CN110932760B - 一种电力线间歇通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力线间歇通信系统，包含一个主机和多个从机构成的主从式通信系统，在主机控制下通过电力线与从机通信，主机先发送由周波序列编码信号构成的从机地址和指令，从机执行相应操作并通过电力线与从机或主机通信，系统结构简单通信可靠性。

Description

一种电力线间歇通信系统

技术领域：

本发明涉及一种电力线间歇通信系统，包含一个主机和多个从机构成的主从式通信系统，在主机控制下通过电力线与从机通信，主机先发送由周波序列编码信号构成的从机地址和指令，从机执行相应操作并通过电力线与从机或主机通信，系统结构简单通信可靠性。

背景技术：

当前电力线通信主要指电力线载波通信和双向工频通信，但是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器台区内传送，并且只能在单相电力线上传输。实际应用中，当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。

双向工频通信TWACS利用在工频电压基波过零区加入调制信号，用这一区域的电压或电流波形的畸变信号携带信息。其信号检测计算复杂、严谨，干扰严重，影响检测结果，很难广泛应用。

上述电力线通信系统结构复杂造价昂贵。

申请人和发明人在之前申请的专利中涉及了电力线半波通信等电力线通信技术。

发明内容：

一种电力线间歇通信系统，包含一个主机和多个从机，主机和各从机接于专用的同一单相的电力线上，在主机控制下通过电力线通信。其特征是主机发送由周波通断序列编码信号构成的从机地址和指令，或从机地址和允许该从机发送信息的从机通信时间的信号，从机执行相应操作或通过电力线发送给主机或从机信息。从机的电源模块采用超级电容作断电储能供电，在主机发送指令期间由主机单片机模块控制市电电源的通断，发送由周波通断序列编码表达的从机地址和指令。

在电力线市电电源断电期间各从机由超级电容储能供电。主机和从机在周波检测模块和单片机模块控制下剔除干扰信号，检测真实周波信号。从机在检测周波后接收主机发送的指令或向主机或从机发送信息或执行相应的操作。

主机和各从机的周波检测模块各包含一个周波过零检测电路和二个电压比较器，所述二个电压比较器一个为正电压比较器，另一个为负电压比较器。过零检测电路和二个电压比较器均采用滞回电压比较器组成。

在所述同一单相的电力线上的始端即主机一端串接一个通信开关，由主机控制该电力线接入或断开市电电网。当主机发送地址和指令时按地址和指令信号结构控制所述市电电网接入或断开。

主机在所述通信开关的市电电源一侧，从机在所述通信开关的市电受控一侧的电力线上，主机和从机分别从通信开关所述相应一侧的电力线路上经电阻降压后分三路，其中两路分别接于过零检测电路的信号输入端和正电压比较器的信号输入端，另一路经反相器接于负电压比较器的信号输入端。

在所述市电受控一侧主机和各从机与电力线之间设置一个通信电子开关，通信开关和通信电子开关均由双向可控硅构成。

主机发送的从机通信时间信号：主机发送从机通信时间的信号，仅在其允许通信期间主机关断通信开关，各从机接通通信电子开关，在主机的指令控制下各从机依序通信，通信时间结束主机发送通信结束指令，各从机关断通信电子开关，主机接通通信开关。

主机的单片机模块和通信电子开关控制其单片机模块的串行口经信号输入电路在通信期间接入电力线否则断开电力线；从机的单片机模块和通信电子开关控制其单片机模块的串行口经信号输出入电路在通信期间接入电力线否则断开电力线。

当主机发送从机通信时间的信号时，主机断开所述电力线的市电电网，在设定通信时间内所述电力线作为临时通信线，主机和从机接通其通信电子开关，从而接通其信号输出入电路和串行口，从机由超级电容储能供电，实现从机经所述临时通信线向主机或从机发送信息的常规通信方式，通信时间结束断开通信电子开关，电力线接入市电电网。

主机发送的从机地址和指令：电力网周波正半周输入到所述正电压比较器时其比较器输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间对于电力网周波是一固定值称为正电平保持时间。同样，电力网周波负半周经过反相器转换后输入到所述负电压比较器时，其输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间对于电力网周波是一固定值称为负电平保持时间。

在主机向从机发送一帧指令或信息时，当主机和从机的过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间如果在周波半波时间平均值的设置误差范围内，同时检测到负电压比较器的高电平保持时间在负电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的负半周；同样，当过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平，然后又从低电平跳变为高电平，其低电平保持时间如果在周波半波时间平均值的设置误差范围内，同时检测到正电压比较器的高电平保持时间在正电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的正半周。

