JP5607411B2 - 電力線搬送通信システム - Google Patents

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Description

本発明は電力線搬送通信システムに関し、特に、電力線(いわゆる電灯線)を通信線として使用し、複数の電力使用機器に供給する電力を制御するために用いて好適な技術に関する。
近年、商用電源線、いわゆる電力線に通信信号を重畳し、通信を行う電力線通信装置(PLC装置)が実用化されている。電力線通信は、配設済みの電力線を通信線として利用でき、専用の通信線を新たに設置しなくて良いという利点がある。最大通信速度は、近年の技術革新と、使用可能な周波数帯域の規制緩和による拡大で、高速化している。
しかしながら、電力線を通信線として見た場合、ノイズが多く、高品質とは言い難い。原理上は高速であっても、実際の通信においては、十分な速度が出ない場合がある。ノイズの発生源としては、様々なものが考えられるが、そのうち多くは、電力線自体に重畳しているノイズ、電力使用機器に電力を供給する際、或いは供給している電力を遮断する際に発生する。
また、電力線に接続される家庭用の電子機器の多くは、電力線の交流電圧を直流の低電圧に変換する電源回路を内蔵する。この種の電源回路には、一般に、変換効率が高いスイッチング電源が使用されている。しかし、電力線通信から見ると、スイッチング電源はノイズ発生源でもある。即ち、スイッチング電源は、スイッチング周波数とその高調波のノイズを発生し、このノイズが電力線に漏れ出し、電力線通信の通信速度を低下させる。
電力線通信に用いられる通信方式は統一されておらず、複数の規格が存在する。具体的には、多くの搬送波を使用する(マルチキャリア)周波数分割多重(FDM)方式と、デジタル信号の周波数スペクトラム分布の性質を用いて更に密度の高い多重化を実現する直交周波数分割多重(OFDM)方式が、現在、主流になっている。
電力線通信では、いずれの方式でも、基本的に、数多くの周波数の異なる搬送波を使ってデータを伝送する。受信復調時には、これらの搬送波の内、ノイズによる妨害やレベルの減衰などから生き残った、復調可能な搬送信号を復調し、データエラーを訂正する。実効的な通信速度を上げるには、ノイズによる妨害とレベルの減衰を少なくしなければならない。
一方で、電力線に接続されている電力使用機器に内蔵されるスイッチング電源のスイッチング周波数は、電力使用機器毎にまちまちである。多くの電力使用機器が電力線に接続されるほど、その様々な基本周波数とその高調波のノイズが電力線に重畳されることになる。その結果、多くの搬送波が妨害により使用不能となってしまい、通信速度の確保が難しくなる。
電力線通信で通信速度を確保する技術として、特許文献1には、電力線通信の障害となるノイズの帯域を検出し、その帯域の搬送波を利用しないようにする技術が記載されている。また、特許文献2には、電力使用機器のスイッチング電源のスイッチング周波数を、電力線通信で使用される信号搬送波の最大周波数以上に設定することが記載されている。
特開2003−008521号公報 特開2006−304086号公報
前述のように、電力線に重畳されるノイズの種類や、ノイズ周波数の帯域は様々であるので、特許文献1に記載の技術、或いは特許文献2に記載の技術を用いても、電力線に重畳されるノイズに影響されない高精度な通信を実現することは困難であるので、電力線に接続された複数の電力使用機器の電力供給制御を高精度に行うことは困難であった。
本発明は前述の問題点に鑑み、電力線に接続された複数の電力使用機器に対する電力供給制御を高精度に行うことができるようにすることを目的とする。
本発明の電力線搬送通信システムは、1または複数の電力使用機器に供給する電力を制御する電力線搬送通信システムであって、前記電力使用機器のそれぞれに対応させて配設した応答端末と、前記電力使用機器に供給する電力を制御するために、前記応答端末とデータ通信を行うコントローラと、前記応答端末と前記コントローラとがデータ通信を行う電力線通信制御領域に電力を供給する電力搬送ライン、及び前記電力線通信制御領域から前記電力使用機器に電力を供給する電力搬送ラインにそれぞれ配設されたラインフィルターと、前記電力使用機器に供給する電力を制御する通信を行うために前記電力線通信制御領域の外部に設けられた制御装置とを有し、前記電力使用機器に供給する電力を断続するスイッチと、前記電力搬送ラインを介して前記コントローラとデータ通信を行う応答機とを前記応答端末に配設し、前記制御装置からの命令に従って前記コントローラと前記応答機との間で、前記電力搬送ラインを介してデータ通信を行い、前記応答機は、前記コントローラから送信されるコマンド信号に従って前記スイッチの断続状態を制御し、前記コントローラは、前記電力搬送ラインを介して所定周波数の変調をかけたキャリア信号を送信し、前記応答機は前記キャリア信号を受信して内部電源を生成することを特徴とする。
