CN103036619B - 单芯光传输智能通信模块及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单芯光传输智能通信模块及其应用方法,本发明采用单芯塑料光纤传输光信号，特点一，该单芯光收发器的发光元件所发送光信号谱段与受光元件所接收光信号谱段不相同，将其配对使用，即可仅用单芯光纤实现全双工通信；特点二，将该单芯光收发器与智能控制电路结合，形成全双工、半双工以及具有信号桥接功能的智能通信模块；特点三，将该单芯光传输智能通信模块应用到电能表远程自动抄表系统、家居智能插座以及城市全光网光电转换装置中。本发明将单芯光传输智能光通讯模块与多终端设备结合并组网，全面提升了多终端信息化管理可靠性、时效性，并还降低了建网和维护成本。本发明还为城市全光网构建的末端几百米提供了实用技术方案。

Description

单芯光传输智能通信模块及其应用方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，既涉及光收发器件、又涉及光通信模块、还涉及到光通信模块的应用方案，尤其涉及单芯塑料光纤光收发器件和单芯塑料光纤光传输智能通信模块及其具体的应用方案。

背景技术

光纤通信以其通信容量大、中继距离远、抗电磁干扰能力强等突出优点，正受到人们的极大重视。而实现光收发、光电转换的光收发器件是实现光纤通信的最基础器件。该器件既要实现光信号的接收与发送，即要有合适的输出光功率、有良好的消光比、有良好的调制特性，这些是对光收发器件光发送功能的基本要求，还要求有极低误码率、较高接收灵敏度，这些是对光收发器件光接收功能的基本要求。通常使用的光收发器件为双芯光收发器，两端光收发器之间连接两根光纤，一根光纤只传输一个方向的光信号，这样要实现全双工通信必须需要两根光纤。在许多对光通信的数据量和传输速率要求相对比较低的应用场合，考虑采用单根光纤实现光通信成为需要进行应用型研究的课题。

同时，光收发器件作为光通信设备中最为基础的器部，它主要实现光信号与电信号之间的转换、电信号前置处理，它应用到光通信技术领域，还需要为之配置相应的外围功能电路，以形成具有实用功能的光通信模块。现阶段，能实现光纤通信的模块不在少数，但未见有报道出现过采用一根单芯塑料光纤传输光信号实现光通信的模块，更未见将以单芯光收发器件为基础器件，结合微计算机技术，形成模块之间仅需单芯塑料光纤传输光信号的、功能扩展的、智能化的单芯光传输通信模块。

信息化技术的飞速发展，使多终端设备的实时管理控制成为可能，如，对生产作业场所若干设备的管理监控、对在一定地域内监测仪表信息的采集、对居民小区电能表、水表、燃气表数据实时抄收等等。现实中的多终端设备通常要组成特定的系统架构，由统一的管理平台进行实时监测和控制，为此，这些多终端设备与数据采集装置或管理平台之间需要建立数据链路，目前通常采用的数据链路形式有，无线模式（ZigB）、有线模式（485总线和电力线载波），在当今用电环境和空间电磁波环境情况下，这些数据传输模式都面临复杂的电磁干扰，直接影响到数据传输的可靠性和数据的准确性。此外，在终端设备数量较大的情况下，如何快速准确定位故障终端也成为了一个突出的问题。无线模式通常采用的树状结构，每个终端直接与上一级数据节点通信联系，各终端彼此之间不构成联系，这样，当无线通信受到长时间干扰或某终端无线通信模块发生故障，就很难快速定位该故障终端。而485总线数据链路模式，每个终端与总线之间都需要有连线，由于485连线和总线中传输的仍然是电信号，故仍会受到电磁干扰，影响到数据实时传输，另外，485总线模式同样无法在众多终端中快速确定故障终端。如何将单芯光传输智能通信模块具体地应用到上述多终端设备的实时管理系统中，充分发挥光通信技术自身的特长，有效的、可靠的、节约的实现实时管理的各项功能，这成为当前光通信技术所面临的实际课题。

发明内容

本发明第一个发明目的是提供一种新型的单芯光收发器件，使该器件能在一根光纤的条件下实现全双工通信或半双工通信，从而有效提高光纤的利用率，降低通信线路成本。

本发明第二个发明目的是以新型的单芯光收发器件为光收发器件，配以微处理单元，形成一种单芯光传输智能通信模块，从而有效拓展该模块的应用领域。

本发明第三个发明目的是给出单芯光传输智能通信模块的具体应用，并针对不同的应用系统设计出具体的单芯光传输智能通信模块，有效解决原应用系统存在的技术难题，提升应用系统的可靠性、可操控性以及智能化程度。

为实现上述第一个目的，本发明的技术方案是，此种单芯光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置并固定于基座之上，其特征在于：所述光收发器中发光元件所发送光信号的谱段与受光元件所接收光信号的谱段不相同，单芯光纤一端所连接光收发器的发光元件所发送光信号的谱段与该单芯光纤另一端所连接光收发器受光元件所接收光信号的谱段相同，即单芯光纤两端所连接的光收发器要匹配，两种谱段光信号经单芯光纤同时且相对地从一端光收发器传输到达另一端光收发器，实现点对点的全双工光通信。