所述周波半波时间平均值、正电平保持时间的平均值和负电平保持时间的平均值，先以计算值为基础保存在相应的存储器中，再以测量的平均值替换之，每工作日测量并替换一次。由主机在不发送指令时检测到的一组连续真实的周波半波时间、正电平保持时间和负电平保持时间，共检测到10组分别取其平均值替换存储器中的相应平均值，并在替换后发送给各从机保存。主机和从机所述电平保持时间的设置误差范围根据电力网允许周波时间误差范围，按比例由主机统一设置。

主机发送地址和指令的信号帧格式：当系统电源电压为5V，截止工作电压取为4.2V，超级电容储能维持100mA电流，维持时间20S，则超级电容取2.5F。所述20S将包含1000个周波的正半周和1000个周波的负半周。

这里将每个正半周所表示的数值大小设为1，每个负半周所表示的数值大小设为2。每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波为空，“为空”即不发送该周波，作为一个十六进制字符编码的结束标记。一个十六进制字符或控制位编码中所述的周波为发送的周波其余不参与编码的周波正半周或负半周为不发送，如果占用周波不为整数以编码末尾空的周波正半周或负半周补上，数据位用十六进制字符表示，十六进制字符的编码如下：

下述数据位中的周波序号是从数据位的第1周波开始计数。

数据位：第1周波的正半周加第2周波的负半周为字符0；第1周波的正半周表示1；第1周波的负半周为字符2；第1周波为字符3；第1周波加第2周波的正半周为字符4；第1周波的负半周加第2周波为字符5；第1周波和第2周波为字符6；第1周波和第2周波和第3周波的正半周为字符7；第1周波的负半周和第2周波和第3周波为字符8；第1周波和第2周波和第3周波为字符9；第1、2、3周波和第4周波的正半周为字符A；第1周波的负半周和第2、3、4周波为字符B；第1、2、3、4周波为字符C；第1、2、3、4周波和第5周波的正半周表示为字符D；第1周波的负半周和第2、3、4、5周波为字符E；第1、2、3、4、5周波为字符F。

信号帧的第1周波的正半周和第2周波的正半周表示指令帧起始位；信号帧的第1周波的负半周和第2周波的负半周表示信息帧起始位；前1周波为空并且和下1周波负半周构成停止位。一个十六进制字符包括结束标记最多占用6个周波，另外，起始位和停止位各占用2个周波。这里设定第一个十六进制字符表示从机地址，“0”表示不指定从机地址。信号帧中数据位可由一个或几个十六进制字符来表达各种代码、汉字、简单图形等。

主机与从机信号的收发：主机包含电源模块、通信开关、通信电子开关、单片机模块、周波检测模块；从机包含电源模块、周波检测模块、单片机模块、通信电子开关。所述从机电源模块输出端并联一个2.5F超级电容作断电储能。主机和从机在超级电容储能的允许供电维持时间即20S内通信结束。

所述过零检测电路和电压比较器中均包含滤波电路，其基准电压由稳压电路提供。其中过零检测电路基准电压设置为5mV—15mV；正电压比较器和负电压比较器设置的基准电压相同，设置在其相应周波的正或负电压30V—50V处；由周波电压经电阻降压后控制电压比较器输出端的电平跳变。

主机和从机均设置由过零检测电路检测的周波个数计数器，两次相邻的过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平为一个周波，在主机发送由周波通断序列编码的信号时，主机和从机对每一信号帧的周波进行计数。

所述主机和从机的周波检测模块由过零检测电路、正电压比较器和负电压比较器组成。当主机向从机发送周波通断序列编码信号前先断开电力线的市电电源数个周波，从机检测不到周波信号时，提示从机准备接收主机发送的信号。主机将各种周波通断序列信号对指令和信息进行编码，以信号帧方式向从机发送，这时，主机控制的通信开关作为信号发送器，其信号发送是在主机的单片机模块和周波检测模块控制下实现的。

主机发送周波的正半周或负半周信号，是在周波检测模块检测到一个真实半周波时间后的过零点发送。当过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平之后所接通周波的一个正半周市电电源，为发送周波的一个正半周；当过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平之后所接通周波的一个负半周市电电源，为发送周波的一个负半周。发送时主机周波检测模块同时检测所发送周波信号的正电平保持时间或负电平保持时间，如果超差则重发。

