CN101958654B - 交流电网通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流电网通信系统，包括连接到交流输入电源的调制开关，AC/DC转换模块和信号识别模块；所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换，其中所述调制开关包括MCU模块，用于产生精确的控制信号以控制所述调制开关在开启状态和调制状态间切换；所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流电并将所述接收到的交流电转换成整流信号；所述信号识别模块，用于接收所述整流信号，并基于设定的通信协议将所述整流信号转换成用于调制开关和各个电器间通信的通信信号。实施本发明的交流电网通信系统，通过改进调制开关和定义通信协议，在不改变原有电网线路的前提下实现了多节点控制。

Description

交流电网通信系统

技术领域

本发明涉及通信系统，更具体地说，涉及一种交流电网通信系统。

背景技术

在传统的交流电网络中，火线和地线只能为用电器提供能量，而无法向用电器传递信号。必要的控制输入都位于用电器自身并且都是低电压下的直流输入信号，如图1所示。由于各个电器的直流地线各不相同，因此无法用一条公共的信号线去控制各个电器。而在某些应用场所，电器位于人手难以触及的位置，将每个电器的直流控制线都连接到同一控制开关上无疑会带来施工上的困难和成本的增加。

为了解决该问题，名为“交流系统中的直流控制装置”的发明专利申请CN 200910108431.9提出了一种包括调制开关、AC/DC转换模块和开关探测模块的直流控制装置，通过开关探测模块接收所述调制开关的调制状态和所述AC/DC模块输出的直流电，并基于所述调制状态和直流电输出直流控制信号，使得用户可以在现有的交流系统中的电源开关侧有效地控制直流信号。

然而，采用这样一种直流控制装置后，虽然解决了交流火线上的信号传输实现了单节点控制，但是其无法对多个节点上的电器进行控制。

因此，需要一种交流电网通信系统，可以对多个节点上的电器进行控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术无法对多个节点上的电器进行控制的缺陷，提供一种可以对多个节点上的电器进行控制的交流电网通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种交流电网通信系统，包括：

连接到交流输入电源的调制开关，设置在接入到所述交流电网的各个电器侧的AC/DC转换模块和信号识别模块；

所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换，其中所述调制开关包括MCU模块，用于产生精确的控制信号以控制所述调制开关在开启状态和调制状态间切换；

所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流电并将所述接收到的交流电转换成整流信号；

所述信号识别模块，用于接收所述整流信号，并基于设定的通信协议将所述整流信号转换成用于调制开关和各个电器间通信的通信信号。

在本发明所述的交流电网通信系统中，所述调制开关包括串联的电源开关和状态切换开关，

其中所述状态切换开关包括动触头、闭合触点调制触点和二极管，其中所述二极管的一端连接到调制触点、另一端连接到闭合触点，

所述MCU模块精确控制所述动触头连接到调制触点时产生调制状态的调制切换时间。

在本发明所述的交流电网通信系统中，所述AC/DC转换模块包括整流全桥，直流输出二极管和直流输出电容、调制状态输出二极管、调制状态输出电容和第一电阻；

其中所述整流全桥的第一输入端经所述调制开关连接到交流电源，第二输入端连接到交流地，所述整流全桥的第一输出端连接到直流输出二极管的阳极和所述调制状态输出二极管的阳极，所述直流输出二极管的阴极连接到直流输出电容的正极，所述直流输出电容的负极连接到所述整流全桥的第二输出端和所述调制状态输出电容的负极，所述调制状态输出二极管的阴极连接到调制状态输出电容的阳极，所述第一电阻连接到所述调制状态输出电容的两端。

在本发明所述的交流电网通信系统中，所述AC/DC转换模块进一步包括变压器，其中所述变压器原边的一端经所述调制开关连接到交流电源，所述变压器的原边的另一端连接到交流地，所述整流全桥的第一和第二输入端连接到变压器的副边的两端。

在本发明所述的交流电网通信系统中，当MCU控制所述调制开关切换到调制状态并持续第一时间时，所述AC/DC转换模块产生第一整流信号，所述信号识别模块将所述第一整流信号转换成第一脉冲通信信号；

