CN103875188A - 优化使用本地电力线通信网络的家庭自动化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于优化包括多个通信装置的家庭自动化系统的方法，所述多个通信装置能够经由本地低比特率的PLC网络在它们之间交换信息，所述方法包括针对加入所述网络的每个新通信装置的PLC传输功率的调节阶段，所述调节阶段包括以下连续步骤：安装所述新装置（10），其被设置为在所述PLC网络中以预定的最大功率传送；切断所述PLC网络上除了所述新装置之外的正在进行中的任何通信（20）；对于PLC网络的必须与所述新装置成对的每个现有装置，测试与所述新装置的通信，并且，如果通信故障，确保自动递增先前现有装置的所述PLC传输功率直到达到可以在先前现有装置和所述新装置之间初始化PLC通信的PLC传输功率的第一值（30）；以及确保当在每个先前现有装置和所述新装置之间的所述通信是活动的时，自动降低所述新装置的所述PLC传输功率（40）。

Description

优化使用本地电力线通信网络的家庭自动化系统
本发明涉及包括多个通信装置的家庭自动化系统的优化，所述多个通信装置能够经由本地低比特率的PLC网络在它们之间交换信息。
现今，数个通信系统用于家庭自动化网络。最流行的一种通信系统是电力线通信或PLC，因为它依赖于已有的电网。
某些提供高比特率的PLC解决方案表现出的主要缺点是仅提供短范围，数十米量级。其它的则提供更加大的范围，多达500米，并且比较便宜，但其代价是相对低的比特率（数千比特/秒的量级）。这些后者的解决方案很好地适用于许多家庭自动化应用，诸如电器（照明、加热、空调、卷帘、烤箱）、（节能、温度、湿度）传感器的管理与远程控制，以及智能仪表（水、气、电力）等等的远程读数的管理和远程控制。
然而，如果网络变得密集，并在网络上定期地进行通信的装置超过数十个，则这种解决方案将会出现操作问题，这是由于可用的带宽就会不再足以允许每个装置与其对话者或其中继器通信。
此外，即使在设想家庭自动化系统具有经由本地低比特率的PLC网络通信的有限数量的装置的情况下，配电网络的各个相以及安装在个体所在地的电能仪表通常允许PLC信号通过。由此可以得出，在所考虑的家庭自动化系统外的其它PLC设备可能干扰电力线路，并降低比特率。同样，所述家庭自动化系统的通信装置之间的PLC通信可能超出本地网络，并且这可能产生保密性问题。
通过非限定的示例，图1所示的是用于使用在PLC的低比特率网络上本地相互通信的装置来实时测量和调节多个电气设备的系统的一部分。特别地，这个系统的原理在以本申请人的名称的文献WO2008/017754中进行了描述。在所说明的示例中，所述系统的该部分允许管理多个电气设备（未示出），所有电气设备都从配电网的同一个电力线路1供电，例如位于个体的住宅处，供电局2的下游。在该示例中，所述系统包括按照本地PLC的低比特率网络组织的四个驱动盒31至34和五个调节盒41至45。每个调节盒能够链接到一个或多个电气设备（如热水器、电散热器、空调等），并用于实时测量这些电气设备所消耗的电压与电流，并将测量值周期性地（例如每隔10分钟）分发到由互联网服务器托管的外部中央平台5。因此，由每个调节盒所完成的测量值首先被传送到在本地PLC网络上其所连接的驱动盒，然后通过集成在驱动盒中的无线通信调制解调器（未示出）传送到所述外部平台5，并且允许分组电话类型（GPRS、3G或4G）和/或ADSL类型的连接6。以免不必要地使图过载，仅由虚线表示出了驱动盒32与平台5之间的连接6，以将其与由实线所示的PLC本地网络区分开。在所描绘的示例中，驱动盒31因此充当用于两个调节盒41和42的中继器，驱动盒32充当用于两个调节盒43和44的中继器，驱动盒33充当用于调节盒45的中继器。由所述外部平台5接收的测量值被存储，并可用户在任意时间以及从任何地方查看，所述用户能够通过任何已知手段连接到互联网上的他的用户空间。外部平台5就其而言能够通过无线连接向驱动盒分发指令，以命令在预定的期间切断链接到各个调节盒的电气设备的所有电气设备或一些电气设备的电力供应。该中断时间段通常小于半小时，使得受切断他们的电器（例如加热器或空调）中的全部电器或者一些电器影响的用户不会遇到任何的不便。通过调节盒来执行对电力供应的监测。
