近年来，通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)的运用为家电主动化引入了一种更为简略的完结途径。本文介绍了树立在USB根底之上的、立异的家电主动化运用，并以依据USB的照明操控为例，解说了依据USB的家电主动化的根底知识。终究，本文比较了USB和其他用于家电主动化的干流无线技能(如ZigBee通讯协议和Bluetooth无线通讯协议等)的异同。
即插即用(Plug-n-play) 的简略操作便是当家电刺进PC上的USB端口，就会与PC沟通USB家电参数，然后消除了对家电接口进行设置的繁琐作业。依据经由USB端口传送至PC的家电描述符，主动把家电装备为“安排妥当”状况。此外，在家电网络上增加或删去新家电，只需将它们简略地插拔即可。
跟着功用丰厚的新式半导体器材的高速开展，一起其价格也随之到达顾客可以接受的水平，咱们正在见证一场家电行业中的主动化风暴。在这些技能进步中就包括了PC上USB的演化。现在，咱们的日常日子中方方面面都会用到PC机。咱们与周围环境的互动，很大程度上是经过PC机进行操控的。
此外，从PC的视点看，USB使外围设备初始化方面发生了巨大的改变，不再需求用户与PC机进行交互或重视PC机。USB协议十分智能，它能主动检测并驱动多达127个衔接在其总线上的设备。可以预见，USB将可以终究操控和驱动绝大部分家电。
由于USB能完结家电主动化，它关于终究用户是有用的，包括USB主动洗衣机、烘干机、咖啡机、安保体系以及家电操控台，如图1所示。不只如此，关于家电制造商而言，在新产品测验方面，USB也十分有用。
USB的演化开展，使得家电的即插即用成为实际，而这促进了操作体系供货商对规范USB驱动程序供给支撑。比如说，Microsoft在其Windows操作体系(OS)的各版别中，供给了USB驱动程序支撑，支撑比如人机接口设备(Human Interface Device，HID)、通讯设备类(CommunicaTIon Device Class，CDC)和大容量存储设备(Mass Storage Device，MSD)驱动程序。
USB的另一项重要用处与预付费设备有关。比如说，主动洗衣店可以向客户发行洗衣卡，洗衣卡可以经过USB端口进行读取，然后经过USB总线对洗衣机进行操控。USB总线供给了足够的数据率，用于记载设备数据和记载家电用电量明细。关于具有USB总线的家电而言，这类大容量存储USB特别适用于数据记载与操控。
USB还可以用在家电的安全运用上。例如，爸爸妈妈可以经过USB端口对家电确认和解锁，避免孩子自己敞开某些家电。这样能让人定心许多，在没有监护人的状况下，孩子无法去操作有潜在风险的家电。
USB总线架构
USB是每条总线支撑一个主机的一种主机操控架构。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法衔接到主机上。多个集线器可以以菊花链方法衔接起来，支撑多达127个不同设备，每个菊花链段长度不能超越五英尺。
这种菊花链式衔接，形成了称为层式星状(TIered Star)的拓扑结构,它与10-Base T以太网相似。与以太网拓扑结构比较，USB有一些长处，由于USB集线器能为衔接在其上的设备供电，并在发生过流现象时封闭设备。USB集线器还能恰当过滤主机和设备间的数据，完结低速(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供给商标识符(VID)和产品标识符(PID)。
VID用来辨认USB总线的制造商。一般，VID由名为“通用串行总线开发者论坛”(USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org)安排分配，申请者需求付出注册VID费用。与VID相似，PID是一个16位数字，PID标识的是产品，设备制造商供给PID号。不同于VID，关于PID来说，USB-IF对其没有任何管理上的约束。
