CN102025285B

CN102025285B - 交流电网通信控制系统

Info

Publication number: CN102025285B
Application number: CN 200910190194
Authority: CN
Inventors: 邓锦辉; 马浩瑞; 刘桂云
Original assignee: Fremont Micro Devices Shenzhen Ltd
Current assignee: Huimang Microelectronics Shenzhen Co ltd
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: CN102025285A

Abstract

本发明涉及一种交流电网通信控制系统，包括连接到交流输入电源的调制开关，设置在电器侧的AC/DC转换模块、信号检测模块和信号解调模块。调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换。调制开关包括用于产生精确的控制信号以控制调制开关在开启状态和调制状态间切换的MCU模块。AC/DC转换模块，用于在调制开关的控制下接收交流电并将接收到的交流电转换成整流信号；信号检测模块，用于接收并基于整流信号生成检测信号；信号解调模块，用于接收并解调检测信号以生成用于调制开关和电器间通信的通信信号。实施本发明，可利用交流电网中电力线自有的50Hz或60Hz正弦波来达到传输数据，并且信号调制解调方法简单、成本较低。

Description

交流电网通信控制系统

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控制系统。

背景技术

在交流电网的有些应用场合中，需要对连接在电力线上的终端电器进行控制，比如灯的调光、电器的开关等。现有的通信方法通常将数据从基带调制到高频段，以高频载波的形式在交流电网中的电力线上传输。调制的方式包括FSK(频移键控)和OFDM(正交频分复用)等，其通信速率也有低、高、宽带之分。表1中列出了现有技术的电力线上载波通信的应用分类：

表1

在现有技术中，常用的终端电器控制方法一般集中在低速窄带到宽带之间。而这些技术方案虽然数据传送速率较快，最小的低速窄带也能达到10kbps左右，但是其调制过程往往较为复杂，成本较高。图1示出了传统的电力线载波调制技术：中心控制机房将要传输的基带信号调制到高频段，然后通过电力线将调制信号传输给终端电器，在每一个终端电器里都内置载波接收芯片，从而达到了1点控制多点的功能。但是载波收发芯片成本高，设计难度大，在每一个终端电器里安装一个接收器在某些应用场合是很不经济也很复杂。并且对于一些常见的应用，入终端电器的开关，终端灯具的调光等等这些数据量很小，对带宽和速率要求很低的应用来说，非常地不适用。

因此，需要一种简单易行的交流电网通信控制系统，来实现电力线上的小数据量通信。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的通信方法调制过程往往较为复杂，成本较高，不适合电力线上的小数据量通信的缺陷，提供一种利用交流电网中电力线自有的50Hz或60Hz正弦波来达到传输数据的目的交流电网通信控制系统。

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控制系统，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至少一个电器侧的AC/DC转换模块、信号检测模块和信号解调模块；

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电源开关、状态切换开关以及MCU模块，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，所述电源开关一端连接交流输入电源的火线、另一端连接所述状态切换开关的动触头，所述调制触点连接所述二极管的阳极，所述二极管的阴极连接接入到所述交流电网的至少一个电器，所述闭合触点连接于所述二极管的阴极和接入到所述交流电网的至少一个电器的节点，所述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；

所述信号检测模块，用于接收所述整流信号，并基于所述整流信号生成检测信号；

所述信号解调模块，用于接收并解调所述检测信号以生成用于调制开关和电器间通信的通信信号；

当MCU控制所述调制开关切换到调制状态并持续第一时间时，所述AC/DC转换模块产生第一整流信号，所述信号检测模块基于所述第一整流信号生成第一检测信号，所述信号解调模块，用于接收并解调所述第一检测信号以生成第一通信信号；

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，所述信号检测模块基于所述第二整流信号生成第二检测信号，所述信号解调模块，用于接收并解调所述第二检测信号以生成第二通信信号；

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，所述信号检测模块基于所述第三整流信号生成第三检测信号，所述信号解调模块，用于接收并解调所述第三检测信号以生成第三通信信号；

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，所述信号检测模块基于所述第四整流信号生成第四检测信号，所述信号解调模块，用于接收并解调所述第四检测信号以生成第四通信信号。

优选地，所述第一-第四时间各不相同，且所述第一通信信号是起始信号，所述第二通信信号是逻辑1、所述第三通信信号是逻辑0，所述第四通信信号是结束信号。

优选地，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。

优选地，所述操作指令包括器件地址、操作码和操作数。

优选地，所述至少一个电器进一步包括：

信号接收模块，用于从所述信号解调模块接收所述通信信号；

操作控制模块，用于根据所述通信信号控制所述电器的操作。

优选地，所述交流电网通信系统进一步包括：

控制信号接收模块，用于接控制信号，并基于所述控制信号控制所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换。

优选地，所述控制信号是RF控制信号、红外控制信号和/或蓝牙控制信号；

所述控制信号是高频信号、中频信号或低频信号，所述通信信号是基带信号。

优选地，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。

构造一种交流电网通信控制系统，包括：

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动触头、闭合触点、调制触点、断开触点和二极管，所述动触点连接交流输入电源的火线，所述调制触点连接所述二极管的阳极，所述二极管的阴极连接接入到所述交流电网的至少一个电器，所述闭合触点连接于所述二极管的阴极和接入到所述交流电网的至少一个电器的节点，所述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、关闭状态和调制状态之间切换；