除了跟踪每个用户的消耗的可能性外，这个系统使得在集中式平台同时管理大数量的调节盒和驱动盒以及在城镇、州、地区或国家范围上特别是在消耗峰值期间更容易地调节一群用户所消耗的电功率而不需要电能供应商生产更多的电力成为可能。
现今，这种系统的各种驱动盒和调节盒都被配置为在PLC网络上以同一预定的标称传输功率传送。通过图1中的圆圈7示意性地描绘PLC通信区域。因此，在图1的示例中，电力线路1上的带宽已经被PLC网络的所有装置占用，即这里的九个装置，计数为四个驱动盒31至34和五个调节盒41至45。因此，在该PLC网络上增加后续设备或源自相邻PLC网络的设备的任何干扰存在使带宽饱和的风险。因此，在电力线上所用的带宽可能很快变得关键，有阻塞网络、使某些装置不再通信成功的风险。
本发明旨在优化使用本地低比特率的PLC网络的家庭自动化系统的带宽。
因此，本发明的主题是一种用于优化包括多个通信装置的家庭自动化系统的方法，所述多个通信装置能够经由本地低比特率的PLC网络在它们之间交换信息，其特征在于，所述方法包括：针对加入所述网络的每个新通信装置的PLC传输功率的调节阶段，所述调节阶段包括如下连续步骤：
a）安装所述新PLC装置，其PLC传输功率被设置为在所述PLC网络中预定的最大功率；
b）切断在所述PLC网络上的除了所述新装置外的正在进行中的任何通信；
c）对于所述PLC网络的必须与所述新装置成对的每个现有装置，测试与所述新装置的通信，并且，在通信故障的情况下，自动递增所述现有装置的所述PLC传输功率直到获得可以在所述现有装置和所述新装置之间初始化PLC通信的PLC传输功率的第一值；
d）在步骤c）结束时，只要在每个现有装置和所述新装置之间的所述通信是可以操作的，就自动降低所述新装置的PLC传输功率。
在所述PLC网络的至少一个通信装置遇到与所述网络装置或者与其成对的装置通信困难的情况下，该方法还可以包括所述PLC网络的所述至少一个通信装置的PLC传输功率的动态适应步骤。
该动态适应步骤例如包括：由所述通信装置检测到所述PLC信号质量的劣化，随后尝试通过自动地且逐渐地增加其PLC传输功率直到恢复正确的通信质量来恢复通信。作为一种变型或组合，该动态适应步骤包括：由所述通信装置检测到超过某阈值的通信故障率，随后要求逐渐自动降低与检测到问题的所述装置通信的所有装置的PLC传输功率以便优化相对于所述家庭自动化系统的拓扑要求所消耗的带宽。
本发明的主题也是一种用于实现前述优化方法的家庭自动化系统，其特征在于：所述系统包括所述低比特率的PLC网络的“主”设备，其能够向所述PLC网络的每个通信装置传送控制信号以便驱动所述PLC传输功率的调节阶段，并且尤其是触发步骤b）至d）。
根据所述系统的其它优选特征：
-所述“主”设备是能够本地安装于所述低比特率的PLC网络中的安装驱动盒，或是由互联网网络托管的中央外部平台，能够经由分组电话或ADSL类型的连接传送所述控制信号；
-所述安装驱动盒能够经由所述低比特率的PLC网络，或者与所述低比特率的PLC网络不同的链路，特别是ADSL、蜂窝、无线电或Wifi类型的链路来传送所述控制信号；
-所述低比特率的PLC网络的所述通信装置中的至少一个通信装置还能够检测到所述PLC信号质量的劣化，并自动增加其PLC传输功率来尝试恢复通信；
-所述低比特率的PLC网络的所述通信装置的至少一个通信装置还能够检测到超过某阈值的通信故障率，并且然后所述低比特率的PLC网络的所述“主”设备能够命令自动降低所述家庭自动化系统的所述装置中的所有装置或一些装置的PLC传输功率；
-所述PLC网络的所述通信装置是能够链接到一个或多个电气设备并实时测量这些电气设备所消耗的电压和电流的调节盒，以及能够传送指令以命令切断链接到各个调节盒的所述电气设备中的所有电气设备或一些电气设备的电力供应的驱动盒。
在下面结合附图的描述中，本发明的各个方面将变得明显，其中：
-图1，已在上文中描述，示意性地描绘了用于实时测量和调节多个电气设备的耗电量的已知系统的一部分的操作；