在上述单芯光收发器技术方案中，所述光收发器有两种光谱段，一种是红光谱段(630nm~680nm)，一种是绿光谱段（500nm~550nm），只能发送红光的发光元件同轴设置于只能接收绿光受光元件的中心，而只能发送绿光的发光元件同轴设置于只能接收红光受光元件的中心，上述两种光收发器须成双配对使用，即在单芯光纤的一端处所连接光收发器A，光收发器A的发光元件只发送红光，其受光元件只接收绿光，而在这根单芯光纤的另一端处连接光收发器B，光收发器B的发光元件只发送绿光，其受光元件只接收红光，这样，通过一根单芯光纤，光收发器A发送的红光信号能被收发器B的受光元件所接收，与此同时，仍然通过同一根单芯光纤，光收发器B发送的绿光也能被光收发器A的受光元件所接收，从而通过一根单芯光纤实现点对点的全双工光通信。

在上述单芯光收发器技术方案中，所述受光元件表面设置有滤色材料或滤波装置，使受光元件只能接收红光或只能接收绿光。

为实现上述第二个目的，本发明给出的第一种单芯光传输智能通信模块技术方案是，此种单芯光传输智能通信模块构成包括有，光收发器件、智能通信电路，所述光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，其特征在于：所述光收发器中发光元件所发送光信号的谱段与受光元件所接收光信号的谱段不相同，单芯光纤一端所连接光收发器的发光元件所发送光信号的谱段与该单芯光纤另一端所连接光收发器受光元件所接收光信号的谱段相同，即单芯光纤两端所连接的光收发器要匹配，两种谱段光信号经单芯光纤同时且相对地从一端光收发器传输到达另一端光收发器；所述智能通信电路由微处理单元（MCU）和数据接口构成，微处理单元的信号输入端连接单芯光收发器的电信号输出端，微处理单元的数据信号输出端连接单芯光收发器的电信号输入端，微处理单元（MCU）在接收并处理经单芯光收发器传来电信号的同时，也能将数据接口送入的数据信息转换成电信号，再经该单芯光收发器转换成光信号并传送出去，从而实现全双工光通信和智能控制。

为实现上述第二个目的，本发明给出的第二种单芯光传输智能通信模块技术方案是，此种单芯光传输智能通信模块，其构成包括有，单芯光收发器、智能通信电路，所述单芯光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，其特征在于：所述单芯光收发器中发光元件所发送光信号的谱段与受光元件所接收光信号的谱段完全相同，该单芯光收发器中还设置有一个双态开关，该双态开关的一个开关状态是使该单芯光收发器处于只发送光信号状态，该双态开关的另一个状态是使该单芯光收发器处于只接收光信号状态；所述智能通信电路由一个微处理单元（MCU）和数据接口构成，该微处理单元控制所述单芯光收发器中双态开关的开关状态，单芯光收发器将光纤传来的光信号转换成电信号并送到微处理单元进行数据提取和处理，再经数据接口送出数据信息，而微处理单元也将数据接口送入的数据信息转换成电信号，再经该单芯光收发器转换成光信号，由单芯光纤传输出去，从而实现半双工光通信和智能控制。

为实现上述第二个目的，本发明给出的第三种单芯光传输智能通信模块技术方案是，此种单芯光传输智能通信模块，其构成包括有，单芯光收发器、智能通信电路，所述单芯光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，其特征在于：该通信模块构成中包括有两个结构相同的单芯光收发器（FOT1和FOT2），每个单芯光收发器的发光元件发送光信号谱段和受光元件接收光信号谱段完全相同，单芯光收发器（FOT1）中设置有一个双态开关（SW1），单芯光收发器（FOT2）中设置有一个双态开关（SW2），双态开关的一个开关状态是使该单芯光收发器处于只发送光信号状态，双态开关的另一个状态是使该单芯光收发器处于只接收光信号状态；所述智能通信电路由模拟开关（S1）、模拟开关（S2）、一个微处理单元（MCU）和一个数据接口构成，单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX1），单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端还连接至模拟开关（S2）的常闭触点，当模拟开关（S2）处于常闭状态位置，单芯光收发器（FOT1）的输出电信号能经模拟开关（S2）桥接到单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端，单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX2），单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端还连接至模拟开关（S1）的常闭触点，当模拟开关（S1）处于常闭状态位置，单芯光收发器（FOT2）的输出电信号能经模拟开关（S1）桥接到单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX1）连接至模拟开关（S1）的常开触点，当模拟开关（S1）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX1）经模拟开关（S1）与单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端相连接，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX2）连接模拟开关（S2）的常开触点，当模拟开关（S2）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX2）经模拟开关（S2）与单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端相连接，模拟开关（S1）和模拟开关（S2）开关状态的转换受到微处理单元（MCU）控制，单芯光收发器（FOT1）中双态开关（SW1）和单芯光收发器（FOT2）中双态开关（SW2）也受到微处理单元（MCU）控制。本技术方案构成了一种带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块。

在上述第三种单芯光传输智能通信模块技术方案中，所述模拟开关（S1）和模拟开关（S2）选用集成电路芯片SGM3005，所述微处理单元（MCU）选用8051。

为实现上述第三个目的，本发明给出的第一种单芯光传输智能通信模块应用技术方案是，将带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块应用于多终端设备信息化管理，在每个终端设备中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，在数据采集装置中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单根塑料光纤连接相邻终端设备中单芯光传输智能通信模块，使所有终端设备中的单芯光传输智能通信模块被单芯塑料光纤首尾串接，再将数据采集装置中单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有终端设备和数据采集装置之间建立了的光信号传输串行环状数据链路，数据采集装置既可以沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个采集终端设备的数据信息，也可以沿该串行环状数据链路逆时针方向逐个采集终端设备的数据信息。

