CN101009502A - 一种直流电力线载波通信方法、系统及应用该系统的灯串 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电力线载波通信方法、系统及应用该系统的灯串；直流电力线载波通信系统的发送端产生数据信号后经电源通断受控模块获得相应的载有数据信息的电压脉冲信号，以两芯的直流电力线为传输媒介将该电压脉冲信号传输到接收节点，接收节点对电压脉冲信号处理后获得其工作必须的供电电源以及对受控对象进行控制的数据信号；以直流电力线为传输媒介，而直流的特性决定了系统整体可靠的抗干扰性；直流电压幅值从1.8V到120V都适用的多范围性，利用通信协议协定的频率用传输数据来控制电源的通断，技术易于实现，实现载波的最小化模块占用尺寸小，安装和维护方便，大大降低了系统成本，可广泛应用于灯光、灯饰，家用电器，医疗器械等控制。

Description

一种直流电力线载波通信方法、系统及应用该系统的灯串

技术领域

本发明涉及一种通信方法、系统以及系统应用。尤其是一种电力线载波通信方法、系统及其系统应用。

背景技术

电力线载波通信技术及系统，它现在广泛应用于通信，电力等行业，这种技术是当今通信行业较为先进的技术，该技术及系统目前有两类应用：交流电力线载波通信技术和直流调制解调技术。

交流电力线载波通信技术及系统。此技术及系统实现方法是在交流电火线和中性线(零线)上进行，如在火线及中性线(零线)上进行屏移键控(FSK)，扩屏/码分多址(CDMA)，正交幅度调制(QAM)，相位调制解调等多种技术方案，这些技术都是把传输的数据以频率或电流变化的方式在接收端解析。交流电力线载波通信系统能达到大数据量的传输，是一种极为成熟的技术，主要面向网络通信为主的高速数据通信业务，如通过电力线进行住宅小区水，电，气表的远程抄读。但此类技术及系统应用的实现有如下缺陷：①电压幅值越高越容易实现，常用照明电压(220/110V)实现可靠性数据传输的难度大。②三相电力线间有很大信号损失(10dB-30dB)。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。所以一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。③不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同，耦合方式有线-地耦合和线-中线耦合。线-地耦合方式与线-中线耦合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地耦合方式不是所有地区电力系统都适用。④电力线存在本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100Hz或120Hz脉冲干扰，干扰时间约2ms，固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。⑤成本高昂，安装调试复杂，同时具有严格的安全防范要求。

直流调制解调技术及系统。直流调制解调技术的典型应用就是电话机原理，把传送的数据调制为脉冲电流，在接收端进行数据解调，保证应用的可靠性。但此类系统应用在消费类领域，或其它一些领域，成本，实现技术以及电路模块的最小化尺寸都成为其发展的瓶颈。

还有一种有线通信方式是专用信号线传输技术，其应用也十分广泛，如局域网络技术等。这种技术将电源线和信号线分开，能实现中高低速通信的要求，但比较而言，这种技术有如下缺陷：①一般采用多根数据线和电源线传输，使线路复杂；②在高速长距离的情况下对抗干扰要求较高；③特别是单线并行传输的条件下负载能力差，不能进行多负载长距离的传输。

发明内容

为避免现有技术及应用系统的缺陷，本发明提供了的是提供一种用于实现直流电力线载波通信方法的应用系统，设计简单可靠、成本低廉，可广泛应用于灯光、灯饰，家用电器，医疗器械等控制。

本发明的另外一个目是提供一种简易化的直流电力线载波通信方法，可以以直流电力线为传输媒介快速传输大量的数据，抗干扰性强。

本发明还有一个目的是提供一种带有中继装置的直流电力线载波通信系统，在通信距离长或供电功率不足的情况下，补充供电功率而加大传输距离。

本发明是这样来实现上述目的的：

一种直流电力线载波通信系统，其特征在于包括产生数据信号的发送端、根据输入数据信号控制电源通断而产生相应的载有数据信息的电压脉冲信号的电源通断受控模块、传输电压脉冲信号的两芯直流电力线和接收电压脉冲信号并解码控制受控对象的接收节点，发送端输出端与电源通断受控模块输入端连接，电源通断受控模块输出端与直流电力线连接，接收节点通过直流电力线组成一定的拓扑结构。

