CN107148806A - 用于通过使用电力协商协议而经由电力线控制负载设备的装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出使用电力递送接口的电力协商连接（例如，VBUS信道）以用于向照明设备传送或者从照明设备接收控制命令或者相应地状态信息。电力协商连接可以用作完全独立于数据连接的通信信道。电力协商连接例如使用与数据连接不同的协议和不同的导线。诸如调光水平或颜色之类的控制命令，可以被编码在相关电力协商协议的销售商限定的消息中。

Description

用于通过使用电力协商协议而经由电力线控制负载设备的装 置、方法和系统

技术领域

本发明涉及用于控制负载设备的装置、方法和系统的领域，该负载设备诸如照明设备或传感器设备。

背景技术

US2013/0117581A1公开了一种方法，其中第一设备使用多个导体之中的第一导体集合向第二设备提供第一电力。响应于接收到通知，第一设备使用多个导体之中的第一和第二导体集合而向第二设备提供第二电力。通知指示可以使用多个导体之中的第一导体集合和第二导体集合为第二设备供应第二电力，并且还可以指定用于使得能够实现第二电力的配置。用于在电力协商的上下文中的电力递送和数据传输的“混合线”如下文被描述和使用。在电力协商协议的开始处，通过使用第一导体集合的电力供应向负载设备提供初始电力。电力协商协议可以在首次耦合负载设备和电力供应时发起，或者在处于断电状态中之后的开启时发起。一旦负载设备接收到该初始电力，该负载设备就可以使用其经由第一导体集合的连接而向电力供应发送通知。该通知可以指示可以使用第二导体集合为负载设备供应第二电力。电力供应然后可以使用第一和第二导体集合二者，向负载设备提供第二电力。

发明内容

本发明提供了如在权利要求1中要求保护的装置、如在权利要求6中要求保护的负载设备、如在权利要求8中要求保护的电力供应设备、如在权利要求9中要求保护的系统、如在权利要求12中要求保护的方法以及如在权利要求13中要求保护的计算机程序产品。

根据本发明的第一方面，根据本发明的用于控制负载设备的装置包括：

- 控制单元，适配为使用电力协商协议信令以便与负载设备交换控制和状态信息中的至少一个；以及

- 收发器，用于通过用于向所述负载设备供应电力的电力线而向负载设备传送控制或状态信息或者从该负载设备接收该控制或状态信息。

控制单元配置为使用USB电力递送电力协商协议来交换控制或状态信息。

本发明是基于以下考虑。

通用串行总线（USB）是在20世纪90年代中期开发的工业标准，其限定使用在总线中以用于计算机和电子设备之间的连接、通信和电力供应的线缆、连接器和通信协议。USB设计为标准化计算机外围设备（包括键盘、指向设备、数字相机、打印机、便携式媒体播放器、盘驱动器和网络适配器）到个人计算机的连接，以便进行通信和供应电子电力二者。USB已经在诸如智能电话、PDA和视频游戏操控台之类的其它设备上变得无处不在。USB已经有效地替换各种早期接口（诸如串行和并行端口，以及用于便携式设备的分离电力充电器）。

USB的设计架构在其拓扑上是非对称的，其包括主机、众多下游USB端口、以及连接在分层式星形拓扑中的多个外围设备。USB主机可以实现多个主机控制器，并且每一个主机控制器可以提供一个或多个USB端口。USB设备通过集线器而串联链接。内置到主机控制器中的一个集线器是根集线器。

USB已经从能够供应有限电力的数据接口演变成具有数据接口的主要电力提供者。现在，许多设备从包含在膝上型电脑、汽车、航空器或甚至小型壁上插座中的USB端口充电或获得其电力。对于诸如手机、MP3播放器和其它手持式设备之类的许多小型设备，USB已经是普遍存在的电力插座。用户需要USB不仅在数据方面满足其要求而且还向其设备简单地提供电力或充电，这通常不需要加载驱动器，以便施行“传统”USB功能。