-图2示意性地描绘了根据本发明的原理修改的用于实时测量和调节多个电气设备的耗电量的已知系统的所述一部分的操作；
-图3说明了用于优化图2的系统部分的可能系统；
-图4描绘了根据本发明的方法实现的各个步骤。
在以下描述中，各图共同的元素采用相同的标号。
本发明从一般发现开始，根据这些一般发现，除了使用具有所谓的网状拓扑的PLC网络外，当网络的每个元素必须与该网络的所有元素连接时，采用不需要所有的装置必须应当在所述网络的整个范围上通信的网络拓扑是可能的。特别地，在图1给出的示例性树形拓扑中，调节盒41和42只需要与所述驱动盒31交换数据。同样地，调节盒43和44只需要与所述驱动盒32交换数据。最后，调节盒45只必须与所述驱动盒33交换数据。其它拓扑，例如星形拓扑、环形拓扑或任何更复杂的混合拓扑，可以用于将终端设备（以调节盒41至45的方式）以及中继设备（例如驱动盒31至34）一起分组在同一网络中。
因此，本发明提出了通过对构成网络的装置的传输功率（因此范围）的智能管理来优化使用低比特率的PLC家庭自动化网络的家庭自动化系统。
这特别是达到修改图1中所描绘的系统部分，以获得图2中所描绘的系统部分，其中五个圆圈71至75示意性地示出了调节盒41至45的受限于严格所需的各自范围，也就是说仅包含实际上必须与每个调节盒通信的驱动盒。通过这样做，在网络的任何点所使用的带宽无论如何都低于图1的情况，因此允许更大数量的装置连接到该网络。
根据本发明的PLC传输功率的智能管理必须能够在以下方面执行：
-一方面，至少在所述PLC网络中安装新组件时，这是由于这种安装可能会影响网络的拓扑以及两个装置之间的通信距离；
-另一方面，在系统的使用期间，优选定期地考虑任何容易影响该网络的情况（两个装置之间的通信不再通过、装置故障、装置移动、维护需要等情况）。
现在，将参照图3和图4描述系统的各种配置，所述系统允许实现根据本发明优化使用本地PLC低比特率网络的家庭自动化系统的方法。
图3说明了第一系统，其使得在安装新设备时优化图2的家庭自动化系统成为可能。在下文中将假设所述驱动盒31至34、和调节盒41至43以及调节盒45是已经存在于PLC网络中的装置，并且假设必须加入该网络的新装置是调节盒44。
根据本发明的优化方法将包含：提供所述调节盒44的PLC传输功率的调节阶段，以便获得恰好必需的范围以允许该调节盒44与必须与其成对的PLC网络的设备通信。在我们的示例中，调节盒44仅必须能够与驱动盒32交换数据。
因此，所述优化系统将使用PLC网络的“主”设备，其能够在精确的时间直接或经由中继装置（这里是驱动盒）访问网络的所有装置。在图3所描绘的系统中，该“主”设备是安装在PLC本地网络中的安装驱动盒8，并且能够向PLC网络中的所有装置传送PLC控制信号以便驱动用于调节所述新装置的功率的过程。
根据第一变型，安装驱动盒8可以访问PLC网络的所有装置，以使用与PLC网络不同的链路，例如ADSL、蜂窝（GPRS/3G/4G）、Wifi、无线电、或其它类型的链路，向它们传送控制信号。在所考虑的特定应用中，安装驱动盒8也可以经由ADSL/GPRS链路6与所述外部平台5通信。
现在将参照图4对根据本发明实现的用于加入PLC网络的新装置（在这里是指调节盒44）的调节阶段的各个步骤进行解释：
通过在所述PLC网络上安装新装置（步骤10）开始。然后，该新装置被设置为以等于最大值Pmax的预定功率Pn传送PLC信号，并且因此对PLC网络的所有其它装置潜在地是可见的。因此，安装驱动盒8将能够与该新装置进行通信，以便验证其适当的硬件安装。
然后，监测网络的其它构成装置以禁止在该网络上进行任何PLC通信（步骤20）。因此，安装驱动盒8向除了该新装置之外的该网络的所有装置传送第一控制信号，以命令它们切断可能正在进行中的任何PLC通信。
此后，在步骤30期间，安装驱动盒8将驱动必须与所述新装置成对的所有现有PLC网络装置的传输功率Pi的可能的自动增加直到获得与所述新装置可建立PLC通信的传输功率值Pi。因此，安装驱动盒8向每个必须与所述新装置成对的装置传送控制信号，以便在所述装置的传输功率Pi的当前值的基础上触发双向通信的测试。为此，安装驱动盒采用例如预先从外部中央平台5恢复的该网络的必须与新装置成对的所有装置的列表。