一种直流电力线载波通信方法，其特征在于直流电力线载波通信系统的发送端产生数据信号后经电源通断受控模块获得相应的载有数据信息的电压脉冲信号，以两芯的直流电力线为传输媒介将该电压脉冲信号传输到接收节点，接收节点对电压脉冲信号处理后获得其工作必须的供电电源以及对受控对象进行控制的数据信号。

一种带有中继装置的直流电力线载波通信系统，其特征在于包括产生数据信号的发送端、根据输入数据信号控制电源通断而产生相应的载有数据信息的电压脉冲信号的电源通断受控模块、传输电压脉冲信号的两芯直流电力线和接收电压脉冲信号并解码控制受控对象的接收节点，发送端输出端与电源通断受控模块输入端连接，电源通断受控模块输出端与直流电力线连接，接收节点通过直流电力线组成一定的拓扑结构；有中继装置连接于直流电力线之间，其包括电源通断受控模块，根据输入电压脉冲信号控制供电电源通断而产生能够驱动下一级直流电力线上接收节点工作的电压脉冲信号。

本发明的有益效果是：以直流电力线为传输媒介，而直流的特性决定了系统整体可靠的抗干扰性；在载波供电电源功率和电力线衰减特性内没有负载和传输距离的限制；直流电压幅值从1.8V到120V都适用的多范围性；利用通信协议协定的频率用传输数据来控制电源的通断，技术易于实现；实现载波的最小化模块占用尺寸小，安装和维护方便，大大降低了系统成本，可广泛应用于灯光、灯饰，家用电器，医疗器械等控制，另外当由于发送端供电功率不足或传输距离过长导致后端接收节点无法正常接收数据时，加入中继装置，补充供电功率延长输出距离实现通信；另外加入数据处理模块，可以对直流电力线上的干扰信号进行处理，减少了信号误码率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的直线型系统结构图；

图2是本发明的树型系统结构图；

图3是本发明的发送端原理框图；

图4是本发明的加入计算机通信模块的发送端原理框图

图5是本发明的电源通断受控模块原理框图；

图6是本发明的受控对象与可编程控制器共同供电的接收节点原理框图；

图7是本发明的受控对象独立供电的接收节点原理框图；

图8是本发明的实施例的协议结构图；

图9是本发明的实施例的系统结构图。

图10是带有中继装置的直流电力线载波系统结构图；

图11是本发明中继装置的实施例一结构图；

图12是本发明中继装置中的电源通断受控模块原理框图；

图13是本发明中继装置的实施例二的结构图。

图14是中继装置的冲放电模块结构图。

具体实施方式

一种直流电力线载波通信方法，直流电力线载波通信系统的发送端1产生数据信号后经电源通断受控模块2获得相应的载有数据信息的电压脉冲信号，以两芯的直流电力线3为传输媒介将该电压脉冲信号传输到接收节点4，接收节点4对电压脉冲信号处理后获得其工作必须的供电电源以及对受控对象5进行控制的数据信号。