进一步的细节可以从http://www.usb.org/developers/powerdelivery/在线可获得的“USB Power Delivery”，网站，15.11.2013来搜集，以及从http://www.usb.org在线可获得的Brad Saunders，USB 3.0 Promoter Group：USB 3.0 Promoter Group AnnouncesAvailability of USB Power Delivery Specification；HILLSBORO，Ore. – 2012年7月18日来搜集。

USB供电的照明设备（例如，照明器）或者其它类型的负载设备可以配置为仅从USB端口获得电力。在一些情况下，照明器或者线缆上可以安装有手动操作的开关。然而，USB线缆的长度有限。更具体地，USB规范将线缆运行长度限制为用于USB 2.0高速规范的5m或者用于USB 1.1低速设备的3m。本质上，这意味着不大可能将若干USB扩展线缆“菊链”（daisychain）在一起并且使它们运行超过5m。大多数USB线缆落在USB 2.0高速规范之下并且具有5m限制。为了超出这些限制，要求集线器、主动扩展线缆或以太网产品之上的USB。

即将到来的趋势是使用USB以用于许多消费者设备的直流（DC）供应。因此，已经开发新的标准USB-PD（USB电力递送）以便支持要从USB连接的一侧向另一侧所供应的高达100W电力并且仅在电力供应线（V_BUS）之上提供协商能力。

因而，由于根据本发明可以使用USB-PD电力协商协议经由电力线，转移控制和状态信息，所以不要求分离的数据连接以用于与负载设备交换命令或状态信息。因此负载设备不需要用于具体数据连接（例如，USB连接）的能力，使得连接线缆（例如，USB线缆）可以减少为（多个）电力供应导线，例如两个USB线和引脚。作为结果，典型的线缆长度限制（例如，USB线缆的那些）可以被极大地克服。

此外，用于交换控制或状态信息的USB-PD电力协商协议的使用提供了以下优点：已经在USB-PD设备中提供的调制解调器电路和/或功能可以用于实现所提出的控制和状态信令。

在一个实施例中，装置适配为根据USB电力递送电力协商协议在销售商限定的消息中，编码控制和/或状态信息。优选地，控制单元适配为根据USB电力递送电力协商协议在销售商限定的消息中，编码控制和/或状态信息。

在一个实施例中，控制单元适配为使用USB-PD协商协议，以仅用于向负载设备提供控制信道，而根本就不运用实际USB-PD协商。单对线缆可以用来实现这种控制信道。

根据可以与以上实施例中的任一个相组合的实施例，所提出的信令用于从照明控制系统转移控制命令或状态分组或向该照明控制系统转移该控制命令或状态分组。由此，所提出的信令可以用于控制照明设备而不要求任何附加控制线。照明控制系统可以例如由一个或多个中央照明控制计算设备实现。在操作中，这样的照明控制计算设备被连接以用于与一个或多个照明设备（其形成负载设备）进行通信。照明控制系统服务于包括作为负载设备的多个照明设备的照明系统的总体控制。在变型中，该实施例的一个装置提供作为照明控制系统的部分，并且该实施例的另一个装置提供作为负载设备的部分。因而，实施例提出了使用USB-PD以用于在照明控制系统与照明系统中的至少一个负载设备之间的交换中的控制命令或状态信息的交换。

在该实施例的具体示例中，装置适配为通过使用UPnP照明控制协议从照明控制系统接收控制命令或状态分组或者向该照明控制系统传送该控制命令或状态分组。由此，所提出的使用USB-PD的电力线信令可以有利地在UPnP系统中应用。

根据可以与以上实施例中的任一个相组合的另外的实施例，装置适配为向用户或安装者发信号通知（signal）信息，该信息指示通过电力线成功建立的到负载设备的通信信道。由此，可以容易地确定，负载设备支持所提出的功能并且该连接有效。

本发明的第二方面由包括第一方面或其实施例之一的装置的负载设备而形成。

在操作中，负载设备有利地使用用于利用电力供应设备或者利用照明控制系统接收和传送控制和状态信息的装置，所述电力供应设备还包括根据本发明的第一方面或其任何实施例的装置，所述照明控制系统还具有根据本发明的第一方面或其任何实施例的装置。