在上述第一种单芯光传输智能通信模块应用技术方案中，所述带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，其特征在于：该通信模块构成中包括有两个结构相同的单芯光收发器（FOT1和FOT2），每个单芯光收发器的发光元件发送光信号谱段和受光元件接收光信号谱段完全相同，单芯光收发器（FOT1）中设置有一个双态开关（SW1），单芯光收发器（FOT2）中设置有一个双态开关（SW2），双态开关的一个开关状态是使该单芯光收发器处于只发送光信号状态，双态开关的另一个状态是使该单芯光收发器处于只接收光信号状态；所述智能通信电路由模拟开关（S1）、模拟开关（S2）、一个微处理单元（MCU）和一个数据接口构成，单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX1），单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端还连接至模拟开关（S2）的常闭触点，当模拟开关（S2）处于常闭状态位置，单芯光收发器（FOT1）的输出电信号能经模拟开关（S2）桥接到单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端，单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX2），单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端还连接至模拟开关（S1）的常闭触点，当模拟开关（S1）处于常闭状态位置，单芯光收发器（FOT2）的输出电信号能经模拟开关（S1）桥接到单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX1）连接至模拟开关（S1）的常开触点，当模拟开关（S1）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX1）经模拟开关（S1）与单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端相连接，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX2）连接模拟开关（S2）的常开触点，当模拟开关（S2）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX2）经模拟开关（S2）与单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端相连接，模拟开关（S1）和模拟开关（S2）开关状态的转换受到微处理单元（MCU）控制，单芯光收发器（FOT1）中双态开关（SW1）和单芯光收发器（FOT2）中双态开关（SW2）也受到微处理单元（MCU）控制。在上述带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块技术方案中，所述模拟开关（S1）和模拟开关（S2）选用集成电路芯片SGM3005，所述微处理单元（MCU）选用8051。

在上述第一种单芯光传输智能通信模块应用技术方案中，将带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块应用于电能表抄表管理，在每个电能表中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，在集中器中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单根塑料光纤连接相邻电能表中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，使所有电能表带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块被单根单芯光纤串接，再将集中器中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有电能表和集中器之间建立了的光信号传输串行环状数据链路，集中器根据上一级控制指令，沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个抄收电能表的数据信息，也可以沿串行环状数据链路逆时针方向逐个抄收电能表的数据信息。

在上述第一种单芯光传输智能通信模块应用技术方案中，由电能表与集中器构成的光信号传输串行环状数据链路，还具有快速定位故障电能表的功能，具体方法如下，集中器沿串行环状数据链路顺时针方向逐个抄表进程中，一旦出现某个电能表没有数据响应，集中器立即沿串行环状数据链路逆时针方向逐个抄表，当顺时针方向抄表进程中没有数据响应的电能表，在逆时针方向抄表进程中也没有数据响应，即可判断该电能表产生故障，如果在逆时针方向抄表进程中该电能表有数据响应，即可以判断该电能表本身并没有故障，可能是该电能表与相邻电能表之间的光纤断开或脱落。

为实现上述第三个目的，本发明的第二种单芯光传输智能通信模块应用技术方案是，将带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块应用于家居插座，在每个家居插座中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，同时在家庭用电信息采集装置中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单根单芯塑料光纤连接相邻插座中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，使所有家居插座带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块被单芯光纤串接，再将家庭用电信息采集装置中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有家居插座和家庭用电信息采集装置之间建立了的光信号传输串行环状数据链路，家庭用电信息采集装置可以沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个采集各插座的用电信息，也可以沿串行环状数据链路逆时针方向逐个采集各插座的用电信息。

在上述第二种单芯光传输智能通信模块应用技术方案中，所述带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，其特征在于：该通信模块构成中包括有两个结构相同的单芯光收发器（FOT1和FOT2），每个单芯光收发器的发光元件发送光信号谱段和受光元件接收光信号谱段完全相同，单芯光收发器（FOT1）中设置有一个双态开关（SW1），单芯光收发器（FOT2）中设置有一个双态开关（SW2），双态开关的一个开关状态是使该单芯光收发器处于只发送光信号状态，双态开关的另一个状态是使该单芯光收发器处于只接收光信号状态；所述智能通信电路由模拟开关（S1）、模拟开关（S2）、一个微处理单元（MCU）和一个数据接口构成，单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX1），单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端还连接至模拟开关（S2）的常闭触点，当模拟开关（S2）处于常闭状态位置，单芯光收发器（FOT1）的输出电信号能经模拟开关（S2）桥接到单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端，单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX2），单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端还连接至模拟开关（S1）的常闭触点，当模拟开关（S1）处于常闭状态位置，单芯光收发器（FOT2）的输出电信号能经模拟开关（S1）桥接到单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX1）连接至模拟开关（S1）的常开触点，当模拟开关（S1）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX1）经模拟开关（S1）与单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端相连接，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX2）连接模拟开关（S2）的常开触点，当模拟开关（S2）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的信号输出端（TX2）经模拟开关（S2）与单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端相连接，模拟开关（S1）和模拟开关（S2）开关状态的转换受到微处理单元（MCU）控制，单芯光收发器（FOT1）中双态开关（SW1）和单芯光收发器（FOT2）中双态开关（SW2）也受到微处理单元（MCU）控制。

