную спецификацию (см. UPB Technology Description), что облегчает изучение и анализ ее архитектуры.

Физический уровень

Особенностью технологии UPB, отличающей ее от других распространенных технологий передачи информации по силовым сетям переменного тока, является использование на физическом уровне не периодических высокочастотных сигналов, а одиночных импульсов, формируемых путем перезаряда подключаемого между фазой и нейтралью конденсатора. Данный принцип иллюстрируется схемой и диаграммой рис.2.

схема передатчика и вид сигнала платформы UPB

Рис.2 Схема передатчика и вид сигнала платформы UPB.

 

Схема UPB передатчика предельно проста. Она содержит накопительный конденсатор Cн, разряд которого формирует полезный сигнал, триак VD, подключающий конденсатор Cн к линии в момент, требуемый для формирования сигнала, и фильтр LфCф, служащий для фильтрации высокочастотных помех в соответствии с требованиями стандартов FCC (US Federal Communications Commission) по электромагнитной совместимости. Накопительный конденсатор Сн подключен к сети до тех пор, пока не закончится его перезаряд и ток через триак не спадет до нуля. Поэтому напряжение на кондесаторе перед разрядом в положительной полуволне равно положительному пиковому значению напряжению сети, а в отрицательной полуволне - отрицательному. Соответственно, информационный импульс в отрицательном полупериоде напряжения питающей сети имеет форму, инверсную по отношению к форме импульса в положительном полупериоде, что необходимо учитывать при построении приемника и схемы дешифрации сигналов.

 

Указанная инверсия сигналов положительного и отрицательного полупериодов создает определенные трудности при их приеме и дешифрации. По этой причине разработчиками платформы делались попытки усовершенствовать схему передатчика. В частности, в последующих патентах (US-7265654 и US-7688183) предусмотрено два идентичных передатчика, работающих в разных полупериодах, но оба заряжающих свои накопительные конденсаторы до максимального положительного напряжения сети. Такое решение позволяет добиться идентичности фазы импульсов в обоих полупериодах сетевого напряжения, что упрощает процедуру приема и дешифрации сигналов, но несколько удорожает устройства. В конечном итоге, если судить по диаграммам спецификации на UPB, некоторым имеющимся в Сети схемам и фотографиям внутреннего вида устройств, а также по факту переиздания первых двух патентов с объединением их в один документ US-RE41739, можно предположить, что упомянутые усовершенстования не нашли воплощения в серийных образцах UPB-устройств. В то же время в патенте US-8294556 для исключени неидентичности импульсов передача информации в положительных полупериодах вообще не осуществляется, при этом для заряда накопительного конденсатора в схему введен дополнительный диод, включенный параллельно триаку. Такое решение хотя и снижает пропускную способность канала, но повышает надежность его работы, вследствие чего нашло применение в модифицированном протоколе Industrial Powerline Communication - IPC, используемом в масштабных системах управления освещением с трехфазными сетями.

Временная диаграмма и кодирование сигнала

Для кодирования передаваемых данных используется позиционно-импульсная модуляция (Pulse Position Modulation - PPM), при которой значение передаваемых данных определяется положением импульса в заданной временнОй сетке. Для сигнала, формируемого принятым в UPB способом, такой вид модуляции является единственно реализуемым, т.к. заряд конденсатора до амплитудного значения напряжения сети возможен только один раз в полпериода.

Так же, как и в системах на платформе X10, в системах на платформе UPB передача информации осуществляется вблизи точки перехода фазного напряжения через нуль, поскольку в этой зоне уровень помех минимален. Первоначально обмен был предусмотрен по обе стороны от нуля, что нашло отражение в первом патенте. Однако уже во втором патенте, детализирующем принцип кодирования информации, осталось только одно окно обмена, предшествущее точке перехода фазного напряжения через нуль.

В соответствии с патентом US-6784790 обмен предусматривался в окне шириной 512 мкс, содержащем 16 фреймов (позиций) для позиционирования импульсов с интервалом 32 мкс, что теоретически позволяло передавать за один полупериод 4-х битное слово (см. рис.3).

временная диаграмма информационного обмена по протоколу UPB в соответствии с патентом US-784790

Рис.3 ВременнАя диаграмма информационного обмена по протоколу UPB в соответствии с патентом US-6784790

 

В окончательном штатном варианте, нашедшем отражение в последней официальной спецификации UPB, ширина окна увеличена до 800 мкс, а размер фреймов - до 160 мкс с одновременным уменьшением их количества до 4-х, при этом допустимая погрешность позиционирования составляет ± 40 мкс. Т.о, за один полупериод передается 4 бита (одно двухбитное слово) информации и на передачу одного байта требуется два полных периода. Можно предположить, что такое «отступление» было обусловлено проблемами реализации заявленной в патенте пропускной способности канала UPB, в т.ч., вероятно, и из-за описанной выше инверсии импульсов. Соответствующая диаграмма из спецификации 2007 года версии 1.4 приведена на рис.4.