当MCU控制所述调制开关切换到调制状态并持续第二时间时，所述AC/DC转换模块产生第二整流信号，所述信号识别模块将所述第二整流信号转换成第二脉冲通信信号；

当MCU控制所述调制开关切换到调制状态并持续第三时间时，所述AC/DC转换模块产生第三整流信号，所述信号识别模块将所述第三整流信号转换成第三脉冲通信信号；

当MCU控制所述调制开关切换到调制状态并持续第四时间时，所述AC/DC转换模块产生第四整流信号，所述信号识别模块将所述第四整流信号转换成第四脉冲通信信号。

在本发明所述的交流电网通信系统中，在所述两个连续脉冲通信信号之间，所述MCU需要控制所述调制开关切换到开启状态并持续至少第一设定时间。

在本发明所述的交流电网通信系统中，所述第一-第四时间各不相同，且所述第一脉冲通信信号是起始信号，所述第二脉冲通信信号是逻辑1、所述第三脉冲通信信号是逻辑0，所述第四脉通信冲信号是结束信号。

在本发明所述的交流电网通信系统中，所述通信信号包括起始信号、结束信号和由所述逻辑1和逻辑0构成供电器执行的操作指令。

在本发明所述的交流电网通信系统中，所述操作指令包括器件地址、操作码和操作数。

在本发明所述的交流电网通信系统中，进一步包括设置在电器侧的信息反馈模块，用于判定和反馈电器的通信状态，其中所述电器的通信状态包括空闲状态、接收状态和执行状态。

实施本发明的交流电网通信系统，具有以下有益效果：

在交流系统中的直流控制装置技术的基础上，通过改进调制开关，定义了一种交流电网通信协议，在不改变原有电网线路的前提下实现了多节点控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的交流电网系统的结构示意图；

图2是根据本发明的交流电网通信系统的逻辑框图；

图3是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第一实施例的结构示意图；

图4是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第二实施例的结构示意图；

图4A是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第三实施例的结构示意图。

图5是根据本发明的两线交流电网通信系统的结构示意图；

图6是根据本发明的三线交流电网通信系统的结构示意图；

图7是根据本发明的包括单个电器的交流电网通信系统的第一实施例的电路原理图；

图8是根据本发明的包括单个电器的交流电网通信系统的第二实施例的电路原理图；

图9是图7示出的实施例的整流信号和通信信号的波形图；

图10是根据本发明的交流电网通信系统的通信时隙图；

图11是根据本发明的交流电网通信系统的操作指令示意图；

图12是根据本发明的交流电网通信系统的信息反馈模块的示意图。

具体实施方式

图2是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第一实施例的结构示意图。如图2所示，本发明的交流电网通信系统包括连接到交流输入电源的调制开关和接入到所述交流电网中的多个电器1-N。其中，所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换。在本实施例中，其中所述调制开关包括MCU模块，用于产生精确的控制信号以控制所述调制开关在开启状态和调制状态间切换。在各个电器1-N侧，均设有AC/DC转换模块、信号识别模块和从所述信号识别模块接收通信信号的控制系统。所述AC/DC转换模块用于在所述调制开关的控制下接收交流电并将所述接收到的交流电转换成整流信号。所述信号识别模块用于接收所述整流信号，并基于设定的通信协议将所述整流信号转换成用于调制开关和各个电器间通信的通信信号。所述控制系统从所述信号识别模块接收通信信号，并根据所述通信信号进行相应的操作，此外，所述控制系统还可由所述AC/DC转换模块供电。由图2可知，通过使用具有MCU调制开关，可以在不改变原有电网线路的前提下实现了多节点控制。

图3是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第一实施例的结构示意图。如图3所示，本发明的调制开关可包括串联的电源开关和状态切换开关。其中所述状态切换开关包括动触头3、闭合触点1、调制触点2和二极管，其中所述二极管的阳极连接到调制触点2、阴极连接到闭合触点1。MCU模块精确控制所述动触头3连接到调制触点2时产生调制状态的调制切换时间。

在该实施例中，所述电源开关断开时，整个调制开关断开。当所述电源开关闭合，且调制开关的动触头3连接到调制触点2时，可产生调制状态。

在本发明的又一实施例中，所述二极管的阴极连接到所述调制触点2、阳极连接到闭合触点1。

图4是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第二实施例的结构示意图。如图4所示，本发明的调制开关可包括动触头1、闭合触点2、调制触点3以及断开触点4。当调制开关的动触头1连接到调制触点3时，可产生调制状态。MCU模块精确控制所述动触头1连接到调制触点3时产生调制状态的调制切换时间。

图4A是根据本发明的交流电网通信系统的调制开关的第三实施例的结构示意图。如图4所示，本发明的调制开关可包括串联的电源开关和状态切换开关。其中所述状态切换开关包括受MCU模块控制的动触头1、触点2和二极管，其中所述二极管与所述状态切换开关并联，当所述动触头1接触触点2时，不经过二极管导通，不进行调制。当所述动触头1不接触触点2，即所述状态切换开关断开时，产生调制状态。