在上述第二种单芯光传输智能通信模块应用技术方案中，所述带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块中的微处理单元（MCU）还连接有显示器件（LCD）、硬件实时时钟模块（RTC）、继电器、电能计量单元（EMU）、加密模块。

为实现上述第三个目的，本发明的第三种单芯光传输智能通信模块应用技术方案是，将发、收分色的单芯光传输智能通信模块应用于城市全光网建设所需要光电转换器和智能通信中，在单芯光纤的一端连接一个只发送红光、只接收绿光的单芯光传输智能通信模块，而在同一根单芯光纤的另一端连接一个只发送绿光、只接收红光的单芯光传输智能通信模块，从而实现全双工光通信。

在上述第三种单芯光传输智能通信模块应用技术方案中，所述的发、收分色的单芯光传输智能通信模块构成包括有，光收发器件、智能通信电路，所述光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件、透镜，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，所述光收发器中发光元件所发送光信号的谱段与受光元件所接收光信号的谱段不相同，单芯光纤一端所连接光收发器的发光元件所发送光信号谱段与该单芯光纤另一端所连接光收发器的受光元件所接收光信号谱段则相同，即单芯光纤两端所连接的光收发器要匹配，两种谱段光信号经单芯光纤同时且相对地从一端光收发器传输到达另一端光收发器；所述智能通信电路由微处理单元（MCU）和数据接口构成，微处理单元的信号输入端连接单芯光收发器的电信号输出端，微处理单元的数据信号输出端连接单芯光收发器的电信号输入端，微处理单元能在接收并处理经单芯光收发器传来电信号的同时，也能将数据接口送入的数据信息转换成电信号，再经该单芯光收发器转换成光信号并传送出去，从而实现全双工光通信和智能控制。

本发明的优点是：

第一、本发明所提供的单芯光收发器件解决了不同颜色（红光和绿光）光信号在同一根单芯塑料光纤内，从不同方向同时传输光信号的技术问题，从而为采用单一塑料光纤实现全双工光通信提供了最基础的光收发器件。在许多对传输数据量要求不很高的应用场合，该单芯光收发器件的经济性、使用简便性明显凸现。

第二、本发明提供的单芯光传输智能通信模块是将单芯光收发器与微计算机技术有机结合，使作为光信号传输基础器件的单芯光收发器更加多功能化和智能化，有效拓展了光通信的实际应用领域，为城市全光网末端几百米的构建提供了实用技术方案。

第三、本发明在多终端设备信息化管理系统中实际应用了本发明的单芯光传输智能通信模块。有效地解决了多终端设备的数据采集、数据传输、故障点快速判断等实际问题，充分发挥了光纤通信的独特优势，全面提升了多终端设备信息化管理的品质，同时还降低了应用系统的建设成本、管理维护成本。

附图说明

图1是现有技术中的只发送绿光、只接收绿光的单芯光收发器结构示意图。

图2是本发明单芯光收发器之一的结构示意图（只发送红光、只接收绿光）。

图3是本发明单芯光收发器之二的结构示意图（只发送绿光、只接收红光）。

图4是本发明单芯双色光传输全双工模式智能通信模块结构示意图。

图5是本发明单芯单色光传输半双工模式智能通信模块结构示意图。

图6是本发明带有信号桥接功能的单芯单色光传输半双工模式智能通信模块结构示意图。

图7是本发明实施例一，带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块应用于电能表抄表系统的接线示意图。

图8是本发明实施例一，电能表或集中器、带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块、单芯塑料光纤的连接示意图。

图9是本发明实施例一，电能表或集中器所采用带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块实现半双工方式光通信电路原理图。

图10是本发明实例二，带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块应用于家居智能插座的电路功能框图。