从机通过周波检测模块接收周波信号并剔除干扰，将接收到信号帧的周波正负半周信号用相应标记；及其周波正负半周对应的周波计数值一块保存在存储器中，解码后执行相应指令或与主机或从机通信。

附图说明：

图1是一种电力线间歇通信系统的电路结构示意图；

具体实施方式：

图1是一种电力线间歇通信系统的电路结构示意图，作为实施例将所述一种电力线间歇通信系统应用于仓库温湿度信息采集系统，主机A包括:电源模块12、通信开关11、通信电子开关16、周波检测模块13、单片机模块14、键盘显示模块15；从机用于检测环境参数或用于驱动执行器。采集从机B包括:电源模块20、周波检测模块24、通信电子开关21、单片机模块22、信息采集模块和驱动控制器23。

其采集从机B中包含多台温湿度采集模块和一个执行器，仓库内每个区域设置一台采集从机B，每个采集模块包含一个或数个温湿度传感器，采集仓库中各个位置的温湿度信息并转换成数字信号，在主机A控制的时间传送给主机A处理，主机A与各采集从机B之间通过电力线通信。

主机A向采集从机B发送周波通断序列编码信号构成的从机地址和参数修改或模式设置等指令，采集从机B通过周波检测模块24接收主机A发送的信息，经解码后执行相应的操作。

当主机A发送所述从机通信时间的信号时，主机A关断通信开关11，采集从机B由超级电容作断电储能供电，各采集从机B接通通信电子开关21，这时所述电力线作为通信线，在主机A中单片机模块14的指令控制下各采集从机B依序将温湿度传感器定时采集的信息经A/D转换器转换成数字信号传送给主机A，各采集从机B将驱动控制器的功率参数设置传送给主机A，通信时间结束，主机A发送通信结束指令，各采集从机B关断通信电子开关21，主机A接通通信开关11。在通信结束主机A接通通信开关11后，相应采集从机B单片机模块22启动相应的风机或加热器或致冷器等调节环境气候。

Claims (3)

1.一种电力线间歇通信系统的实现方法，包含一个主机和多个从机，主机和各从机接于专用的同一单相的电力线上，在主机控制下通过电力线通信，其特征在于：

主机发送由周波通断序列编码信号构成的从机地址和指令，或从机地址和允许该从机发送信息的从机通信时间的信号，从机执行相应操作或通过电力线发送给主机或从机信息；

在电力线市电电源断电期间各从机由超级电容储能供电；

主机发送从机地址和指令：在主机向从机发送一帧指令或信息时，当主机和从机的过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间如果在周波半波时间平均值的设置误差范围内，同时检测到负电压比较器的高电平保持时间在负电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的负半周；同样，当过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平，然后又从低电平跳变为高电平，其低电平保持时间如果在周波半波时间平均值的设置误差范围内，同时检测到正电压比较器的高电平保持时间在正电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的正半周；

将每个正半周所表示的数值大小设为1，每个负半周所表示的数值大小设为2，每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波为空，“为空”即不发送该周波，作为一个十六进制字符编码的结束标记，一个十六进制字符或控制位编码中所述的周波为发送的周波，其余不参与编码的周波正半周或负半周为不发送，如果占用周波不为整数以编码末尾空的周波正半周或负半周补上，数据位用十六进制字符表示；

信号帧的第1周波的正半周和第2周波的正半周表示指令帧起始位，信号帧的第1周波的负半周和第2周波的负半周表示信息帧起始位，前1周波为空并且和下1周波负半周构成停止位，一个十六进制字符包括结束标记最多占用6个周波，另外，起始位和停止位各占用2个周波，这里设定第一个十六进制字符表示从机地址，“0”表示不指定从机地址，信号帧中数据位可由一个或几个十六进制字符来表达各种代码、汉字、简单图形；

主机发送从机通信时间的信号：当主机单片机模块发送从机通信时间的信号时，主机断开所述电力线的市电电网，在设定通信时间内所述电力线作为临时通信线，主机和从机接通其通信电子开关，从而接通其信号输出入电路和串行口，从机由超级电容储能供电，实现从机经所述临时通信线向主机或从机发送信息的常规通信方式，通信时间结束断开通信电子开关，电力线接入市电电网。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主机与从机收发信号过程步骤包括：