构造一种交流电网通信控制系统，包括：

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电源开关、状态切换开关以及MCU模块，所述状态切换开关包括动触头、接触触点和二极管，所述电源开关一端连接交流输入电源的火线、另一端连接所述状态切换开关的动触头，所述状态切换开关的接触触点连接接入到所述交流电网的至少一个电器，所述二极管的阳极连接于所述电源开关和所述状态切换开关的动触头的节点，所述二极管的阴极连接所述状态切换开关的接触触点和接入到所述交流电网的至少一个电器的节点，所述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；

实施本发明的交流电网通信系统，可利用交流电网中电力线自有的50Hz或60Hz正弦波来达到传输数据，并且信号调制解调方法简单、成本较低，特别适合电力线上的小数据量通信。

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是传统的电力线载波调制技术的示意图；

图2是本发明的交流电网通信控制系统的典型框图；

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5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6是根据本发明的两线交流电网通信系统的结构示意图；

图7是根据本发明的三线交流电网通信系统的结构示意图；

图8是根据本发明的交流电网通信系统的检测信号生成的第一实施例的电路原理图；

图9是根据本发明的交流电网通信系统的检测信号生成的第二实施例的电路原理图；

图10是图8示出的实施例的整流信号和检测信号的波形图；

图11是根据本发明的交流电网通信系统的通信时隙图；

图12是根据本发明的交流电网通信系统的操作指令示意图；

图13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；

图14是根据本发明的交流电网通信系统的多途径控制单个电器典型示意图；

图15是根据本发明的交流电网通信系统的多途径控制多个电器典型示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的交流电网通信控制系统包括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、信号检测模块和信号解调模块。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；所述信号检测模块，用于接收所述整流信号，并基于所述整流信号生成检测信号；所述信号解调模块，用于接收并解调所述检测信号以生成用于调制开关和电器间通信的通信信号。

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5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6和图7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2所示的信号检测模块和信号解调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8是根据本发明的交流电网通信系统的检测信号生成的第一实施例的电路原理图。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C2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。信号检测模块接收所述全波整流信号，并输出低电平（“0”电平），此时无检测信号输出。当调制开关处于调制状态时，AC-DC转换进行的是半波整流，信号检测模块接收所述半波整流信号，输出的检测信号将是一串连续的脉冲，如图10所示。此后信号调制模块接收该检测信号，并进行下一步的处理。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。信号调制模块通过检测半波调制时间，可以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11给出了信号调制模块的调制解调方式。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），AC-DC转换模块产生如图10所示的全波整流信号。信号检测模块接收所述全波整流信号并基于所述全波整流信号生成如图10中对应的检测信号。信号调制模块接收并解调所述检测信号，产生如图11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12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9是根据本发明的交流电网通信系统的检测信号生成的第二实施例的电路原理图。其操作原理和结构与图8基本类似，而区别在于，图9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和9中示出的实施例以外，发明专利申请CN200910108431.9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13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。而在本发明的优选实施例中，各个电器可分别包括专门的信号接收模块和操作控制模块。该信号接收模块用于从所述信号解调模块接收所述通信信号。该操作控制模块用于根据所述通信信号控制所述电器的操作。在本发明的简化实施例中，所述操作控制模块和信号接收模块可合并到电器已有的控制系统中。

在本发明的其他优选实施例中，该所述交流电网通信系统进一步包括设置在各个电器侧的控制信号接收模块，用于接控制信号，并基于所述控制信号控制所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换。图14示出了通过外置的遥控器，应用RF或红外遥控发送控制信息，RF或红外接收信号控制模块接收控制信号以后，再将控制信号发送给调制开关，控制所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换，从而将向电力线发送数据，电器接收到数据以后将会做出响应。在本发明的另一实施例中，还可以采用蓝牙收发装置，将蓝牙控制信号发送给调制开关，从而实现数据传送。

在本发明的其他优选实施例中，该控制信号接收模块可以是高频、低频或是中频控制信号接收模块，其可接收高频信号、中频信号或低频信号，然后发送给调制开关，控制所述调制开关在开启状态、关闭状态和调制状态之间切换，从而将向电力线发送基带通信信号，电器接收到基带通信信号以后将会做出响应。

图15是根据本发明的交流电网通信系统的多途径控制多个电器典型示意图。如图15所示，在一个电力线连接的网络里，可以通过电力线载波直接控制、RF无线控制、红外线控制等多种方式在电力线上传输通信信号，最后通信信号到达调制开关，通过改进型调制开关对用电器达到控制目的。

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，通过调制开关和信号解调模块，在不改变原有电网线路的前提下利用交流电网中电力线自有的50Hz或60Hz正弦波来达到传输数据的目的，并且信号调制解调方法简单、成本较低，特别适合电力线上的小数据量通信。

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

1.一种交流电网通信控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述第一-第四时间各不相同，且所述第一通信信号是起始信号，所述第二通信信号是逻辑1、所述第三通信信号是逻辑0，所述第四通信信号是结束信号。

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。

4.根据权利要求3所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述操作指令包括器件地址、操作码和操作数。

5.根据权利要求1或4所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述至少一个电器进一步包括：

6.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述交流电网通信系统进一步包括：

7.根据权利要求6所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述控制信号是RF控制信号、红外控制信号和/或蓝牙控制信号；

8.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。

9.一种交流电网通信控制系统，其特征在于，包括：

10.一种交流电网通信控制系统，其特征在于，包括：