图11是本发明实例三，单芯双色光传输智能通信模块应用于城市全光网建设的光电转换器的电路功能示意图。

以上附图中，1是基座，2是受光元件，3是发光元件，4是透镜，5是单芯塑料光纤，6是绿色光信号，7是绿色光信号，11是基座，12是受光元件，13是发光元件，14是透镜，15是单芯塑料光纤，16是绿色光信号，17是红色光信号，21是基座，22是受光元件，23是发光元件，24是透镜，25是单芯塑料光纤，26是红色光信号，27是绿色光信号，31是单芯塑料光纤，32是红色光信号，33是绿色光信号，34是单芯双色光收发器，35是微处理单元（MCU），36是数据接口，37是加密模块，41是单芯塑料光纤，42是绿色光信号，43是单芯单色光收发器，44是微处理单元（MCU），45是加密模块，46是数据接口，51是单芯塑料光纤，52是绿色光信号，53是单芯塑料光纤，54是绿色光信号，55是单芯单色光收发器件组（FOT1和FOT2），56是模拟开关（S1和S2），57是微处理单元，58是加密模块，59是数据接口，61是设置有光通信模块的集中器，62是设置有光通信模块的电表（1），63是设置有光通信模块的电表（2），64是设置有光通信模块的电表（3），65是设置有光通信模块的电表（4），66是设置有光通信模块的电表（N），67是单芯塑料光纤，71是电能表或集中器，72是设置在电能表或集中器中的数据接口，73是设置在电能表或集中器中的电源，74是设置在光通信模块中的数据接口，75是设置在光通信模块中的电源，76是光通信模块电路，77是单芯塑料光纤，78是单芯塑料光纤，81是单芯光收发器（绿光），82是单芯光收发器（绿光），83是模拟开关（SGM3005），84是微处理单元（8051MCU），85是数据接口，86是电源（HT7533），91是单芯塑料光纤，92是绿色光信号，93是单芯塑料光纤，94是绿色光信号，95是单芯单色光收发器件组（FOT1和FOT2），96是模拟开关（S1和S2），97是电源，98是显示器件（LCD），99是微处理单元（MCU），100是加密模块，101是硬件实时时钟模块（RCT），102是继电器，103是电能计量单元（EMU），111是数据接口，112是微处理单元，113是加密模块，114是单芯双色光收发器，115是单芯塑料光纤，116是绿光信号，117是红光信号，118是单芯双色光收发器，119是微处理单元，120是加密模块，121是数据接口。

具体实施方式

实施例一：

本实施例为只发送红光信号，只接收绿光信号的单芯光收发器，其结构如附图2和附图3所示。

附图2给出的是本实施例一种单芯光收发器的结构示意，发光元件13和受光元件12同轴设置于基座11之上，发光元件13只发送650nm红光信号17，受光元件12只接收510nm绿光信号16，发光元件13发送红光信号17的同时，不影响受光元件12接收绿光信号16，受光元件12只能接收绿光信号16，受光元件12对发光元件13发出的红光信号几乎不接收。这样，在同一根单芯塑料光纤15中，当红光信号从光纤的这一端向另一端传输的同时，绿光信号从光纤的另一端向这一端传输。

附图3给出的是本实施例另一种单芯光收发器的结构示意，其组成及构造与附图2给出的单芯光收发器相同，区别仅在于发光元件23只发送650nm红光信号27，受光元件22只接收510nm绿光信号26。

本实施例所给出的两种单芯光收发器，在实际应用场合需要配对使用，即在单芯塑料光纤的一端处所连接单芯光收发器A（如附图2所示），单芯光收发器A的发光元件只发送红光，其受光元件只接收绿光，而在这根单芯塑料光纤的另一端处连接单芯光收发器B（如附图3所示），单芯光收发器B的发光元件只发送绿光，其受光元件只接收红光，从而实现全双工通信

本实施例中，单芯光收发器中的受光元件如何能高灵敏的只接收红光信号或只接收绿光信号，这是此种单芯双色光收发器性能高低的关键，一方面采用光谱段选择性好的受光材料制作受光元件，另一方面是在现有光谱段较宽的受光元件表面设置滤色材料，将不希望被受光元件接收的光信号滤除，或者增加滤波装置将不希望被受光元件接收的光信号滤除，使受光元件只能接收红光或只能接收绿光。

实施例二：

本实施例为单芯双色光传输智能通信模块，其电路功能框图如附图4所示。

本实施例单芯光传输智能通信模块由光收发器34、微处理单元35、数据接口36和加密模块37构成，光收发器34的发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，发光元件和受光元件的光轴与单芯塑料光纤31的光轴重合，光收发器34只能发送绿光33、只能接收红光32。

本实施例单芯光传输智能通信模块在实际使用中，需要与光收发器只能发送红光，只能接收绿光的单芯光传输智能通信模块配对使用。单芯塑料光纤承担了同时、双方向传输红光信号和绿光信号的功用。微处理单元35的信号输入端连接光收发器34的电信号输出端，微处理单元35的数据信号输出端连接光收发器34的电信号输入端，微处理单元能在接收并处理经光收发器传来电信号的同时，也能将数据接口送入的数据信息转换成电信号，再经该光收发器转换成光信号并传送出去，从而实现全双工光通信和智能控制。

实施例三：

本实施例为单芯单色光传输智能通信模块，其电路功能框图如附图5所示。

本实施例单芯光传输智能通信模块由单芯单色光收发器43、微处理单元44、加密模块45和数据接口46构成，单芯单色光收发器43中的发光元件发送绿色光信号、受光元件接收绿色光信号，设置在单芯单色光收发器中的双态开关（SW），使该单芯单色光收发器处于只发送绿色光信号状态或只处于接收绿色光信号状态，双态开关（SW）受微处理单元44控制，单芯单色光收发器43将单芯塑料光纤41传来的绿色光信号42转换成电信号并送到微处理单元44进行数据提取和处理，再经数据接口46送出数据信息，而微处理单元44也将数据接口46送入的数据信息转换成电信号，再经该单芯单色光收发器43转换成绿色光信号42，由单芯塑料光纤41传输出去，从而实现半双工光通信和智能控制，加密模块45能提高数据传输的安全性。