主机将各种周波通断序列信号对指令和信息进行编码，以信号帧方式向从机发送；在所述同一单相的电力线上的始端即主机一端串接一个通信开关，从机在所述通信开关的市电受控一侧的电力线上，主机和从机分别从通信开关所述相应一侧的电力线路上经电阻降压后分三路，其中两路分别接于过零检测电路的信号输入端和正电压比较器的信号输入端，另一路经反相器接于负电压比较器的信号输入端；这时，主机单片机模块控制的通信开关作为信号发送器，其信号发送是在主机周波检测模块控制下实现的，主机发送周波的正半周或负半周信号，是在周波检测模块检测到一个真实半周波时间后的过零点发送；

当主机的过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平之后所接通周波的一个正半周市电电源，为发送周波的一个正半周；当主机的过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平之后所接通周波的一个负半周市电电源，为发送周波的一个负半周，发送时主机周波检测模块同时检测所发送周波信号的正电平保持时间或负电平保持时间，如果超差则重发；

从机通过周波检测模块接收周波信号并剔除干扰，将接收到信号帧的周波正负半周信号用相应标记，及其周波正负半周对应的周波计数值一块保存在存储器中，解码后执行相应指令或与主机或从机通信。

3.一种电力线间歇通信系统的装置，其特征在于包括，

主机包含电源模块、通信电子开关、周波检测模块、单片机模块；从机包含电源模块、周波检测模块、通信电子开关、单片机模块；所述从机电源模块输出端并联一个2.5F超级电容作断电储能；

在同一单相的电力线上的始端即主机一端串接一个通信开关，由主机控制该电力线接入或断开市电电网，当主机单片机模块发送地址和指令时按地址和指令信号结构控制所述市电电网接入或断开；

主机和各从机的周波检测模块各包含一个周波过零检测电路和二个电压比较器，所述二个电压比较器一个为正电压比较器，另一个为负电压比较器，过零检测电路和二个电压比较器均采用滞回电压比较器组成；

主机在所述通信开关的市电电源一侧，从机在所述通信开关的市电受控一侧的电力线上，主机和从机分别从通信开关所述相应一侧的电力线路上经电阻降压后分三路，其中两路分别接于过零检测电路的信号输入端和正电压比较器的信号输入端，另一路经反相器接于负电压比较器的信号输入端；

在所述市电受控一侧主机和各从机与电力线之间设置一个通信电子开关，通信开关和通信电子开关均由双向可控硅构成，主机的单片机模块和通信电子开关控制其单片机模块的串行口经信号输入电路在通信期间接入电力线否则断开电力线；从机的单片机模块和通信电子开关控制其单片机模块的串行口经信号输出入电路在通信期间接入电力线否则断开电力线；

所述主机和所述从机用于执行以下步骤：

所述主机用于发送由周波通断序列编码信号构成的从机地址和指令，或从机地址和允许该从机发送信息的从机通信时间的信号，从机执行相应操作或通过电力线发送给主机或从机信息；

所述主机发送的从机地址和指令是在主机向从机发送一帧指令或信息时，当主机和从机的过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间如果在周波半波时间平均值的设置误差范围内，同时检测到负电压比较器的高电平保持时间在负电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的负半周；同样，当过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平，然后又从低电平跳变为高电平，其低电平保持时间如果在周波半波时间平均值的设置误差范围内，同时检测到正电压比较器的高电平保持时间在正电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的正半周；

将每个正半周所表示的数值大小设为1，每个负半周所表示的数值大小设为2，每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波为空，“为空”即不发送该周波，作为一个十六进制字符编码的结束标记，一个十六进制字符或控制位编码中所述的周波为发送的周波，其余不参与编码的周波正半周或负半周为不发送，如果占用周波不为整数以编码末尾空的周波正半周或负半周补上，数据位用十六进制字符表示；

信号帧的第1周波的正半周和第2周波的正半周表示指令帧起始位，信号帧的第1周波的负半周和第2周波的负半周表示信息帧起始位，前1周波为空并且和下1周波负半周构成停止位，一个十六进制字符包括结束标记最多占用6个周波，另外，起始位和停止位各占用2个周波，这里设定第一个十六进制字符表示从机地址，“0”表示不指定从机地址，信号帧中数据位可由一个或几个十六进制字符来表达各种代码、汉字、简单图形；

所述主机还用于发送所述从机通信时间的信号；当主机单片机模块发送从机通信时间的信号时，主机断开所述电力线的市电电网，在设定通信时间内所述电力线作为临时通信线，主机和从机接通其通信电子开关，从而接通其信号输出入电路和串行口，从机由超级电容储能供电，实现从机经所述临时通信线向主机或从机发送信息的常规通信方式。

Images