根据上述直流电力线载波通信方法，设计了直流电力线载波通信系统，主要包括发送端1、电源通断受控模块2、两芯直流电力线3和接收节点4，其结构图如图1、图2所示。

下面详细描述系统各模块的组成及其功能：

1、发送端1的作用在于通过预设程序根据控制数据或命令编码产生相应的数据信号。参照图3，发送端1主要包括可编程控制器11，其输入端与数据输入设备12连接；可编程控制器11将数据编码后获得数据信号经输出端传输到电源通断受控模块2。可编程控制器11是一种广泛使用的器件，如ATMEL、PIC、EMC等通用单片机、PLD、CPLD器件、DSP器件、ARM级器件等等，可根据不同的编码需要在以上器件中进行选取。数据输入设备12可以为存储器13、通过通信接口模块14与可编程控制器11连接的计算机15等等。如果受控对象5需要完成的动作比较简单，比如灯串，只要完成颜色变换、明暗变化产生的显示图形变化等等，这样只要将预先设定数据存储于存储器中13，可编程控制器11与其连接，根据键盘输入命令读取数据后进行编码即可。当然如果受控对象5的动作比较复杂，或者需要实时控制变化的，可以加入通信接口模块14，如RS232接口模块、RS484接口模块等，直接与计算机连接15，数据通过计算机15通信接口模块14输入可编程控制器11中进行编码，参照图4。如果直流电源和可编程控制器11需求电压不匹配时，可编程控制器11的电源输入端还可以连接有电压转化模块16，如使用78系列的稳压集成电路等。

2、电源通断受控模块2。由于发送端1的可编程控制器11所输出的数据信号驱动能力小，无法实现多节点、较长距离的数据传输，需要加入电源通断受控模块2对数据的信号进行处理，获得一定幅值、功率较大的传输信号。其由级联的驱动电路21和开关电路22组成，驱动电路21输入端与发送端1输出端连接，开关电路22输出端与直流电力线3连接。所述的驱动电路21为三极管，开关电路22为场效应管。输入的数据信号经三极管放大后驱动场效应管根据数据信号的变化产生开关动作，控制直流电源通断，在其输出端形成一定幅值、功率较大的电压脉冲信号，该信号能够通过直流电力线3在较长距离上传输。根据传输电压幅值的需要，场效应管与相应的直流电源连接。

3、直流电力线3是传输媒介，只要使用普通的两芯直流电力线3即可，连接电源通断受控模块2以及接收节点4，传输电压脉冲信号。避免了电源线和信号线分开所造成的线路复杂、布线麻烦的问题，而且节约了制造成本。

4、接收节点4通过直流电力线3组成一定的拓扑结构，如图1的直线型，如图2的树型，又或者是两者的混合，其作用在于接收电压脉冲信号并解码控制受控对象5。包括可编程控制器41和充放电模块42，参照图6、图7。可编程控制器41是从电压脉冲信号中解码获得控制信号，对受控对象5进行控制。其数据输入端I/O口直接或间接与直流电力线3连接，输出端通过控制线与受控对象5连接。如果电压脉冲信号的幅值是在可编程控制器41的I/O口工作电压范围之内，则直流电力线3连接与I/O口可直接连接。否则，直流电力线3需要经过电压处理模块44处理后才能与I/O口连接。本发明的创新点在于电源和数据可通过直流电力线3一起传输，也就是编程控制器41和/或受控对象5的工作需要电源供电可以从直流电力线3中获得。但由于直流电力线3传输的信号是电压脉冲信号，因此需要对此信号进行处理后才能获得稳定的直流供电。充放电模块42就是将电压脉冲信号转换为平稳的直流电，其输入端与直流电力线3连接，其输出端与可编程控制器41的电源输入端连接。所述充放电模块42的主要元件为电容，由于可编程控制器41需要持续的供电，一旦停止将会造成系统的混乱，因此对电压脉冲信号和电容，有一定的要求，如电压脉冲信号的频率和电容的容量等，在系统设计过程中要考虑两者的配合，以满足可编程控制器41需要持续的供电的需求。在电容与直流电力线3之间一般还串联有单向开关，如二极管，防止电容充电后向直流电力线3放电，干扰直流电力线3的电压脉冲信号。如果可编程控制器41和/或受控对象5的工作电压与电压脉冲信号的幅值不匹配，则需要在充放电模块42与可编程控制器41和/或受控对象5的电源输入端之间加设电源转化模块43，该模块可以采用78系列的稳压集成电路组成。当然如果受控对象5的功率较大，可另外添加电源对其进行供电，参照图7。