实施例四：

本实施例为带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块，其电路功能框图如附图6所示。

本实施例带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块中包括有两个结构相同的单芯单色光收发器件组55（FOT1和FOT2），每个单芯单色光收发器的发光元件发送510nm绿色光信号，受光元件接收510nm绿色光信号，单芯单色光收发器（FOT1）中设置有一个双态开关（SW1），单芯单色光收发器（FOT2）中设置有一个双态开关（SW2），双态开关的一个开关状态是使该单芯单色光收发器处于只发送绿光信号状态，双态开关的另一个状态是使该单芯单色光收发器处于只接收绿光信号状态；单芯单色光收发器（FOT1）的电信号一路输送到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX1），单芯单色光收发器（FOT1）的电信号另一路经处于常闭状态模拟开关（S2）桥接到单芯单色光收发器（FOT2）的电信号输入端，单芯单色光收发器（FOT2）的电信号一种输送到微处理单元（MCU）的信号输入端（RX2），单芯单色光收发器（FOT2）的电信号另一路经处于常闭状态模拟开关（S1）桥接到单芯单色光收发器（FOT1）的电信号输入端，当模拟开关（S1）处于常开状态，微处理单元57（MCU）的信号输出端（TX1）能将电信号输送至单芯单色光收发器（FOT1）的电信号输入端，当模拟开关（S2）处于常开状态，微处理单元57（MCU）的信号输出端（TX2）能将电信号输送至单芯单色光收发器（FOT2）的电信号输入端。模拟开关（S1）和模拟开关（S2）开关状态的转换受到微处理单元57（MCU）控制，单芯光收发器（FOT1）中双态开关（SW1）和单芯光收发器（FOT2）中双态开关（SW2）也受到微处理单元57（MCU）控制。

当单芯单色光收发器（FOT1）把由单芯塑料光纤51传输来的光信号转换为电信号，电信号经过模拟开关S1由信号处理单元处理后分为两路，一路直接输出至微处理单元57，另一路经过模拟开关S2将此信号通过单芯单色光收发器（FOT2）转换为光信号发送至单芯塑料光纤53，同时完成了光信号的接受处理和桥接功能（光信号由单芯塑料光纤51桥接到单芯塑料光纤53）。后端的数据也可以经过信号处理和切换控制单元通过模拟开关56发送至单芯单色光收发器（FOT1）或单芯单色光收发器（FOT2）。最后通过单芯塑料光纤51或单芯塑料光纤53来传输。这样完成了单芯塑料光纤的半双工通信。

本实施例中，微处理单元57与外围功能电路的数据传输和交换通过数据接口59实现，加密模块58和微处理单元57可以对数据进行加密或解密处理。微处理单元57可以是4位，8位，16位，32位，或更宽数据处理功能的处理器或由DSP、逻辑器件组成的有逻辑运算功能的控制单元。

实施例五：

本实施例是带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块在电能表远程自动抄表系统中的应用实例。

目前电力抄表系统中的通信方式多为集中器上行采用GPRS与主站通信，下行则采用电力线载波方式（PLC）、485总线方式（RS485）、公用频段无线等方式与电表之间通信。然而现行的下行通信方式中多存在抗干扰能力差，抄表成功率不高等一系列问题被业内普遍共知，本实施例采用了带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块和单芯塑料光纤组成了抄表集中器与各电能表之间的下行光通信网络，具体连线如附图7所示。

附图7给出了本实施例各电能表与集中器的具体连线方式。在每个电能表62、63、64、65、……、66中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，在集中器61中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单芯塑料光纤67连接相邻电能表中单芯光传输智能通信模块，使所有电能表带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块被单根单芯塑料光纤串接，再将集中器61中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有电能表和集中器之间建立了的光信号传输串行环状数据链路，集中器根据上一级控制指令，沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个抄收电能表的数据信息，也可以沿串行环状数据链路逆时针方向逐个抄收电能表的数据信息。附图7中，集中器和电能表上的光通信模块之间通过单芯塑料光纤串联形成环状网络，集中器61发出通信数据，经光通信模块转换成光信号由光纤传输至电表62，由于光通信模块具有信号桥接功能，故集中器61发出的通信数据被桥接至电表63……一直桥接到电表（n）66，最后又传回至集中器通信模块，完成一次数据环路通信。

附图8给出了本实施例中电能表或集中器、带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块、单芯塑料光纤三者之间的连接示意图。集中器或电能表71中的数据接口72采用USART，通过数据发（TXD）和数据收（RXD）与带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块76中的数据接口74对接，电能表或集中器中的电源73也为带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块76中的电源75提供电能，带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块76具有两个单芯塑料光纤（POF）连接埠。

附图9给出了本实施例电能表或集中器所设置的带有信号桥接功能的单芯单色光传输智能通信模块电路原理图。本实施例中，其中FOT1、FOT2是单芯单色光收发器，U1是微处理单元（MCU），选用8051通用单片机，U2是双模拟开关，选用集成电路芯片SGM3005来实现模拟开关（S1）和模拟开关（S2）的开关功能，V1将电表或集中器提供的5V电压转换为各器件的工作电压3.3V，JP是光通信模块与电表或集中器之间的接口。

下面我们以点抄某一块电表为例，详细说明其工作原理。

由于每块电能表都有代表自己身份信息匹配的通信地址，譬如集中器发出抄收电能表64的命令，工作原理如下：集中器61发出含有电表64身份信息的抄表命令信号先由电表62获得，同时桥接给电表63，然后桥接给电表64……，在电表62收到命令后会解析命令中的身份信息，发现与自己并不匹配后，电表62不作响应，电表63亦如此，而当电表64收到命令，解析信号并身份匹配成功后，将命令所对应的数据反向回传，电表63和电表62作为信号桥接器将电表64的回复数据传送给集中器61，集中器完成一次点抄数据。本实施例可实现高稳定性，高保密性和极高的一次抄表成功率。