本发明的第三方面由包括本发明的第一方面或其任何实施例的装置的电力供应设备而形成。

在操作中，电力供应设备有利地使用用于利用负载设备或者利用照明控制系统接收和传送控制和状态信息的装置，所述负载设备还包括根据本发明的第一方面或其任何实施例的装置，所述照明控制系统还具有根据本发明的第一方面或其任何实施例的装置。在一个实施例中，电力供应设备还形成照明控制系统。特别地，这样的实施例的电力供应设备包括一个或多个中央照明控制计算设备。在另一个实施例中，照明控制系统是与供应设备分离的设备并且包括第一方面或其实施例之一的装置。

根据可以与以上实施例中的任一个相组合的实施例，电力供应设备包括具有电力输入和数据端口的USB-PD电力供应单元。因而，例如可以从电力供应设备向负载设备供应外部控制数据，并且可以经由数据端口输出来自负载设备的状态数据。

根据本发明的第四方面，提供了一种集线器设备。集线器设备可以与以上实施例中的任一个相组合。集线器设备具有来自市电的电力供应并且配置为支持与外部设备（诸如，负载设备或照明控制系统）的数据连接，从而支持通用即插即用（UPnP）。集线器设备适配为在销售商特定照明代码和照明相关UPnP数据包之间中继消息。本发明实施例的第三方面的集线器允许将USB供电照明设备连接到UPnP网络。

在特定实施例中，集线器设备配置为使用通用即插即用（UPnP）协议支持数据连接。集线器设备还具有根据本发明的第一方面的装置以用于根据USB-PD协议在照明相关UPnP数据包和销售商特定消息之间中继消息。UPnP数据包可以使用USB连接或者支持UPnP的任何其它数据连接来接收或传送。优选地销售商特定消息输运照明代码以用于控制照明设备的操作，或者用于提供关于照明设备的操作状态的状态信息。

本发明的第五方面由一种系统形成，该系统包括第三方面或其实施例之一的电力供应设备，并且还包括本发明的第二方面或其实施例之一的至少一个负载设备，该负载设备连接到电力供应设备。

本发明的第六方面由一种控制负载设备的方法形成。所述方法包括：

- 使用电力协商协议信令，以便与负载设备交换控制和状态信息中的至少一个；以及

- 通过用于向负载设备供应电力的电力线传送或接收控制或状态信息，其中

- 用于交换控制或状态信息的电力协商协议是USB电力递送协议。

本发明的第七方面由一种计算机程序产品形成，该计算机程序产品包括代码部件以用于在计算设备上运行时产生第六方面的方法的步骤。

应当理解到，权利要求1的装置、权利要求6的负载设备、权利要求8的电力供应设备、权利要求9的系统、权利要求12的方法和权利要求13的计算机程序产品具有类似和/或同样的优选实施例，特别地如在从属权利要求中限定的优选实施例。

应当理解到，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或以上实施例与相应独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其它方面将从在此之后描述的实施例显而易见并且将参照在此之后描述的实施例进行阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示出了由USB连接供电的照明设备；

图2示出了USB电力递送通信堆栈；以及

图3示出了根据本发明的实施例的控制系统的示意性框图。

具体实施方式

以下实施例是针对一种用于向照明设备传送控制命令的USB-PD接口的电力协商连接（即，V_BUS信道）。该电力协商连接是完全独立于数据连接的通信信道。其例如使用与数据连接不同的协议和不同的导线。

图1示出了其中台灯由USB供电的示例性电力控制系统。USB供电的台灯包括安装在台灯的头部10中的数个发光二极管（LED）、具有末端处的USB连接器11的线缆、以及潜在地具有手动操作开关12的驱动器盒。