временная диаграмма информационного обмена по протоколу UPB в соответствии со спецификацией версии 1.4

Рис.4 ВременнАя диаграмма информационного обмена по протоколу UPB в соответствии со спецификацией версии 1.4.

 

Примечание 1. В патентах и в спецификации все временные параметры указаны для силовой сети североамериканского стандарта, т.е. для напряжения с частотой 60 гц.

Примечание 2. На диаграмме рис. 4 длительность 4-х фреймов меньше длительности окна передачи на величину длительности одного фрейма. Причина такого расхождения в спецификации не поясняется. Однако можно предположить, что величина окна 800 мкс указана с учетом охвата позиций фреймов как положительного, так и отрицательного полупериодов, т.е. с учетом их сдвига из-за упомянутой выше зеркальной симметрии импульсов.

Примечание 3. Величина задержки окна передачи Tframe относительно точки нуля в спецификации не регламентирована. Также не регламентирована амлитуда импульсов, которая, по данным измерений, может доходить до 40 В.

Примечание 4. Данная диаграмма не распространяется на модификацию UPB-протокола повышенной надежности - Industrial Powerline Communication Protocol (см. ниже).

Формат сообщений

Основной коммуникационной единицей UPB является пакет, представляющий собой последовательность байтов. В свою очередь байты представляют собой объединение в единое слово двоичных значений 4-х последовательных импульсов. Формат UPB пакета приведен на рис. 5.

формат коммуникационного UPB пакета

Рис.5 Формат коммуникационного UPB пакета.

 

Коммуникационный пакет начинается с преамбулы (preamble) - байта с номером позиции 0, включающего последовательность импульсов в позициях 2-1-1-2 и служащего для маркировки начала пакета, а также для синхронизации и настройки чувствительности приемника. Тип полупериода сетевого напряжения (положительный или отрицательный), с которого стартует передача пакета, в спецификации не оговаривается. Не оговаривается и необходимость наличия и размер пауз между пакетами.

За преамбулой следует заголовок, состоящий из 5-ти байтов, содержащий следующую информацию:

  • байты 1,2 - управляющее слово - Control Word (CTL), содержащее необходимые для обмена инструкции и служебные данные;
  • байт 3 - адрес сети UPB - Network ID (NID);
  • байт 4 - адрес назначения (приемника) пакета - Destination ID (DID);
  • байт 5 - адрес источника (передатчика) пакета - Source ID (SID).

За заголовком следует информационная часть пакета, т.е. собственно сообщение - UPB Message (MSC), которое может содержать до 18 байтов. Оно не является обязательным и в некоторых видах пакетов может остутствовать. Пакет завершает байт контрольной суммы, за которым следует фрейм, зарезервированный для бита подтверждения приема пакета. Последний может быть передан приемником в случае наличия соответствующего указания в управляющем слове принятого пакета.

Архитектура устройств.

Каждое устройство должно иметь в своем составе банк минимум из 64-х восьмибитных энергонезависимых регистров для хранения служебной и конфигурационной информации, доступной как по чтению в стандартном режиме информационного обмена, так и по записи по паролю в режиме конфигурирования (сетапа). Блок информации, располагаемый в первых 64-х регистрах данного банка, именуется UPB-идентификатором (UPBID) и должен содержать следующие данные:

  • сетевой адрес Network ID (NID);
  • адрес устройства - Unit ID (UID);
  • сетевой пароль - Network Password (NWP);
  • индивидуальные опции - UPB Option (UPBOP);
  • версия протокола - UPB Version (UPBVER);
  • идентификатор производителя - Manufacture ID (MID);
  • идентификатор изделия - Product ID (PID);
  • версия ПО - Firmware Version (FWVER)
  • серийный номер - Serial Number (SERNUM);
  • имя сети - Network Name (NNAME);
  • имя комнаты - Room Name (RNAME)
  • имя устройства - Device Name (DNAME).

Описание формата управляющего слова, формата сообщения, системы команд, процедур информационного обмена, UPB-идентификатора и процедур конфигурирования устройств см. в описании протокола.

Модифицированный протокол IPC

Для дополнительного повышения надежности информационного обмена, что особенно необходимо в больших протяженных сетях с большим количеством взаимодействующих устройств и с высоким уровнем помех, в т.ч. в трехфазных промышленных сетях, был разработан модифицированный UPB-протокол - Industrial Powerline Communication Protocol. Его главным отличием от базового является использование для обмена только отрицательного полупериода питающего напряжения. Кроме того, было сокращено число фреймов для передачи импульсов и изменен формат коммуникационных пакетов. Подробно данный протокол и архитектура сетей на его основе будут рассмотрены отдельно.