交流电网通信系统有两线和三线的形式，如图5和图6所示。两者的关键技术都使采用MCU控制的调制开关取代普通的电源开关，并为每个电器分配器件地址，以实现多点通信。电网上的电器通过如图1所示的AC/DC转换模块和信号识别模块对火线上的整流状态进行检测，从而获取所需的通信信号。

图7以单个电器为例说明本发明的交流电网通信系统。在该实施例中，所述AC/DC转换模块包括整流全桥BR1，直流输出二极管D1和直流输出电容C1、调制状态输出二极管D2、调制状态输出电容C2和第一电阻R。所述整流全桥BR1的第一输入端经调制开关连接到交流电源，第二输入端连接到交流地。所述整流全桥BR1的第一输出端连接到直流输出二极管D1的阳极和所述调制状态输出二极管D2的阳极，所述直流输出二极管D1的阴极连接到直流输出电容C1的正极，所述直流输出电容C1的负极连接到所述整流全桥BR1的第二输出端和所述调制状态输出电容C2的负极，所述调制状态输出二极管D2的阴极连接到调制状态输出电容C1的阳极，所述第一电阻R连接到所述调制状态输出电容C2的两端。

在该实施例中，直流输出电容C1提供直流输出电压，取值10uF。调制状态输出电容C2及电阻R用于全波信号检测，取值1pF和10M。当调制开关处于直接导通状态时，AC-DC转换是进行全波整流。信号识别模块接收所述全波整流信号，无通信信号输出(“0”电平)。当调制开关处于调制状态时，AC-DC转换进行的是半波整流，信号识别模块接收所述半波整流信号，输出的通信信号将是一串连续的脉冲，如图9所示。由于采用了MCU模块控制的调制开关，因而可以获得比较精确的调制切换时间。信号识别模块通过检测半波调制时间，识别所接收的通信信号。

要实现电网上的数据通信首先必须定义通信时隙，即逻辑“0”和逻辑“1”。此外，为了明确通信的起始时刻和结束时刻，还须定义复位信号(起始信号)“START”，和结束信号“END”。图10给出了一种时隙定义的方式。MCU模块控制的调制开关切换到2通路(半波整流)0.16秒后返回1通路(全波整流)，信号识别模块通过AC-DC转换模块产生如图10所示的0.16秒的连续脉冲信号。这个0.16秒的连续脉冲将被识别为“START”信号，标志通信的开始。同理，0.1秒的半波时间将被识别为逻辑“1”，0.06秒的半波时间将被识别为逻辑“0”，0.04秒的半波时间将被识别为通信结束信号“END”。两个连续的信号之间的空闲时间(全波时间)不能小于0.04秒。

本领域技术人员知悉，虽然此处示出了一个优选时隙定义的实施例。但是本发明并不受到此处具体时间长度的限制。比如，“START”信号可以是0.2秒的连续脉冲，也可以是0.3秒的连续脉冲、或者是0.4秒的连续脉冲。逻辑“1”可以是0.5秒的连续脉冲、1.1秒的连续脉冲或者1.6秒的连续脉冲。“END”信号和逻辑“0”也可以是其他任意数值。本领域技术人员可以根据需要，将所述“START”信号、“END”信号、逻辑“1”、逻辑“0”以及空闲时间设定为任意值。

以上实现了使电器从电网上接收逻辑“0”和逻辑“1”的技术，再进一步就是用这两个基本的逻辑“0”和逻辑“1”构成指令来传输更加复杂的信息。图11中定义了一种指令的形式，包括电器的器件地址(编号)，操作码(要执行的操作)，操作数。器件地址的位数可根据实际需要而定。指令由“START”信号开始，由“END”信号结束，“START”信号用于标志指令的起始，并且可以中断当前的通信重新开始指令传输。器件地址用于选择要操作的目标电器。操作码和操作数用于指定要对电器进行何种操作，例如设定照明灯的亮度，设定风扇的转速等。图11所示为一种指令格式及其对应的比特流示例。

图8示出了本发明的交流电网通信系统的另一实施例。其操作原理和结构与图7基本类似，而区别在于，图8中示出的实施例进一步包括用于隔离的变压器T。其中所述变压器T原边的一端经所述调制开关连接到交流电源，所述变压器的原边的另一端连接到交流地，所述整流全桥BR1的第一和第二输入端连接到变压器T的副边的两端。

除图8示出的实施例以外，发明专利申请CN 200910108431.9中公开的其他AC/DC模块都可以用于实现本发明。本领域技术人员根据本发明的教导能够将这些AC/DC模块用于实现本发明。

