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(xiàn)途徑。本文介紹了建立在USB基礎之上的、創(chuàng)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(xié)議和Bluetooth無線通信協(xié)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(shù)，從而消除了對家電接口進行設置的繁瑣工作。根據(jù)經(jīng)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(tài)。此外，在家電網(wǎng)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(fā)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(yè)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(xiàn)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(huán)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(fā)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(xié)議非常智能，它能自動檢測并驅(qū)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(qū)動絕大部分家電。
由于USB能實現(xiàn)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(tǒng)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(chǎn)品測試方面，USB也非常有用。
USB的演化發(fā)展，使得家電的即插即用成為現(xiàn)實，而這促使了操作系統(tǒng)供應商對標準USB驅(qū)動程序提供支持。比如說，Microsoft在其Windows操作系統(tǒng)（OS）的各版本中，提供了USB驅(qū)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(qū)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(fā)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(shù)據(jù)率，用于記錄設施數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jiān)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(wǎng)類似。與以太網(wǎng)拓撲結構相比，USB有一些優(yōu)點，因為USB集線器能為連接在其上的設備供電，并在發(fā)生過流現(xiàn)象時關閉設備。USB集線器還能適當過濾主機和設備間的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)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(xié)議，能動態(tài)加載和卸載USB驅(qū)動程序。要加載USB驅(qū)動程序，必須有USB提供商標識符（VID）和產(chǎn)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(fā)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(shù)字，PID標識的是產(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸方式。例如，USB V2.0支持四種不同類型的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)下行傳輸，即數(shù)據(jù)從設備傳輸?shù)街鳈C，所以，A型連接器位于設備上。
B型USB連接器專用于數(shù)據(jù)上行傳輸，即數(shù)據(jù)從USB主機傳輸?shù)皆O備或從集線器傳輸?shù)皆O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(nèi)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(xiàn)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(fā)出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設備經(jīng)初始化進入高速模式，上拉電阻就被禁用。
USB數(shù)據(jù)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(tài)并給它分配設備驅(qū)動程序，實現(xiàn)這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據(jù)USB V2.0規(guī)范的定義，設備將經(jīng)歷以下設備狀態(tài)：
◆ 上電狀態(tài)（Powered）
◆ 缺省狀態(tài)（Default）
◆ 地址狀態(tài)（Address）
◆ 配置狀態(tài)（Configured）
另外還有兩個USB設備狀態(tài)，“連接狀態(tài)”（Attached）和“掛起狀態(tài)”（Suspended）枚舉過程的具體細節(jié)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(shù)據(jù)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(jīng)歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個狀態(tài)。
◆ 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(tài)。
◆ 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(fā)送Get_Port_Status（讀端口狀態(tài)）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(fā)送Set_Port_Feature（寫端口狀態(tài)）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(fā)送另一個Get_Port_Status請求，確定設備是否已經(jīng)從復位狀態(tài)退出。
◆ 設備此時處于缺省狀態(tài)，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(fā)送Get_Descriptor（讀設備描述符）報文，以便確定最大數(shù)據(jù)包大小。設備描述符的八個字節(jié)是bMaxPacketSize。
◆ 通過發(fā)送Set_Address（寫地址）請求，主機分配地址，設備此時處于地址狀態(tài)。
◆ 主機發(fā)送Get_Descriptor報文，以獲取更多的設備信息。主機通過發(fā)送描述符響應設備請求，隨后發(fā)送全部的次級描述符。
◆ 主機分配并加載設備驅(qū)動程序。
◆ 通過發(fā)送Set_Configuration（寫配置）請求，主機的設備驅(qū)動程序選擇一個有效配置，設備此時處于配置狀態(tài)
◆ 主機為復合設備接口分配驅(qū)動程序。
◆ 如果集線器檢測到有過流現(xiàn)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(tài)。
◆ 如果在3毫秒內(nèi)設備在總線上未見任何動作，則它將進入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)設備消耗的總線電能最少。
USB協(xié)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(shù)據(jù)階段和狀態(tài)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(shù)據(jù)被讀入PC，OUT表示數(shù)據(jù)由主機送出至設備，如圖6所示。
◆ 數(shù)據(jù)包（可選）。USB主機有兩個數(shù)據(jù)包——DATA0和DATA1。每一個包的容量為1024字節(jié)。
◆ 狀態(tài)包。在諸如應答（ACK）、否定應答（NACK）以及停止（Stall）等事務中，狀態(tài)包用來跟蹤USB狀態(tài)。
◆ 幀起始包（SOF）。每一毫秒，USB主機都將發(fā)送一幀SOF，每幀有11位數(shù)據(jù)。
基于USB的家電網(wǎng)絡
在基于USB的家電網(wǎng)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(nèi)部的情況，設置特定的觸發(fā)開關來檢測剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據(jù)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(diào)的運行。這樣，可以使不同的房間或“區(qū)域”保持不同的溫度，以便節(jié)能。此外，電風扇和空調(diào)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(tài)，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(xiàn)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(yōu)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(yè)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(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）對其有嚴格的傳送功率限制。UWB使用了極寬的頻段，同時發(fā)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(xié)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(shù)據(jù)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(chǎn)品將迅速發(fā)展。無線USB的標準化，將促進基于USB的家電自動化，實現(xiàn)高帶寬、低干擾的無線連接。