基于USB的家电自动化设计

近年来，通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）的使用为家电自动化引入了一种更为简单的实现途径。本文介绍了建立在USB基础之上的、创新的家电自动化应用，并以基于USB的照明控制为例，讲解了基于USB的家电自动化的基础知识。最后，本文比较了USB和其他用于家电自动化的主流无线技术（如ZigBee通信协议和Bluetooth无线通信协议等）的异同。

　即插即用（Plug-n-play） 的简单操作就是当家电插入PC上的USB端口，就会与PC交换USB家电参数，从而消除了对家电接口进行设置的繁琐工作。根据经由USB端口传送至PC的家电描述符，自动把家电配置为“就绪”状态。此外，在家电网络上添加或删除新家电，只要将它们简单地插拔即可。

　　随着功能丰富的新型半导体器件的高速发展，同时其价格也随之达到消费者可以承受的水平，我们正在见证一场家电行业中的自动化风暴。在这些技术进步中就包括了PC上USB的演化。现在，我们的日常生活中方方面面都会用到PC机。我们与周围环境的互动，很大程度上是通过PC机进行控制的。

　　此外，从PC的角度看，USB使外围设备初始化方面发生了巨大的变化，不再需要用户与PC机进行交互或关注PC机。USB协议非常智能，它能自动检测并驱动多达127个连接在其总线上的设备。可以预见，USB将能够最终控制和驱动绝大部分家电。

　　由于USB能实现家电自动化，它对于最终用户是有用的，包括USB自动洗衣机、烘干机、咖啡机、安保系统以及家电控制台，如图1所示。不仅如此，对于家电制造商而言，在新产品测试方面，USB也非常有用。

　　USB的演化发展，使得家电的即插即用成为现实，而这促使了操作系统供应商对标准USB驱动程序提供支持。比如说，Microsoft在其Windows操作系统（OS）的各版本中，提供了USB驱动程序支持，支持诸如人机接口设备（Human Interface Device，HID）、通信设备类（Communication Device Class，CDC）和大容量存储设备（Mass Storage Device，MSD）驱动程序。

　　USB的另一项重要用途与预付费设施有关。比如说，自动洗衣店可以向客户发行洗衣卡，洗衣卡可以通过USB端口进行读取，从而通过USB总线对洗衣机进行控制。USB总线提供了充足的数据率，用于记录设施数据和记录家电用电量明细。对于具有USB总线的家电而言，这类大容量存储USB特别适用于数据记录与控制。

　　USB还可以用在家电的安全使用上。例如，父母能够通过USB端口对家电锁定和解锁，防止孩子自己开启某些家电。这样能让人放心许多，在没有监护人的情况下，孩子无法去操作有潜在危险的家电。

USB总线架构

　　USB是每条总线支持一个主机的一种主机控制架构。大部分的PC上都有多个USB主机。设备能用集线器以菊花链方式连接到主机上。多个集线器能够以菊花链方式连接起来，支持多达127个不同设备，每个菊花链段长度不能超过五英尺。

　　这种菊花链式连接，形成了称为层式星状（Tiered Star）的拓扑结构,它与10-Base T以太网类似。与以太网拓扑结构相比，USB有一些优点，因为USB集线器能为连接在其上的设备供电，并在发生过流现象时关闭设备。USB集线器还能适当过滤主机和设备间的数据，实现低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）设备的无缝集成。

　　USB是即插即用型协议，能动态加载和卸载USB驱动程序。要加载USB驱动程序，必须有USB提供商标识符（VID）和产品标识符（PID）。

　　VID用来识别USB总线的制造商。通常，VID由名为“通用串行总线开发者论坛”（USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org）组织分配，申请者需要支付注册VID费用。与VID类似，PID是一个16位数字，PID标识的是产品，设备制造商提供PID号。不同于VID，对于PID来说，USB-IF对其没有任何管理上的限制。

　　USB的另一个重要特性是它支持不同类型的数据传输方式。例如，USB V2.0支持四种不同类型的数据传输：
◆ 控制传输方式。控制传输在设备插入时对其进行配置，并能用于其他的设备特定用途，诸如对设备上的其他通道进行控制等。
◆ 批量传输方式。在数据的产生和使用量相对较大时采用批量传输方式。
◆ 中断传输方式。中断传输用于及时且可靠的数据传送。例如，具有人类可感知反应或反馈响应特征的字符或坐标等。
◆ 同步传输方式。同步传输方式在预先约定的传输延迟时间占用预定的USB带宽，同步传输也称为“流实时传输”。

　　A型USB连接器专用于数据下行传输，即数据从设备传输到主机，所以，A型连接器位于设备上。