常规地，为了从USB侧控制台灯，需要添加USB枚举型即插即用控制系统，从而还要求进行连接的数据线。

利用USB-PD标准的第一有益特征，也就是说，在电力供应有效并且电流流动时还可获得电力协商的特征。这不同于诸如以太网供电（PoE）之类的其它系统，其中协商仅对于接通供应电压之前的新连接（fresh connection）可能。第二有益特征在于，协商主要不是使用USB数据连接信道。然而，已经开发用于电力递送的新连接信道，该连接信道通过在USB连接的两侧上安装电力线调制解调器而使用电力导体以用于并行数据连接。

在实施例中，建议将电力协商连接附加地用于控制USB供电负载或终端设备。这是有益的，因为电力协商连接完全独立于USB数据连接和相关处理。此外，要求具有仅两个导线的布线以用于电力供应和控制，从而留下USB连接的数据引脚完全开放。

因而，使用USB-PD的电力协商信道以用于负载设备和主机之间的控制信令减少了所要求的线缆，最大利用所安装的铜，并且允许增加的线缆长度。

此外，因为对于USB-PD而言用于新协商信道的调制解调器设备不可缺少，所以预期的是，相关标准化芯片将在未来以低成本可获得。协商信道可以用于经由电力供应线向受控制的负载设备传送制造商特定代码。这可以经由专用制造商相关代码实现。

对于USB-PD，当前的标准USB电力递送规范修订1.2在www.usb.org在线可获得，其描述了使用专用通信信道的协商技术。

图2示出了电力供应设备20和负载设备30之间的USB-PD通信堆栈，其中电力供应设备20处的该信道的物理层（PHY）功能204和负载设备30处的该信道的物理层功能304负责跨电力线40（即，V_BUS）发送和接收消息。物理层（PHY）功能204,304两者包括收发器，该收发器在电力供应线40上叠加信号并且负责管理电力供应线40上的数据。除其它之外，这包括避免电力供应线40上的冲突并且在发生这样的冲突时从其进行恢复。它们还使用循环冗余码校验（CRC）检测消息中的错误。

通信堆栈的更高层处的两侧上的附加功能是相应的协议功能203,303、策略引擎功能202,302、以及设备策略管理器功能201,301。信息在一个通信端处在向下方向上成功地转移和转换通过通信堆栈的所有层，并且然后经由电力供应线40到达另一个通信端，其中该信息在向上方向上成功地转移和转换通过通信堆栈的所有层，并且反之亦然。由此，电力供应设备20处的设备策略管理器201可以与负载设备30处的设备策略管理器301交换信息。

USB-PD规范允许通过V_BUS信道递送数据消息以用于电力协商、用于执行自测试、又用于转移销售商特定代码。

根据实施例，用于USB供电负载设备的控制命令（诸如在照明设备的情况下的调光水平和颜色或者涉及负载设备的功能的其它命令），可以被编码在销售商限定的消息中。这具有优于使用数据连接以用于向照明设备递送这样的命令的若干益处。负载设备不需要用于USB数据连接和USB电力供应的能力，并且控制连接可以简化为仅两个导线和引脚。作为结果，USB的典型线缆长度限制可以被极大地克服。

USB-PD使用调制有信息的23.2MHz的载波以避免来自电力供应的任何噪声。使用连续相频移键控（FSK）来编码控制命令或状态信息的比特，以用于在V_BUS信道上传送。所使用的比特率可以在300Kbps的量级上。当然，本发明不限于这种类型的调制、载波频率或数据率。

USB-PD V.1.2规范限定了控制消息和数据消息，该控制消息和数据消息可以在本实施例中使用，以在电力供应侧和供电负载侧之间交换控制和状态信息。

可以使用三种类型的数据消息来在一对端口伙伴之间交换信息并且长度范围从48到240位。用于暴露能力和协商电力的那些、用于内置自测试（BIST）的那些、以及是销售商限定并且可以发信号通知本发明的附加控制和状态信息的那些。

已经限定了一个销售商限定消息（VDM）代码。建议用于转移针对负载设备的控制和/或状态信息的VDM包括报头、销售商ID和一个或多个“对象”（用于第一对象的16位、用于每一个随后对象的32位）。为了确保VDM的销售商唯一性，所有VDM应当包含第一VDM对象中的USB销售商身份（ID）。VDM包括至少一个数据对象、第一VDM对象，并且可以包含高达最大六个附加VDM对象。如果负载设备处的端口接收到其不知晓的VDM，则该端口可以简单地忽略该消息。