另外，本实施例还具有快速定位故障电能表的功能，具体方法如下，集中器61沿串行环状数据链路顺时针方向逐个抄表进程中，一旦出现某个电能表（如电表64）没有数据响应，集中器61立即沿串行环状数据链路逆时针方向逐个抄表，当顺时针方向抄表进程中没有数据响应的电能表（如电表64），在逆时针方向抄表进程中也没有数据响应，即可判断该电能表产生故障，如果在逆时针方向抄表进程中该电能表（如电表64）有数据响应，即可以判断该电能表（如电表64）本身并没有故障，可能是该电能表（如电表64）与相邻电能表（如电表63）之间的连接光纤断开或脱落。

实施例六：

智能家居概念以及实施方案已日趋成熟，智能插座是智能家居系统中的重要节点，然而各智能插座节点间的通信和智能插座的电能量采集和控制则更加重要。本实施例是单芯光传输智能通信模块在家居智能插座中的应用实例，为电能量采集与负载控制提供了有效的解决方案，其电路框图如附图10所示。

本实施例的主要特点在于采用了单芯单色光收发器件组（FOT1和FOT2）95、模拟开关96、电源97、显示器（LCD）98、微处理单元（MCU）99、加密模块100、硬件实时时钟模块（RTC）101、继电器102、以及电能计量单元（EMU）103。微处理单元99控制单芯单色光收发器件组95中双态开关S1和S2，以保证单芯单色光收发器件组中的FOT1和FOT2或是处于发送光信号状态，或是处于接收光信号状态，微处理单元99还控制模拟开关96，以实现光电转换后端的信号流向切换，微处理单元99同时还与电能计量单元（EMU）103通信，以采集电能量信息，微处理单元99还与继电器102通信，以控制后端负载是否接通。

若采用实施例五中的组网模式，可以使多个智能插座与家庭智能管理终端一起融入智能家居光通信网络。

实施例七：

在城市全光网建设中，室内光网络采用塑料光纤传输信号有很大优势，塑料光纤相对于石英光纤而言，价格便宜、组网施工要求低、不需要专业人员、不需要使用专门工具，在城市全光网末端几百构建中，塑料光纤将会起到越来越重要的作用，为此，单芯塑料光纤通信的应用必将会面临与现有设备标准接口的兼容性问题，本实施例正是将单芯双色光传输智能通信模块在城市全光网的光电转换电路中的应用实例，其电路框图如附图11所示。

本实施例可以方便的将光信号转换为USB接口、WIFI信号、PLC通信信号等，为城市全光网建设中的末端几百米提供了有效的技术支撑。

Claims (7)

1.一种单芯光传输智能通信模块，其构成包括有，单芯光收发器、智能通信电路，所述单芯光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，其特征在于：该通信模块构成中包括有两个结构相同的第一单芯光收发器（FOT1）和第二单芯光收发器（FOT2），每个单芯光收发器的发光元件发送光信号谱段和受光元件接收光信号谱段完全相同，第一单芯光收发器（FOT1）中设置有第一双态开关（SW1），第二单芯光收发器（FOT2）中设置有第二双态开关（SW2），双态开关的一个开关状态是使该单芯光收发器处于只发送光信号状态，双态开关的另一个状态是使该单芯光收发器处于只接收光信号状态；所述智能通信电路由第一模拟开关（S1）、第二模拟开关（S2）、一个微处理单元（MCU）和一个数据接口构成，第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的第一信号输入端（RX1），第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端还连接至第二模拟开关（S2）的常闭触点，当第二模拟开关（S2）处于常闭状态位置，第一单芯光收发器（FOT1）的输出电信号能经第二模拟开关（S2）桥接到第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端，第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的第二信号输入端（RX2），第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端还连接至第一模拟开关（S1）的常闭触点，当第一模拟开关（S1）处于常闭状态位置，第二单芯光收发器（FOT2）的输出电信号能经第一模拟开关（S1）桥接到第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端，微处理单元（MCU）的第一信号输出端（TX1）连接至第一模拟开关（S1）的常开触点，当第一模拟开关（S1）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的第一信号输出端（TX1）经第一模拟开关（S1）与第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端相连接，微处理单元（MCU）的第二信号输出端（TX2）连接第二模拟开关（S2）的常开触点，当第二模拟开关（S2）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的第二信号输出端（TX2）经第二模拟开关（S2）与第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端相连接，第一模拟开关（S1）和第二模拟开关（S2）开关状态的转换受到微处理单元（MCU）控制，第一单芯光收发器（FOT1）中第一双态开关（SW1）和第二单芯光收发器（FOT2）中第二双态开关（SW2）也受到微处理单元（MCU）控制。

2.根据权利要求1所述单芯光传输智能通信模块，其特征在于：所述第一模拟开关（S1）和第二模拟开关（S2）选用集成电路芯片SGM3005，所述微处理单元（MCU）选用8051。