在双向通信测试期间，每个装置有可能必须增加其传输功率Pi，直到可以与所述新设备实际上建立了PLC通信。这通过图4的子步骤31至33示意性地描绘。一旦已建立连接，则可以通过某一因子M（通常为20%的量级）可选地增加传输功率Pi，以便在该网络的未来干扰的情况下给予足够余量（子步骤34）。应当注意的是，尽管功率Pi已经增加到其最大可能值，但通信故障指示在所测试的装置与新组件之间的物理连接问题，在适当的情况下这将必须由技术人员来处理。
在所考虑的示例中，因为仅驱动盒32必须与调节盒44成对，所以安装驱动盒8将必须仅命令单个双向通信测试。如由子步骤35示意性地示出的，在较大数量的现有装置必须与新装置成对的更一般的情况下，对每个装置重复步骤30。
在完成步骤30时，在步骤40期间，随后安装驱动盒8将驱动新装置的PLC传输功率Pn的自动降低，只要在每个现有装置与新装置之间的通信是可操作的就执行这个步骤。几种算法都是可能的。如图4的子步骤41和42所示，通过规律地递减来降低功率直到PLC通信不再通过尤其是可能的。作为一种变型，通过二分法来进行功率Pn的调节。在这里，可以通过某一因子M'（通常为20%的量级）可选地增加所找到的最小传输功率Pn，以便在该网络的未来干扰的情况下给予足够的余量（子步骤43）。在所考虑的示例中，如由图3的点线圆圈74所示，调节盒44的范围因此被调节到最小的必需限度。
在完成步骤40时，在步骤50中，将网络作为整体来测试是明智的，以便确保新组件不干扰该网络的完全平衡。因此，安装驱动盒8传送指令以用于PLC网络的构成装置中的每一个构成装置与所有它的对话者连续通信。对于“装置-会话者”对中的每一对“装置-会话者”，通信测试被上传到安装驱动盒8，因而安装驱动盒8可以验证或拒绝该安装。在两个装置之间的通信故障的情况下，安装驱动盒8可以决定设置所述装置中的一个装置或另一个装置的传输功率，直到整体正确地运行。当已经成功地进行了各种测试时，安装驱动盒8可再次传送授权网络上的标称操作的PLC通信作为一个整体的控制信号。
在之前描述的优化系统的实施例中，网络的“主”设备由安装驱动盒8组成，其必须本地安装。该“主”设备只在网络的拓扑改变的情况下（装置的添加或移除、故障的情况下维护等）是必需的。在剩余的时间中，它可以被移除或保持不活动。
尽管如此，仍然可以想到其它实施例：特别是，在这里作为示例所考虑的应用中，可以看出在中央平台5能够通过蜂窝电话（GPRS/3G）或ADSL类型的通信手段直接与充当中继器的驱动盒通信。因此，对于中央平台和“主”设备恰好构成单个实体是可能的，从而避免必须在本地安装专用设备。
如之前所示，可在系统的使用期间的任何时间有利地进行PLC传输功率的智能管理，以考虑容易影响网络的任何情况（两个装置之间的通信不再通过的情况，装置故障，维护需要等）。因此，在所述PLC网络的至少一个通信装置遇到与所述网络装置或者与其成对的装置通信困难的情况下，根据本发明的优化方法进一步包括PLC网络的所述至少一个通信装置的PLC传输功率的动态适应的步骤。例如，如果图2的驱动盒31检测到与其成对的调节盒41、42中的一个调节盒或另一个调节盒的通信信号质量劣化低于某阈值，则它可以尝试通过增加它自己的PLC传输功率来恢复通信。如果该尝试失败，则向中央平台上传警报，以便使技术人员介入。
可以选择的是，家庭自动化系统的组件中的所有组件或仅某些组件能够执行它们自己的传输功率的这种动态管理。
同样地，如果该驱动盒31检测到带宽开始饱和（信号仍然很高，但通信故障率超过某阈值），则它可以向“主”设备（安装驱动盒8（如果有）或中央平台5）上传警报，然后所述“主”设备将一个接一个地要求各个组件降低它们的传输功率，以便将传输功率尽可能接近地调节到所需要的，或者实际上通过改变调节盒与驱动盒之间的成对来进行网络拓扑的重塑。应当指出的是，可以基于网络的外因来修改该网络的使用条件（例如，在修改用户的电气设施的情况下）。
尽管已经以本发明应用于一种用于实时测量和调节电气设备的系统的方式描述了本发明，但是将容易理解的是，它可适用于包括能够在本地PLC网络中交换数据的多个设备的任何家庭自动化系统，假定这些系统不需要根据完全的网状网来布置。