在照明设备或灯的情况下，销售商限定的代码可以提供用于例如灯状态、类型、可用颜色、温度、寿命、效率等。此外，控制消息可以提供用于控制照明设备，诸如例如设置通量水平、最大功率百分比（调光水平）、色温颜色等。

因为协商可以通过仅使用电力接触而实现，所以这样的所提出的照明设备可以仅通过单对线缆连接，从而不会浪费铜以及针对数据连接的隔离。

图3示出了根据第一实施例的控制系统的示意性框图。在USB电力供应端（例如，USB主机或集线器）处，电力供应单元（P）56适配为将供应至电力输入终端PI的交流AC电力输入转换成所要求的DC电力。经由电容C和隔离电抗L向电力供应线（V_BUS）40（其可以可选地通过接地同轴屏蔽44而屏蔽）与第二地（GND）线42一起供应DC电力。在USB线缆的另一端处，经由用于抑制不期望的AC分量的另一个电容C和隔离电抗C向负载设备（L）66供应DC电力。

根据第一实施例，在电力供应侧处提供数据端口DP以便输入或输出经由电力供应线40交换的控制或状态数据。为了实现此，提供控制单元50以及包括传送器部分（TX）52和接收器部分（RX）54的收发器，以便基于经由数据端口DP所供应的输入数据来生成以上提及的销售商限定的消息（VDM）并且经由电力供应线40传送或者相应地接收VDM。传送器部分52适配为根据USB-PD规范对VDM进行调制，并且接收器部分54适配为根据USB-PD规范对所接收的VDM进行解调。经调制的VDM然后经由AC耦合电容C_AC被耦合到电力供应线40。传送器部分52的输出处的电阻R服务于使传送器部分52的输出电阻适配于USB线缆的电阻。

具有控制单元60、包括传送器部分62和接收器部分64的收发器、电阻器R和AC耦合电容器C_AC的类似配置在负载设备66处提供。因为这些组件以与电力供应侧处的对应组件相同的方式运行，所以此处省去详细描述。附加地，控制单元60可以耦合到负载设备66以便基于所接收的控制命令来控制负载设备66或者检测要朝向电力供应设备发信号通知的状态。

由此，经由耦合到电力供应线40的经调制的VDM所转发的状态和控制信息可以在电力供应设备和负载设备之间被交换。作为示例，电力供应设备可以向负载设备传送控制消息以便控制负载设备的功能，并且负载设备可以向电力供应设备传送状态信息以便指示预确定的状态。作为这样的状态信息的示例，可以使用指示器向安装者或用户发信号通知的是，已经使用USB-PD协商信道建立到照明设备的连接以用于控制。

在以上第一实施例中，用于经由电力供应线V_BUS的电力协商而提供的USB-PD协商调制解调器可以仅“误用”于经由单对线缆连接的负载设备的控制信道，而根本就没有利用USB-PD协商。这可能非常有益，因为假设相关芯片以低成本在高容量下可获得。受控制的负载设备66因而仅与两个极子连接并且仍然是可控制的。

根据第二实施例，所提出的经由USB电力供应线的消息转移是用于中继UPnP照明控制消息（例如来自USB数据信道）。在UPnP联网中，每一个设备具有动态主机配置协议（DHCP）客户端并且在设备首次连接到网络时搜索DHCP服务器。如果可获得DHCP服务器，即，网络被管理，则设备使用分配给它的IP地址。如果不可获得DHCP服务器，即，网络不受管理并且设备使用自动IP以获得地址。为了控制UPnP设备，控制点调用设备服务上的动作。为了完成此，控制点向用于服务的控制URL发送适合的控制消息。作为响应，服务从该动作返回任何结果或错误。动作的效果（如果有的话）还可以通过描述服务的运行时间状态的变量中的改变来建模。当这些状态变量改变时，向所有感兴趣的控制点发布事件。