USB的另一个重要特性是它支撑不同类型的数据传输方法。例如，USB V2.0支撑四种不同类型的数据传输：
◆ 操控传输方法。操控传输在设备刺进时对其进行装备，并能用于其他的设备特定用处，比如对设备上的其他通道进行操控等。
◆ 批量传输方法。在数据的发生和运用量相对较大时选用批量传输方法。
◆ 中止传输方法。中止传输用于及时且牢靠的数据传送。例如，具有人类可感知反响或反应呼应特征的字符或坐标等。
◆ 同步传输方法。同步传输方法在预先约好的传输延迟时刻占用预订的USB带宽，同步传输也称为“流实时传输”。
A型USB衔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型衔接器坐落设备上。
B型USB衔接器专用于数据上行传输，即数据从USB主机传输到设备或从集线器传输到设备，B型衔接器坐落主机和集线器上，如图2所示。有时为了使占用空间更小，可以运用微型USB衔接器。
USB设备经过拉高D+或D-端线电平来指示其速度，最高为3.3伏。全速设备在D+端接一个上拉电阻标明它是全速设备，如图3所示。
假如没有上拉电阻，USB就假定总线上没有衔接任何东西。有些设备中，上拉电阻是内置的，能经过固件敞开和封闭。另一些设备则需求外部上拉电阻。在这种状况下，经过固件进行速度操控会受到约束，而且要求别的对外部中继服务进行完结与编码。
低速设备在D-端衔接上拉电阻，标明其为低速设备，如图4所示。最开端，高速设备被当作全速设备进行衔接(D+→1.5k至3.3V)。初始衔接之后，设备在复位时将宣布高速的啁啾声，然后与主机树立高速衔接。一旦设备经初始化进入高速形式，上拉电阻就被禁用。
USB数据流形式
在设备可以与运用进行通讯前，USB主机需求了解设备状况并给它分配设备驱动程序，完结这一初始信息沟通的进程就叫作枚举。在枚举进程中，依据USB V2.0规范的界说，设备将阅历以下设备状况：
◆ 上电状况(Powered)
◆ 缺省状况(Default)
◆ 地址状况(Address)
◆ 装备状况(Configured)
别的还有两个USB设备状况，“衔接状况”(Attached)和“挂起状况”(Suspended)。枚举进程的详细细节超出了本文的规模;不过，在设备装备中运用的指令与结构是相关的。描述符是让USB主机能获取设备信息的数据结构。在枚举进程中，主机恳求描述符，从最上层设备描述符开端，一直到最低层端点描述符，次序如图5所示。
枚举进程
下面概述一下USB设备的枚举进程所包括的进程，并解说设备在枚举进程怎么阅历从上电到缺省、地址以及装备这几个状况。
◆ 用户将一个USB设备刺进USB端口，主机为端口供电，设备此刻处于上电状况。
◆ 主机检测设备。
◆ 集线器运用中止通道将事情报告给主机。
◆ 主机发送Get_Port_Status(读端口状况)恳求，以获取更多的设备信息。
◆ 集线器检测设备是低速运转仍是高速运转，并将此信息送给主机，这是对Get_Port_Status恳求的呼应。
◆ 主机发送Set_Port_Feature(写端口状况)恳求给集线器，要求它复位端口。
◆ 集线器对设备复位。
◆ 主机运用Chirp K信号来了解全速设备是否支撑高速运转。
◆ 主机发送另一个Get_Port_Status恳求，确认设备是否现已从复位状况退出。
◆ 设备此刻处于缺省状况，且已预备好在零端点经过缺省通道呼应主机操控传输。缺省地址为00h，设备能从总线获取高达100mA的电流。
◆ 主机发送Get_Descriptor(读设备描述符)报文，以便确认最大数据包巨细。设备描述符的八个字节是bMaxPacketSize。
◆ 经过发送Set_Address(写地址)恳求，主机分配地址，设备此刻处于地址状况。
◆ 主机发送Get_Descriptor报文，以获取更多的设备信息。主机经过发送描述符呼应设备恳求，随后发送悉数的次级描述符。
◆ 主机分配并加载设备驱动程序。
◆ 经过发送Set_ConfiguraTIon(写装备)恳求，主机的设备驱动程序挑选一个有用装备，设备此刻处于装备状况。
◆ 主机为复合设备接口分配驱动程序。