由于交流电网特性的限制，只能实现从调制开关到电器的单向通信，而无法实现从电器到调制开关的通信。为此，可以在电器端增加信息反馈模块，进而采用声音或光等方式反馈人可以接收的信号。如图12所示为一种采用LED灯的反馈方式。电器的通信状态可分为“空闲状态”，“接收状态”，“执行状态”3个状态，可以用“灯灭”，“闪烁”，“常亮”3种方式显示。在本发明的其他实施例中，还可以采用显示模块来显示“空闲状态”，“接收状态”，“执行状态”。在本发明的另一实施例中，可以采用讯响器来表示。譬如，讯响器发出“滴”的响声表示“接收状态”，发出“嘟”的响声表示执行状态”，而不发出响声表示“空闲状态”。本领域技术人员还可根据需要，采用其他的方式来表示不同的运行状态。

在本发明的另一实施例中，除了显示通信状态外，各个电器还可包括存储模块，用来根据指令存储、更新数据。

实施本发明，可以在交流系统中的直流控制装置技术的基础上，通过改进调制开关，定义了一种交流电网通信协议，在不改变原有电网线路的前提下实现了多节点控制。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (9)

1.一种交流电网通信系统，其特征在于，包括：

连接到交流输入电源的调制开关，设置在接入到所述交流电网的各个电器侧的AC/DC转换模块和信号识别模块；

所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换，其中所述调制开关包括MCU模块，用于产生精确的控制信号以控制所述调制开关在开启状态和调制状态间切换并控制所述调制状态的调制切换时间；

所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流电并将所述接收到的交流电转换成整流信号；

所述信号识别模块，用于接收所述整流信号，并基于设定的通信协议将所述整流信号转换成用于调制开关和各个电器间通信的通信信号；其中：

当所述MCU模块控制所述调制开关切换到调制状态并持续第一时间时，所述AC/DC转换模块产生第一整流信号，所述信号识别模块将所述第一整流信号转换成第一脉冲通信信号；

当所述MCU模块控制所述调制开关切换到调制状态并持续第二时间时，所述AC/DC转换模块产生第二整流信号，所述信号识别模块将所述第二整流信号转换成第二脉冲通信信号；

当所述MCU模块控制所述调制开关切换到调制状态并持续第三时间时，所述AC/DC转换模块产生第三整流信号，所述信号识别模块将所述第三整流信号转换成第三脉冲通信信号；

当所述MCU模块控制所述调制开关切换到调制状态并持续第四时间时，所述AC/DC转换模块产生第四整流信号，所述信号识别模块将所述第四整流信号转换成第四脉冲通信信号。

2.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述调制开关包括串联的电源开关和状态切换开关，

其中所述状态切换开关包括动触头、闭合触点、调制触点和二极管，其中所述二极管的一端连接到调制触点、另一端连接到闭合触点，

所述MCU模块精确控制所述动触头连接到调制触点时产生所述调制状态的所述调制切换时间。

3.根据权利要求2所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述AC/DC转换模块包括整流全桥，直流输出二极管和直流输出电容、调制状态输出二极管、调制状态输出电容和第一电阻；

其中所述整流全桥的第一输入端经所述调制开关连接到所述交流输入电源，第二输入端连接到交流地，所述整流全桥的第一输出端连接到直流输出二极管的阳极和所述调制状态输出二极管的阳极，所述直流输出二极管的阴极连接到直流输出电容的正极，所述直流输出电容的负极连接到所述整流全桥的第二输出端和所述调制状态输出电容的负极，所述调制状态输出二极管的阴极连接到调制状态输出电容的正极，所述第一电阻连接到所述调制状态输出电容的正负极。

4.根据权利要求3所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述AC/DC转换模块进一步包括变压器，其中所述变压器原边的一端经所述调制开关连接到所述交流输入电源，所述变压器的原边的另一端连接到交流地，所述整流全桥的第一和第二输入端连接到变压器的副边的两端。

5.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，在所述两个连续脉冲通信信号之间，所述MCU模块需要控制所述调制开关切换到开启状态并持续至少第一设定时间。

6.根据权利要求5所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述第一-第四时间各不相同，且所述第一脉冲通信信号是起始信号，所述第二脉冲通信信号是逻辑1、所述第三脉冲通信信号是逻辑0，所述第四脉通信冲信号是结束信号。

7.根据权利要求6所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述通信信号包括起始信号、结束信号和由所述逻辑1和逻辑0构成供电器执行的操作指令。

8.根据权利要求7所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述操作指令包括器件地址、操作码和操作数。

9.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，进一步包括设置在电器侧的信息反馈模块，用于判定和反馈电器的通信状态，其中所述电器的通信状态包括空闲状态、接收状态和执行状态。

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