作为第二实施例的附加构建块，提出了一种照明级USB-PD集线器，该集线器具有来自市电的电力供应以及支持UPnP的USB或任何其它数据连接。集线器在销售商特定USB-PD照明代码和照明相关UPnP数据包之间中继所有消息。相关消息由在http://upnp.org在线可获得的“Lighting ControlV 1.0”中UPnP论坛所发布。

使用所提出的用于UPnP的信令具有特殊含义，因为使用在USB连接上的典型协议与UPnP相关。但是，还可以以相同方式支持其它照明控制语言或协议（除其它之外：XCLIP、DALI、KNX等）。

作为总结，已经提出使用电力递送接口的电力协商连接（例如，V_BUS信道）以用于向负载设备传送或者从负载设备接收控制命令或者相应地状态信息。电力协商连接可以用作完全独立于数据连接的通信信道。电力协商连接例如使用与数据连接不同的协议和不同的导线。诸如调光水平或颜色之类的控制命令，可以被编码在相关电力协商协议的销售商限定的消息中。

本发明不受约束于以上实施例并且不限于USB连接。本发明可以使用在其中经由电力供应线提供电力协商功能的任何接口或连接技术中，以及用于任何种类的负载设备，并且更具体地，用于照明器内部的（多个）LED模块的任何种类的室内照明和/或连接或者用于任何种类的传感器设备。

本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。

所述实施例的任何处理和/或控制和/或信令功能可以实现为计算机程序的程序代码部件和/或实现为专用硬件。计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，该介质诸如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分而供应的光学存储介质或固态介质，但是该介质也可以以诸如经由互联网或者其它有线或无线电信系统之类的其它形式分布。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

单个处理器或其它单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (13)

1.一种用于控制负载设备（66）的装置，所述装置包括：

- 控制单元（50），被适配为使用电力协商协议信令以便与负载设备（66）交换控制和状态信息中的至少一个；以及

- 收发器（52,54,62,64），其用于通过用于向所述负载设备（66）供应电力的电力线而向负载设备（66）传送或者从负载设备（66）接收控制或状态信息，

- 其中控制单元（50）被适配为使用USB电力递送电力协商协议来交换控制或状态信息。

2.根据权利要求1所述的装置，被适配为根据USB电力递送电力协商协议在销售商限定的消息中编码控制和/或状态信息。

3.根据权利要求1所述的装置，被适配为从照明控制系统接收或者向照明控制系统传送控制命令或状态分组。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述装置被配置为通过使用UPnP照明控制协议从照明控制系统接收或者向照明控制系统传送控制命令或状态信息。

5.根据权利要求1所述的装置，被适配为向安装者或用户发信号通知信息，所述信息指示通过到负载设备（60）的电力线成功建立的通信信道。

6.一种负载设备（66），包括根据权利要求1所述的装置。

7.权利要求6所述的负载设备，其中所述负载设备（60）是照明设备（10）或传感器设备。

8.一种电力供应设备，包括权利要求1所述的装置。

9.一种系统，包括权利要求8所述的电力供应设备以及连接到电力供应设备的权利要求6所述的至少一个负载设备。

10.权利要求9所述的系统，其中电力供应设备包括具有电力输入（PI）和数据端口（DP）的USB-PD电力供应单元。

11.权利要求9所述的系统，还包括具有来自市电的电力供应和支持UPnP的数据连接的集线器设备，其中该集线器设备被适配为在销售商特定照明代码和照明相关UPnP数据包之间中继消息。

12.一种控制负载设备（60）的方法，所述方法包括：

- 使用电力协商协议信令，以便与负载设备（60）交换控制和状态信息中的至少一个；以及

- 通过用于向负载设备（60）供应电力的电力线，传送或接收控制或状态信息，其中

- 用于交换控制或状态信息的电力协商协议是USB电力递送协议。

13.一种计算机程序产品，包括代码部件以用于在运行于计算设备上时产生权利要求12所述的方法的步骤。