近年來，通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)的使用為家電自動化引入了一種更為簡單的實現途徑。本文介紹了建立在USB基礎之上的、創新的家電自動化應用，并以基于USB的照明控制為例，講解了基于USB的家電自動化的基礎知識。最后，本文比較了USB和其他用于家電自動化的主流無線技術(如ZigBee通信協議和Bluetooth無線通信協議等)的異同。

　　即插即用(Plug-n-play) 的簡單操作就是當家電插入PC上的USB端口，就會與PC交換USB家電參數，從而消除了對家電接口進行設置的繁瑣工作。根據經由USB端口傳送至PC的家電描述符，自動把家電配置為“就緒”狀態。此外，在家電網絡上添加或刪除新家電，只要將它們簡單地插拔即可。

　　隨著功能豐富的新型半導體器件的高速發展，同時其價格也隨之達到消費者可以承受的水平，我們正在見證一場家電行業中的自動化風暴。在這些技術進步中就包括了PC上USB的演化。現在，我們的日常生活中方方面面都會用到PC機。我們與周圍環境的互動，很大程度上是通過PC機進行控制的。

　　此外，從PC的角度看，USB使外圍設備初始化方面發生了巨大的變化，不再需要用戶與PC機進行交互或關注PC機。USB協議非常智能，它能自動檢測并驅動多達127個連接在其總線上的設備。可以預見，USB將能夠最終控制和驅動絕大部分家電。

　　由于USB能實現家電自動化，它對于最終用戶是有用的，包括USB自動洗衣機、烘干機、咖啡機、安保系統以及家電控制臺，如圖1所示。不僅如此，對于家電制造商而言，在新產品測試方面，USB也非常有用。

　　USB的演化發展，使得家電的即插即用成為現實，而這促使了操作系統供應商對標準USB驅動程序提供支持。比如說，Microsoft在其Windows操作系統(OS)的各版本中，提供了USB驅動程序支持，支持諸如人機接口設備(Human Interface Device，HID)、通信設備類(Communication Device Class，CDC)和大容量存儲設備(Mass Storage Device，MSD)驅動程序。

　　USB的另一項重要用途與預付費設施有關。比如說，自動洗衣店可以向客戶發行洗衣卡，洗衣卡可以通過USB端口進行讀取，從而通過USB總線對洗衣機進行控制。USB總線提供了充足的數據率，用于記錄設施數據和記錄家電用電量明細。對于具有USB總線的家電而言，這類大容量存儲USB特別適用于數據記錄與控制。

　　USB還可以用在家電的安全使用上。例如，父母能夠通過USB端口對家電鎖定和解鎖，防止孩子自己開啟某些家電。這樣能讓人放心許多，在沒有監護人的情況下，孩子無法去操作有潛在危險的家電。

　　USB總線架構

　　USB是每條總線支持一個主機的一種主機控制架構。大部分的PC上都有多個USB主機。設備能用集線器以菊花鏈方式連接到主機上。多個集線器能夠以菊花鏈方式連接起來，支持多達127個不同設備，每個菊花鏈段長度不能超過五英尺。

　　這種菊花鏈式連接，形成了稱為層式星狀(Tiered Star)的拓撲結構,它與10-Base T以太網類似。與以太網拓撲結構相比，USB有一些優點，因為USB集線器能為連接在其上的設備供電，并在發生過流現象時關閉設備。USB集線器還能適當過濾主機和設備間的數據，實現低速(LS)、全速(FS)和高速(HS)設備的無縫集成。

　　USB是即插即用型協議，能動態加載和卸載USB驅動程序。要加載USB驅動程序，必須有USB提供商標識符(VID)和產品標識符(PID)。

　　VID用來識別USB總線的制造商。通常，VID由名為“通用串行總線開發者論壇”(USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org)組織分配，申請者需要支付注冊VID費用。與VID類似，PID是一個16位數字，PID標識的是產品，設備制造商提供PID號。不同于VID，對于PID來說，USB-IF對其沒有任何管理上的限制。