 

3. Элементная база и схемотехника

Основой для схемотехнической реализации UPB устройств является функциональная схема, описанная в базовых патентах (см. рис. 6).

функциональная схема устройства платформы UPB

Рис.6. Функциональная схема устройства платформы UPB.

 

В отличие от платформы X10, для которой была разработана серия специализированных микросхем (см. тут), в схемотехнике устройств платформы UPB ее разработчиками с самого начала было предусмотрено использование программируемого микроконтроллера PIC фирмы Microchip, и никакие специализированные микросхемы или другие компоненты не разрабатывались. С микроконтроллером (60) взаимодействуют:

  • передатчик 46, схема и функционирование которого были рассмотрены выше;
  • приемная цепь 62, представляющая собой трехзвенный полосовой LC-фильтр, выход которого соединен со входом входящего в состав микроконтроллера компаратора 86, формирующего из принятого импульса логический позиционный сигнал;
  • детектор 92 перехода фазного напряжения через нуль;
  • энергонезависимое ЗУ 96;
  • выходные драйверы 102 внешних нагрузок;
  • источник питания 94;
  • органы управления 98 и элементы индикации 100.

В отличие от X10, в Сети почти отстутствуют материалы, касающиеся схемотехнической реализации устройств UPB. Одна из немногих найденых схем устройства неизвестного типа и производителя, взятая за основу для разработки модуля категории DIY (Do It Yiourself - сделай сам, см. Cloning the UPB home automation system) приведена на рис. 7.

принципиальная схема устройства платформы UPB

Рис.7. Принципиальная схема устройства платформы UPB

 

4. Компоненты и производители

Номенклатура компонентов платформы UPB включает, в основном, те же устройства, что и X10 или любая другая платформа. Ведущими производителями UPB-устройств являются:

 

Powerline Control Systems, Inc. (www.pcslighting.com) - сама фирма-разработчик платформы. В программе поставок компании три линейки продуктов, в т.ч.:

PulseWorx - основная линейка устройств, использующая базовый протокол UPB и ориентированная на развитые системы управления домашним освещением. Номенклатуру и параметры устройств см. на странице PulseWorx Products.

Для конфигурирования линейка PulseWorx снабжена программным пакетом UPStart для ОС Windows, а для доступа к системе со смартфонов на платформах iOS и Android имеются приложения eKeyPad и eKeyPad Pro. Доступ к сети UPB с ПК осуществляется через модули PIM, подключаемые по интерфейсам RS-232, Ethernet или USB, а доступ со смартфонов - через модуль PGW (PulseWorx Gateway), подключаемый к WiFi роутеру по сети Ethernet.

линейка UPB PulseWorx

Рис.8. Линейка PulseWorx

 

GreenWorx - линейка устройств с модифицированным протоколом Industrial Powerline Communication, который упоминался выше, предназначенная для высоконадежных систем управления освещением крупных нежилых объектов (предприятий, учреждений, торговых и развлекательных центров, офисов и пр.), имеющих трехфазные системы электропитания. Номенклатуру и параметры устройств см. на странице GreenWorx Products. Эта линейка будет рассмотрена более подробно при описании протокола IPC в отдельной главе.

SimpleWorx - линейка устройств, также использующая модифицированный протокол Industrial Powerline Communication, предназначенная для систем управления домашним освещением с ограниченными функциями типа включить - выключить, без центрального управления и удаленного доступа, снабженная функциями простого автоматизированного конфигурирования. Номенклатуру и параметры устройств см. на странице SimpleWorx Products;

 

Simply Automated Inc. (www.simply-automated.com) - американская компания, имеющая статус технологического партнера фирмы - разработчика UPB, разрабатывающая и производящая UPB-совместимые устройства по лицензии. В программе поставок Simply Automated следующие линейки:

PC-Configured Lighting Control - базовая линейка устройств управления освещением, конфигурируемых с ПК с помощью упомянутого выше ПО UPStart фирмы PCS. Номенклатура устройств приведена на странице Home Automation Lighting Control PC-Configured Products. Данная линейка, являясь близким аналогом линейки PulseWorx, дополнительно содержит некоторые специализированные устройства, в частности, модули управления вентиляторами.

Anywhere Virtual Lighting Control - линейка устройств, позволяющая создавать простые системы управления светом с элементарными функциями (включить - выключить) без программирования. Номенклатура и параметры устройств линейки см. на страницах Anywhere 3-Way Switch Kit и Anywhere Virtual Scheduler-Timer.

Simply Automated Pre-Configured Lighting Control - линейка устройств для управления освещением, программируемых без компьютера с помощью технологии SimplySmart. Номенклатуру и параметры устройств линейки см. на страницах SimplySmart Lighting Control Series, SimplySmart Landscape-Outdoor Lighting Control Series и SimplySmart Security Panel Series.