◆ 假如集线器检测到有过流现象，或许主机要求集线器封闭电源，则USB总线堵截设备供电电源。在这种状况下，设备与主机无法通讯，但设备处于衔接状况。
◆ 假如在3毫秒内设备在总线上未见任何动作，则它将进入挂起状况，在挂起状况设备耗费的总线电能最少。
USB协议层
操控传输使主机和设备之间可以沟通设备装备信息和其他操控信息。操控传输在低速和全速传输运转时占用10%的带宽，在高速运转时占用20%的带宽。操控传输由设置阶段、可选的数据阶段和状况阶段组成，下面详细描述每个阶段的包。
◆ 符号包。USB中一切业务都是由主机(PC)来完结的。IN表明数据被读入PC，OUT表明数据由主机送出至设备，如图6所示。
◆ 数据包(可选)。USB主机有两个数据包——DATA0和DATA1。每一个包的容量为1024字节。
◆ 状况包。在比如应对(ACK)、否定应对(NACK)以及中止(Stall)等业务中，状况包用来盯梢USB状况。
◆ 帧开始包(SOF)。每一毫秒，USB主机都将发送一帧SOF，每帧有11位数据。
依据USB的家电网络
在依据USB的家电网络中，可以以菊花链式衔接6个USB集线器，为多达127台家电设备供给接口。一切的集线器能安放在一个集线盒中，集线盒则经过操控电缆衔接到设备上。这也可以由带USB端口、运转Windows OS的单板机进行操控，终究将为家中每个房间装备一个家电操控台。
经过USB主动化，您在与朋友谈天的一起，可以经过PC操控洗衣机的运转时刻、衣服类型、清洗剂类型以及水温等。您也可以为每项使命增加音频特征，这样当每项使命完结时，您可以在某个特定的当地(卧室、客厅、游泳池或厨房等)收到音频提示。此外，烘干机可以经过USB主动接纳指令，从洗衣机处装入衣服，设置烘干时刻，然后主动计时烘干，在每项使命成功完结后均有音频提示。
经过USB主动化，您可以在办公桌上操控咖啡机，不只仅是煮咖啡，还能检测咖啡壶中还剩多少咖啡，USB主动化乃至可以使您能煮出契合自己口味的咖啡。USB还可以使您看到冰箱内部的状况，设置特定的触发开关来检测剩下的牛奶、饮料、奶酪以及蔬菜量。依据这些信息，当您计划去商场时，可以从PC中快速汇总食物收购清单。照明主动化是居家的根本需求。经过USB主动化，可以检查全屋的照明状况，并经过PC对其进行操控。
USB与温度传感器合作运用，可以主动操控房子某处电风扇和空调的运转。这样，可以使不同的房间或“区域”坚持不同的温度，以便节能。此外，电风扇和空调可以主动地分管制冷负荷。而在家庭安保方面，运用USB主动化，可以经过PC操控门锁、检查门锁状况，在卧室就可以封闭或翻开房门。
此外，USB主动可视门铃能用于避免入侵者进入房子。USB主动化也使您能经过PC翻开和封闭窗户及窗布。家电USB主动化的潜力是无量的，选用现代技能，USB主动化便是把家电或设备与PC上USB端口衔接，如图7所示。
超宽带USB的长处
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)USB也称为“无线USB”，它是一种短距离无线通讯的引荐规范，有望在不久的将来替代蓝牙技能。蓝牙是现在短距离无线衔接的行业规范，但由于蓝牙与Wi-Fi(802.11g规范)运用相同的频段，因而或许存在搅扰问题。
别的，UWB运用3.1～10.6GHz的频段，它的每个无线电信道均超越500MHz，美国联邦通讯委员会(Federal CommunicaTIons Commission，FCC)对其有严厉的传送功率约束。UWB运用了极宽的频段，一起发射功率较小，以便窄带设备可以检测到信号，因而，UWB能与其他的无线通讯协议(如Wi-Fi)共存。
本文评论了依据USB的家电主动化，文中说明晰来自Microchip的8位PIC单片机不只能用于沟通家电的操控，也完全可以用于处理数据记载、用于需求相似音频视流那样的实时运用。依据USB的家电主动化具有无限的空间，估计选用USB操控的家电产品将迅速开展。无线USB的规范化，将促进依据USB的家电主动化，完结高带宽、低搅扰的无线衔接。