上述直流电力线载波通信系统可应用于灯串控制上，发送端1输出端与电源通断受控模块2输入端连接，电源通断受控模块2输出端与直流电力线3连接，接收节点4通过直流电力线3组成一定的拓扑结构，与接收节点4控制信号输出端连接的控制对象5为灯串；发送端1产生控制灯串的数据信号，该信号经电源通断受控模块2获得相应的载有数据信息的电压脉冲信号，两芯的直流电力线3作为传输媒介将该电压脉冲信号传输到接收节点4，接收节点4对电压脉冲信号处理后获得其工作必须的供电电源以及数据信号，并通过该信号对灯串进行控制。下面以实施例详细说明上述灯串的工作过程。

参照图8和图9，发送端1的可编程控制器11采用型号为AT89C2051的单片机，采用RS232协议标准对数据进行编码，如图8。传输电压脉冲信号的电压幅值为5V。单片机的P1口和8位键盘连接作为数据输入设备12，受控对象5为7色LED灯串。键盘按键与7色LED动作对应如下：

键位序号	1	2	3	4
					显示颜色	红色	绿色	蓝色	红色+绿色
键位序号	5	6	7	8
					显示颜色	红色+蓝色	绿色+蓝色	白色	不显示

编码后的数据信号经电源通断受控模块2处理后获得幅值为5V、功率较大的电压脉冲信号，该电压脉冲信号通过两芯的直流电力线3传输。

接收节点4的可编程控制器41也采用型号为AT89C2051的单片机，按照RS232协议标准对电压脉冲信号进行解码。由于电压脉冲信号的幅值与LED灯串、单片机的供电电压以及I/O口的工作电压的相匹配，因此LED灯串和单片机的电源输入端只需并联电容再串联二极管后即可与直流电力线3相连，同时单片机的I/O口直接与电力线相连即可。单片机的控制输出端口与LED灯串控制端相连，控制其开关以及颜色的变化。

由于直流供电电源的输出功率总是有限度的，当后端接收节点4的总需求功率超过供电电源输出功率时，接收节点4就无法正常工作；另一种情况是，在系统中有可能各个接收节点4比较分散，要求传输的距离比较长，而直流电力线3上干扰情况复杂，造成后端接收节点4无法正常接收数据。因此本发明还针对上述一种直流电力线载波通信系统加设了中继装置6。参照图10和图11，一种带有中继装置的直流电力线载波通信系统，发送端1、电源通断受控模块2、两芯直流电力线3和接收节点4等与直流电力线载波通信系统相同，不同在于有中继装置6连接于直流电力线3之间，其包括电源通断受控模块61，根据输入电压脉冲信号控制供电电源通断而产生能够驱动下一级直流电力线3上接收节点4工作的电压脉冲信号。参照图12，电源通断受控模块61由级联驱动电路611和开关电路612组成，驱动电路611的输入端与上一级的直流电力线3连接，开关电路612的电源输入端与供电电源连接、输出端与下一级的直流电力线2连接。其中驱动电路611为三极管及其外部元件，开关电路612为场效应管及其外部元件。上一级的直流电力线3中传输的电压脉冲信号经过驱动电路611的三极管预放大后驱动开关电路612的场效应管，场效应管与供电电源连接，在场效应管的输出端相应的产生电压脉冲信号，由于该脉冲信号经过供电电源补充电能后驱动功率增大，可以对后端接收节点4正常供电以及数据传输。同时，供电电源可根据后端接收节点4的工作特性，对电压脉冲信号进行相应的调整，如电压脉冲信号的电压幅值。假如前端接收节点4的工作电压为5V，而后端接收节点4的工作电压可以为24V或任何电压值，只要调整供电电源的电压幅值即可。这样就能够满足不同接收节点4的需要，使直流电力线载波通信系统使用更加灵活。