Пример использование линейки SimplySmart Landscape-Outdoor Lighting Control

Рис.9. Пример использование линейки SimplySmart Landscape-Outdoor Lighting Control
(инсталляция фирмы Reynolds Lighting)

 

Web Mountain Technologies (www.webmtn.com) - американская компания, также имеющая статус технологического партнера фирмы PCS. В настоящее время сайт webmtn.com недоступен и судьба компании неизвестна. Продукция фирмы по-прежнему находится в номенклатуре поставок ведущих дистрибьютеров устройств смарт-хауса.

 

PowerLine Lighting Control Pty Ltd (powerlinecontrol.com) - австралийская компания, еще один технологический партнер фирмы PCS. Продукция этой фирмы выпускается в рамках только одной линейки «Smart Digital Lighting Control Systems». Ее отличительной особенностью является адаптация платформы UPB к сети 240 В 50 Гц. а также охват широкого класса современных осветительных приборов.

 

Надо также отметить, что многие контроллеры верхнего уровня ведущих разработчиков смарт-хауса поддерживают протокол UPB.

 

5. Программное обеспечение

Программный арсенал платформы UPB не очень богат, что, очевидно, объясняется ее преимущественной ориентацией на системы управления освещением и достаточностью в силу этого эргономики интерфейсов самих устройств. Выше уже упоминалось ПО UPStart, используемое для конфигурирования компонентов сети UPB. Кроме него для линейки PulseWorx самим разработчиком больше никаких собственных программных продуктов не предусмотрено (линейка SimpleWorx вообще не расчитана на работу с ПО, а ПО для линейки GreenWorx с модифицированным протоколом IPC мы рассмотрим отдельно при описании протокола). Зато имеются продукты сторонних разработчиков. В частности, в программу поставок фирмы PCS входят адаптированные к платформе UPB универсальные приложения для мобильных платформ iOS и Android - eKeypad и eKeypad Pro фирмы eKeypad Mobile Solutions.

интерфейс приложений для мобильных устройств eKeypad

Рис.10. Интерфейс приложений для мобильных устройств eKeypad

 

6. Правовая защита

Как уже упоминалось выше, базовые технические решения платформы UPB защищены блоком патентов, в который на текущий момент входит 6 документов. Все патенты имеют дату приоритета не ранее 2000 года, поэтому срок их действия истекает не ранее 2020 года. Поскольку все эти патенты являются патентами США, их действие распространяется только на территорию США, что позволяет тиражировать платформу в других странах без каких-либо ограничений.

 

7. Проблематика

По состоянию на момент публикации данного обзора сведений, указывающих на наличие каких-либо проблем, связанных с эксплуатацией систем на платформе UPB, нет. Фирма PCS продолжает развивать платформу и ее сайт постоянно обновляется.

 

8. Краткое резюме

Платформа UPB, разработанная в конце девяностых годов и вышедшая на рынок в начале двухтысячных, успешно применяется в системах Умного Дома, преимущественно, в системах управления освещением. Принципиальным отличием ее от других платформ категории PLC (Power Line Communication - коммуникации по силовым сетям) является использование для передачи информации мощных одиночных импульсов, формируемых разрярядом подключенного к линии конденсатора, в сочетании с позиционно-импульсной модуляцией. Такое решение при простоте реализации обеспечивает высокую надежность доставки сообщений в условиях помех и большой протяженности линий. Тем не менее, несмотря на эти очевидные достоинства, платформа не нашла столь широкого применения, как, уступающая ей по параметрам платформа X10. Это, предположительно, может быть обусловлено маркетинговой политикой разработчика, имеющего свой устойчивый рынок сбыта и оберегающего свою технологическую нишу.

С учетом простоты реализации на дешевой элементной базе широкого применения и отсутствия правовой защиты за пределами США платформа может быть рекомендована для повторения как в промышленном масштабе, так и в категории «сделай сам». Однако при этом следует обратить внимание на вопрос минимизации уровня излучаемых радиопомех, в т.ч. в части соответствия требованиям электромагнитной совместимости по действующим стандартам.

 

Другие статьи проекта «Умный Дом в разрезе», имеющие отношение к теме «платформа UPB»:

# платформа UPB: описание протокола
# платформа UPB: протокол IPC и линейка GreenWorx

 

* * *

 

 

поделиться ссылкой

 

Перепечатка без согласования с автором запрещена.
При цитировании обязательно указание автора, названия и активной ссылки на данную страницу
или ссылки на титульную страницу проекта.

 

наверх

 

 

Платформа UPB: общий обзор.

Опубликовано 01.10.15. Последнее изменение - нет.

© Janto 2015