　　USB的另一個重要特性是它支持不同類型的數據傳輸方式。例如，USB V2.0支持四種不同類型的數據傳輸：

　　◆ 控制傳輸方式。控制傳輸在設備插入時對其進行配置，并能用于其他的設備特定用途，諸如對設備上的其他通道進行控制等。

　　◆ 批量傳輸方式。在數據的產生和使用量相對較大時采用批量傳輸方式。

　　◆ 中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時且可靠的數據傳送。例如，具有人類可感知反應或反饋響應特征的字符或坐標等。

　　◆ 同步傳輸方式。同步傳輸方式在預先約定的傳輸延遲時間占用預定的USB帶寬，同步傳輸也稱為“流實時傳輸”。

　　A型USB連接器專用于數據下行傳輸，即數據從設備傳輸到主機，所以，A型連接器位于設備上。

　　B型USB連接器專用于數據上行傳輸，即數據從USB主機傳輸到設備或從集線器傳輸到設備，B型連接器位于主機和集線器上，如圖2所示。有時為了使占用空間更小，可以使用微型USB連接器。

　　USB設備通過拉高D+或D-端線電平來指示其速度，最高為3.3伏。全速設備在D+端接一個上拉電阻表明它是全速設備，如圖3所示。

　　如果沒有上拉電阻，USB就假定總線上沒有連接任何東西。有些設備中，上拉電阻是內置的，能通過固件開啟和關閉。另一些設備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過固件進行速度控制會受到限制，并且要求另外對外部中繼服務進行實現與編碼。

　　低速設備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設備，如圖4所示。最開始，高速設備被當作全速設備進行連接(D+→1.5k至3.3V)。初始連接之后，設備在復位時將發出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設備經初始化進入高速模式，上拉電阻就被禁用。

　　USB數據流模式

　　在設備可以與應用進行通信前，USB主機需要了解設備狀態并給它分配設備驅動程序，實現這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據USB V2.0規范的定義，設備將經歷以下設備狀態：

　　◆ 上電狀態(Powered)

　　◆ 缺省狀態(Default)

　　◆ 地址狀態(Address)

　　◆ 配置狀態(Configured)

　　另外還有兩個USB設備狀態，“連接狀態”(Attached)和“掛起狀態”(Suspended)。枚舉過程的具體細節超出了本文的范圍;不過，在設備配置中使用的命令與結構是相關的。描述符是讓USB主機能獲取設備信息的數據結構。在枚舉過程中，主機請求描述符，從最上層設備描述符開始，一直到最低層端點描述符，順序如圖5所示。

　　枚舉過程

　　下面概述一下USB設備的枚舉過程所包含的步驟，并講解設備在枚舉過程如何經歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個狀態。

　　◆ 用戶將一個USB設備插入USB端口，主機為端口供電，設備此時處于上電狀態。

　　◆ 主機檢測設備。

　　◆ 集線器使用中斷通道將事件報告給主機。

　　◆ 主機發送Get_Port_Status(讀端口狀態)請求，以獲取更多的設備信息。

　　◆ 集線器檢測設備是低速運行還是高速運行，并將此信息送給主機，這是對Get_Port_Status請求的響應。

　　◆ 主機發送Set_Port_Feature(寫端口狀態)請求給集線器，要求它復位端口。

　　◆ 集線器對設備復位。

　　◆ 主機使用Chirp K信號來了解全速設備是否支持高速運行。

　　◆ 主機發送另一個Get_Port_Status請求，確定設備是否已經從復位狀態退出。

　　◆ 設備此時處于缺省狀態，且已準備好在零端點通過缺省通道響應主機控制傳輸。缺省地址為00h，設備能從總線獲取高達100mA的電流。

　　◆ 主機發送Get_Descriptor(讀設備描述符)報文，以便確定最大數據包大小。設備描述符的八個字節是bMaxPacketSize。

　　◆ 通過發送Set_Address(寫地址)請求，主機分配地址，設備此時處于地址狀態。

　　◆ 主機發送Get_Descriptor報文，以獲取更多的設備信息。主機通過發送描述符響應設備請求，隨后發送全部的次級描述符。

　　◆ 主機分配并加載設備驅動程序。

　　◆ 通過發送Set_Configuration(寫配置)請求，主機的設備驅動程序選擇一個有效配置，設備此時處于配置狀態。

　　◆ 主機為復合設備接口分配驅動程序。

　　◆ 如果集線器檢測到有過流現象，或者主機要求集線器關閉電源，則USB總線切斷設備供電電源。在這種情況下，設備與主機無法通信，但設備處于連接狀態。

　　◆ 如果在3毫秒內設備在總線上未見任何動作，則它將進入掛起狀態，在掛起狀態設備消耗的總線電能最少。

　　USB協議層

　　控制傳輸使主機和設備之間可以交換設備配置信息和其他控制信息。控制傳輸在低速和全速傳輸運行時占用10%的帶寬，在高速運行時占用20%的帶寬。控制傳輸由設置階段、可選的數據階段和狀態階段組成，下面詳細描述每個階段的包。