3.单芯光传输智能通信模块的应用方法，其特征在于：将带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块应用于多终端设备信息化管理，在每个终端设备中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，在数据采集装置中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单根单芯塑料光纤连接相邻终端设备中单芯光传输智能通信模块，使所有终端设备中的单芯光传输智能通信模块被单芯塑料光纤首尾串接，再将数据采集装置中单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有终端设备和数据采集装置之间建立了光信号传输串行环状数据链路，数据采集装置既可以沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个采集终端设备的数据信息，也可以沿该串行环状数据链路逆时针方向逐个采集终端设备的数据信息，所述带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块构成包括有单芯光收发器、智能通信电路，所述单芯光收发器构成包括有基座、发光元件、受光元件，发光元件和受光元件同轴设置于基座之上，该通信模块构成中包括有两个结构相同的第一单芯光收发器（FOT1）和第二单芯光收发器（FOT2），每个单芯光收发器的发光元件发送光信号谱段和受光元件接收光信号谱段完全相同，第一单芯光收发器（FOT1）中设置有第一双态开关（SW1），第二单芯光收发器（FOT2）中设置有第二双态开关（SW2），双态开关的一个开关状态是使该单芯光收发器处于只发送光信号状态，双态开关的另一个状态是使该单芯光收发器处于只接收光信号状态；所述智能通信电路由第一模拟开关（S1）、第二模拟开关（S2）、一个微处理单元（MCU）和一个数据接口构成，第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的第一信号输入端（RX1），第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输出端还连接至第二模拟开关（S2）的常闭触点，当第二模拟开关（S2）处于常闭状态位置，第一单芯光收发器（FOT1）的输出电信号能经第二模拟开关（S2）桥接到第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端，第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端既连接到微处理单元（MCU）的第二信号输入端（RX2），第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输出端还连接至第一模拟开关（S1）的常闭触点，当第一模拟开关（S1）处于常闭状态位置，第二单芯光收发器（FOT2）的输出电信号能经第一模拟开关（S1）桥接到第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端，微处理单元（MCU）的第一信号输出端（TX1）连接至第一模拟开关（S1）的常开触点，当第一模拟开关（S1）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的第一信号输出端（TX1）经第一模拟开关（S1）与第一单芯光收发器（FOT1）的电信号输入端相连接，微处理单元（MCU）的第二信号输出端（TX2）连接第二模拟开关（S2）的常开触点，当第二模拟开关（S2）处于常开状态位置，微处理单元（MCU）的第二信号输出端（TX2）经第二模拟开关（S2）与第二单芯光收发器（FOT2）的电信号输入端相连接，第一模拟开关（S1）和第二模拟开关（S2）开关状态的转换受到微处理单元（MCU）控制，第一单芯光收发器（FOT1）中第一双态开关（SW1）和第二单芯光收发器（FOT2）中第二双态开关（SW2）也受到微处理单元（MCU）控制。

4.根据权利要求3所述的单芯光传输智能通信模块的应用方法，其特征在于：所述终端设备为电能表，所述数据采集装置为集中器，将带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块应用于电能表抄表管理，在每个电能表中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，在集中器中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单根单芯塑料光纤连接相邻电能表中单芯光传输智能通信模块，使所有电能表的单芯光传输智能通信模块被单芯塑料光纤串接，再将集中器中单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有电能表和集中器之间建立了光信号传输串行环状数据链路，集中器根据上一级控制指令，沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个抄收电能表的数据信息，也可以沿串行环状数据链路逆时针方向逐个抄收电能表的数据信息。

5.根据权利要求4所述的单芯光传输智能通信模块的应用方法，其特征在于：通过电能表和集中器之间建立的光信号传输串行环状数据链路，还具有快速定位故障电能表的功能，具体方法如下，集中器沿串行环状数据链路顺时针方向逐个抄表进程中，一旦出现某个电能表没有数据响应，集中器立即沿串行环状数据链路逆时针方向逐个抄表，当顺时针方向抄表进程中没有数据响应的电能表，在逆时针方向抄表进程中也没有数据响应，即可判断该电能表产生故障，如果在逆时针方向抄表进程中该电能表有数据响应，即可以判断该电能表本身并没有故障，可能是该电能表与相邻电能表之间的光纤断开或脱落。

6.根据权利要求3所述的单芯光传输智能通信模块的应用方法，其特征在于：所述终端设备为家居插座，所述数据采集装置为家庭用电信息采集装置，将带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块应用于家居插座，在每个家居插座中设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，同时在家庭用电信息采集装置中也设置带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，并用单根单芯塑料光纤连接相邻插座中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块，使所有家居插座带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块被单芯塑料光纤串接，再将家庭用电信息采集装置中带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块也串接其中，形成一个闭环，这样就在所有家居插座和家庭用电信息采集装置之间建立了光信号传输串行环状数据链路，家庭用电信息采集装置可以沿该串行环状数据链路顺时针方向逐个采集各插座的用电信息，也可以沿串行环状数据链路逆时针方向逐个采集各插座的用电信息。

7.根据权利要求6所述的单芯光传输智能通信模块的应用方法，其特征在于：所述带有信号桥接功能的单芯光传输智能通信模块中的微处理单元（MCU）还连接有显示器件（LCD）、硬件实时时钟模块（RTC）、继电器、电能计量单元（EMU）、加密模块。