理论上，如果直流电力线3不存在任何干扰的话，只要在传输线路上适当的添加电源通断受控模块61即可实现无限长距离的供电和数据传输。但是再实际应用中，难免存在干扰，特别长距离传输过程中就会导致电压脉冲信号产生误码，使受控对象5做出错误动作。参照图11和图13，为了解决这个问题，电源通断受控模块61的驱动电路611与上一级直流电力线3之间还连接有数据处理模块62，数据处理模块62将上一级直流电力线3的电压脉冲信号接收后进行校验分析，以去除由于干扰而产生的误码，再将处理后的数据送电源通断受控模块61处理，增大信号的驱动功率继续传输。数据处理模块62包括可编程控制器621，其数据输入端与上一级直流电力线3连接，输出端与驱动电路611输入端连接。可编程控制器621是一种广泛使用的器件，如ATMEL、PIC、EMC等通用单片机、PLD、CPLD器件、DSP器件、ARM级器件等等，可根据不同的编码需要在以上器件中进行选取。当加入数据处理模块62后，其中的可编程控制器621需要完成接收和发送数据的两个任务。如果只采用一片可编程控制器，由于一个可编程控制器只能处理单线程，也就是接收和发送不能同时进行，也就是造成中继装置6后端接收节点4的数据延迟，因此可编程控制器621与电源通断受控模块61之间还设置有与可编程控制器621级联的另一可编程控制器622。这样可编程控制器621的P1口连接可编程控制器622的P1口，可编程控制器621接收前端的电压脉冲信号，处理后通过P1口传送给可编程控制器622，可编程控制器622转化为通信协议格式传送出去控制电源通断受控模块61产生相应的电压脉冲信号，减少了信号处理的延时。

如果电压脉冲信号的幅值是在可编程控制器621的I/O口工作电压范围之内，则上一级直流电力线3与I/O口可直接连接。否则，直流电力线3需要经过电压处理模块623处理后才能与I/O口连接，电压处理模块的623的作用在于将电压幅值较高的电压脉冲信号转换为电压幅值合适的脉冲信号。同时由于可编程控制器621、622的功率较小，可直接由直流电力线3供电，但由于直流电力线3传输的信号是电压脉冲信号，因此需要对此信号进行处理后才能获得平稳的直流供电。充放电模块624就是将电压脉冲信号转换为平稳的直流电，其输入端与直流电力线3连接，其输出端与可编程控制器621、622的电源输入端连接。参照图13，所述充放电模块624的主要元件为电容C，根据需要选择电容量即可，在电容C与直流电力线3之间一般还串联有单向开关D，如二极管，防止电容C充电后向直流电力线3放电，干扰直流电力线3上的电压脉冲信号。如果可编程控制器621、622的工作电压与电压脉冲信号的幅值不匹配，则需要在充放电模块624与可编程控制器621、622的电源输入端之间加设电源转化模块625，该模块可以采用78系列的稳压集成电路组成。

本发明的方法和系统是以直流电力线3为传输媒介，而直流的特性决定了系统整体可靠的抗干扰性；在载波供电电源功率和电力线衰减特性内没有负载和传输距离的限制；直流电压幅值从1.8V到120V都适用的多范围性；利用通信协议协定的频率用传输数据来控制电源的通断，技术易于实现；实现载波的最小化模块占用尺寸小，安装和维护方便，大大降低了系统成本，可广泛应用于灯光、灯饰，家用电器，医疗器械等控制，另外当由于发送端1供电功率不足或传输距离过长导致后端接收节点4无法正常接收数据时，加入中继装置6，补充供电功率延长输出距离实现通信；另外中继装置6中加入数据处理模块62，可以对直流电力线上的干扰信号进行处理，减少了信号误码率。

Claims (11)

1.一种直流电力线载波通信系统，其特征在于包括产生数据信号的发送端(1)、根据输入数据信号控制电源通断而产生相应的载有数据信息的电压脉冲信号的电源通断受控模块(2)、传输电压脉冲信号的两芯直流电力线(3)和接收电压脉冲信号并解码控制受控对象(5)的接收节点(4)，发送端(1)输出端与电源通断受控模块(2)输入端连接，电源通断受控模块(2)输出端与直流电力线(3)连接，接收节点(4)通过直流电力线(3)组成一定的拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的一种直流电力线载波通信方法，其特征在于直流电力线载波通信系统的发送端(1)产生数据信号，该信号经电源通断受控模块(2)获得相应的载有数据信息的电压脉冲信号，两芯的直流电力线(3)作为传输媒介将该电压脉冲信号传输到接收节点(4)，接收节点(4)对电压脉冲信号处理后获得其工作必须的供电电源以及对受控对象(5)进行控制的数据信号。