　　◆ 標記包。USB中所有事務都是由主機(PC)來完成的。IN表示數據被讀入PC，OUT表示數據由主機送出至設備，如圖6所示。

　　◆ 數據包(可選)。USB主機有兩個數據包——DATA0和DATA1。每一個包的容量為1024字節。

　　◆ 狀態包。在諸如應答(ACK)、否定應答(NACK)以及停止(Stall)等事務中，狀態包用來跟蹤USB狀態。

　　◆ 幀起始包(SOF)。每一毫秒，USB主機都將發送一幀SOF，每幀有11位數據。

　　基于USB的家電網絡

　　在基于USB的家電網絡中，可以以菊花鏈式連接6個USB集線器，為多達127臺家電設備提供接口。所有的集線器能安放在一個集線盒中，集線盒則通過控制電纜連接到設備上。這也可以由帶USB端口、運行Windows OS的單板機進行控制，最終將為家中每個房間配備一個家電控制臺。

　　通過USB自動化，您在與朋友聊天的同時，可以通過PC控制洗衣機的運行時間、衣服類型、清洗劑類型以及水溫等。您也可以為每項任務添加音頻特征，這樣當每項任務完成時，您可以在某個特定的地方(臥室、客廳、游泳池或廚房等)收到音頻提示。此外，烘干機可以通過USB自動接收指令，從洗衣機處裝入衣服，設置烘干時間，然后自動計時烘干，在每項任務成功完成后均有音頻提示。

　　通過USB自動化，您可以在辦公桌上控制咖啡機，不僅僅是煮咖啡，還能檢測咖啡壺中還剩多少咖啡，USB自動化甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。USB還可以使您看到冰箱內部的情況，設置特定的觸發開關來檢測剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據這些信息，當您計劃去商場時，可以從PC中快速匯總食品采購清單。照明自動化是居家的基本需求。通過USB自動化，能夠檢查全屋的照明情況，并通過PC對其進行控制。

　　USB與溫度傳感器配合使用，能夠自動控制房屋某處電風扇和空調的運行。這樣，可以使不同的房間或“區域”保持不同的溫度，以便節能。此外，電風扇和空調可以自動地分擔制冷負荷。而在家庭安保方面，使用USB自動化，可以通過PC控制門鎖、查看門鎖狀態，在臥室就可以關閉或打開房門。

　　此外，USB自動可視門鈴能用于防止入侵者進入房屋。USB自動化也使您能通過PC打開和關閉窗戶及窗簾。家電USB自動化的潛力是無窮的，采用現代技術，USB自動化就是把家電或設備與PC上USB端口連接，如圖7所示。

　　超寬帶USB的優點

　　超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)USB也稱為“無線USB”，它是一種短距離無線通信的推薦標準，有望在不久的將來取代藍牙技術。藍牙是目前短距離無線連接的行業標準，但由于藍牙與Wi-Fi(802.11g標準)使用相同的頻段，因此可能存在干擾問題。

　　另外，UWB使用3.1～10.6GHz的頻段，它的每個無線電信道均超過500MHz，美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)對其有嚴格的傳送功率限制。UWB使用了極寬的頻段，同時發射功率較小，以便窄帶設備能夠檢測到信號，因此，UWB能與其他的無線通信協議(如Wi-Fi)共存。

　　本文討論了基于USB的家電自動化，文中說明了來自Microchip的8位PIC單片機不僅能用于交流家電的控制，也完全可以用于解決數據記錄、用于需要類似音頻視流那樣的實時應用。基于USB的家電自動化具有無限的空間，預計采用USB控制的家電產品將迅速發展。無線USB的標準化，將促進基于USB的家電自動化，實現高帶寬、低干擾的無線連接。