Claims (12)

1.一种用于优化包括多个通信装置（31-34，41-45）的家庭自动化系统的方法，所述多个通信装置能够经由本地低比特率的PLC网络（1）在它们之间交换信息，其特征在于：所述方法包括针对加入所述网络的每个新通信装置的PLC传输功率的调节阶段，所述调节阶段包括以下连续步骤：
a）安装所述新装置（44）（10），其PLC传输功率被设置为在所述PLC网络中预定的最大功率；
b）切断所述PLC网络上除了所述新装置之外的正在进行中的任何通信（20）；
c）对于所述PLC网络的必须与所述新装置成对的每个现有装置（32），测试与所述新装置（44）的通信，并且，在通信故障的情况下，自动递增所述现有装置的所述PLC传输功率直到获得可以在所述现有装置和所述新装置之间初始化PLC通信的PLC传输功率的第一值（30）；
d）在步骤c）完成时，只要在每个现有装置和所述新装置之间的所述通信是可操作的，就自动降低所述新装置（44）的所述PLC传输功率（40）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述PLC网络的至少一个通信装置遇到与所述网络装置或者与其成对的装置通信困难的情况下，所述方法还包括所述PLC网络的所述至少一个通信装置的所述PLC传输功率的动态适应步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述动态适应步骤包括：所述通信装置检测到所述PLC信号质量的劣化，随后通过自动提高其PLC传输功率来尝试恢复通信。
4.根据权利要求2或3的任一项所述的方法，其特征在于：所述动态适应步骤包括：所述通信装置检测到超过某阈值的通信故障率，随后自动降低所述家庭自动化系统的装置中的一些装置或所有装置的所述PLC传输功率。
5.一种用于实现根据权利要求1至4所述的优化方法的家庭自动化系统，其特征在于：所述系统包括所述低比特率的PLC网络的“主”设备（5；8），所述“主”设备能够向所述PLC网络的每个通信装置传送控制信号，以便驱动所述PLC传输功率的所述调节阶段，并且特别是触发步骤b）至d）。
6.根据权利要求5所述的家庭自动化系统，其特征在于：所述“主”设备是能够本地安装于所述低比特率的PLC网络中的安装驱动盒（8）。
7.根据权利要求6所述的家庭自动化系统，其特征在于：所述安装驱动盒（8）能够经由所述低比特率的PLC网络传送所述控制信号。
8.根据权利要求6所述的家庭自动化系统，其特征在于：所述安装驱动盒（8）能够经由与所述低比特率的PLC网络不同的链路，特别是ADSL、蜂窝、无线电或Wifi类型的链路，来传送所述控制信号。
9.根据权利要求5所述的家庭自动化系统，其特征在于：所述“主”设备是由互联网网络托管的中央外部平台（5），能够经由分组电话或ADSL类型的连接（6）来传送所述控制信号。
10.根据权利要求5至9中的任一项所述的家用自动化系统，其特征在于：所述低比特率的PLC网络的所述通信装置（31-34，41-45）中的至少一个通信装置还能够检测到所述PLC信号质量的劣化，并自动增加其PLC传输功率来尝试恢复通信。
11.根据权利要求5至10中的任一项所述的家用自动化系统，其特征在于：所述低比特率的PLC网络的所述通信装置（31-34，41-45）中的至少一个通信装置还能够检测到超过某阈值的通信故障率，并且在于：所述低比特率的PLC网络的所述“主”设备（5；8）然后能够命令自动降低所述家庭自动化系统的所述装置中的一些装置或所有装置的所述PLC传输功率。
12.根据权利要求5至11中的任一项所述的家用自动化系统，其特征在于：所述PLC网络的所述通信装置是能够链接到一个或多个电气设备并且能够实时测量这些电气设备所消耗的电压和电流的调节盒（41至45），以及能够传送指令以命令中断链接到所述各调节盒的所述电气设备中的所有电气设备或一些电气设备的电力供应的驱动盒（31-34）。
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