3.根据权利要求1所述的一种直流电力线载波通信系统，其特征在于发送端(1)包括可编程控制器(11)，其输入端与数据输入设备(12)连接；可编程控制器(11)将数据编码后获得数据信号经输出端传输到电源通断受控模块(2)。

4.根据权利要求1所述的一种直流电力线载波通信系统，其特征在于电源通断受控模块(2)由级联的驱动电路(21)和开关电路(22)组成，驱动电路(21)输入端与发送端(1)输出端连接，开关电路(22)输出端与直流电力线(3)连接。

5.根据权利要求1所述的一种直流电力线载波通信系统，其特征在于接收节点(4)包括可编程控制器(41)和充放电模块(42)；可编程控制器(41)的数据输入端直接或间接与直流电力线(3)连接；充放电模块(42)输入端与直流电力线(3)连接，其输出端与可编程控制器(41)和/或受控对象(5)的电源输入端连接；可编程控制器(41)输出端通过控制线与受控对象(5)连接。

6.根据权利要求5所述的一种直流电力线载波通信系统，其特征在于充放电模块(42)输出端与可编程控制器(41)和/或受控对象(5)的电源输入端之间还连接有电源转化模块(43)。

7.根据权利要求5所述的一种直流电力线载波通信系统，其特征在于可编程控制器(41)的数据输入端通过电压处理模块(44)与直流电力线(3)连接。

8.一种带有中继装置的直流电力线载波通信系统，其特征在于包括产生数据信号的发送端(1)、根据输入数据信号控制电源通断而产生相应的载有数据信息的电压脉冲信号的电源通断受控模块(2)、传输电压脉冲信号的两芯直流电力线(3)和接收电压脉冲信号并解码控制受控对象(5)的接收节点(4)，发送端(1)输出端与电源通断受控模块(2)输入端连接，电源通断受控模块(2)输出端与直流电力线(3)连接，接收节点(4)通过直流电力线(3)组成一定的拓扑结构；有中继装置(6)连接于直流电力线(3)之间，其包括电源通断受控模块(61)，根据输入电压脉冲信号控制供电电源通断而产生能够驱动下一级直流电力线(3)上接收节点(4)工作的电压脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的一种带有中继装置的直流电力线载波通信系统，其特征在于电源通断受控模块(61)包括级联驱动电路(611)和开关电路(612)，驱动电路(611)的输入端与上一级的直流电力线(3)连接，开关电路(612)的电源输入端与供电电源连接、输出端与下一级的直流电力线(3)连接。

10.根据权利要求8所述的一种带有中继装置的直流电力线载波通信系统，其特征在于电源通断受控模块(61)的驱动电路(611)与上一级直流电力线(3)之间还连接有数据处理模块(62)，其数据输入端与上一级直流电力线(3)连接，输出端与驱动电路(611)输入端连接。

11.应用上述直流电力线载波通信系统的一种灯串，其特征在于发送端(1)输出端与电源通断受控模块(2)输入端连接，电源通断受控模块(2)输出端与直流电力线(3)连接，接收节点(4)通过直流电力线(3)组成一定的拓扑结构，与接收节点(4)控制信号输出端连接的控制对象(5)为LED；发送端(1)产生控制LED的数据信号，该信号经电源通断受控模块(2)获得相应的载有数据信息的电压脉冲信号，两芯的直流电力线(3)作为传输媒介将该电压脉冲信号传输到接收节点(4)，接收节点(4)对电压脉冲信号处理后获得其工作必须的供电电源以及数据信号，并通过该信号对LED进行控制。

Images