本発明によれば、ラインフィルターによってノイズが除去された電力線通信制御領域内で、コントローラと応答端末との間で、電力搬送ラインを介してデータ通信を行うようにしたので、データ通信で使用するキャリア信号が外部へ漏れる影響を抑制することができる。また、電力使用機器で発生するスイッチングノイズなどが外部から侵入するのを防止することができ、電力使用機器に対する電力制御を確実に実行することができる。
また、本発明の他の特徴によれば、非接触でデータの送受信を行うデータキャリアシステムで使用されるリーダ/ライタ装置と、RFIDとを用いて前記コントローラと前記応答機とを構成したので、安価にシステムを構成することができる。
本実施形態の電力線搬送通信システムの概略構成を説明する図である。 第1の応答端末の概略構成を示すブロック図である。 ICチップの概略構成を示すブロック図である。 第1の応答端末が受信時の伝送フォーマット例を説明する図である。 応答データの変調方式について説明する図である。 コイルLとコンデンサCと並列に組み合わせて構成した同調回路の一例を示す図である。 コントローラの概略構成を説明するブロック図である。 電力線搬送通信システムの具体例を説明する図である。 電力線搬送通信システムの制御手順の一例を説明するフローチャートである。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の電力線搬送通信システムの実施形態を説明する。
図1は、本実施形態の電力線搬送通信システム10の概略構成を説明する図である。図1に示すように、本実施形態の電力線搬送通信システム10は、電力搬送ライン300を介して、電力供給源ACから第1の電力使用機器101及び第2の電力使用機器102に供給する電力のオン/オフ制御を行う。図1においては、第3の電力使用機器103が電力搬送ライン300に接続されているが、本実施形態の電力線搬送通信システム10は第3の電力使用機器103については電力のオン/オフ制御を行わない。
本実施形態の電力線搬送通信システム10においては、電力線通信制御領域100を構成し、この電力線通信制御領域100に出入りする電力搬送ライン300にラインフィルターを配設することにより、電力線通信制御領域100内の電力搬送ライン300a、300bにはノイズが重畳されないようにしている。
図1の例では、電力供給源ACから電力線通信制御領域100に電力を供給する電力搬送ライン300に重畳しているノイズを除去する入力ラインフィルター200、電力線通信制御領域100から第1の電力使用機器101に電力を供給する電力供給線301に配設された第1のラインフィルター201、電力線通信制御領域100から第2の電力使用機器102に電力を供給する電力供給線302に配設された第2のラインフィルター202、電力線通信制御領域100から第3の電力使用機器103に電力を供給する電力線に配設された第3のラインフィルター203を示している。
入力ラインフィルター200〜第3のラインフィルター203は、電力搬送ライン300を介して入力されるノイズをカットし、コントローラ400と応答端末110、120との間で行われるデータ通信において誤作動が発生しないようにする。また、コントローラ400と応答端末110、120との間で行われるデータ通信の周波数信号をカットして、データ通信を行うことによる外部装置への影響を少なくする。ラインフィルターの構成例としては、コントローラ400から出力する制御信号近辺の周波数をカット可能である公知のフィルターを使用することができる。
前述のように構成された電力線通信制御領域100の内部には、第1の応答端末110、第2の応答端末120、コントローラ400が配設されている。
第1の応答端末110は、第1の電力使用機器101に供給する電力を制御するための装置であり、応答機111及び第1のスイッチ112を有している。第2の応答端末120は、第2の電力使用機器102に供給する電力を制御するための装置であり、応答機121及び第2のスイッチ122を有している。コントローラ400は、通信回線11を介して外部のコンピュータ(PC)12と情報の送受信を行い、第1の応答端末110及び第2の応答端末120の動作を個別に制御する。
図2に、第1の応答端末110の概略構成を示す。なお、第2の応答端末120も同様の構成である。
図2に示すように、応答機111は低周波遮断回路50、同調回路60、ICチップ70などにより構成されている。
低周波遮断回路50は、電力線通信制御領域100内の電力搬送ライン300a、300bに重畳している直流及び低周波(商用電源の周波数50Hz、60Hzを含む)のノイズを遮断し、高周波の信号電流のみを通過させるために設けられているものであり、単純な構成としては、直流を遮断して周波数の高い交流ほど流しやすいコンデンサの基本機能を利用して構成することができる。
同調回路60は、電力搬送ライン300a、300bを介して送信されるコントローラ400からのキャリア周波数を効率よくICチップ70に供給するための回路であり、図6に示すように、コイルLとコンデンサCとを並列に組み合わせて構成されている。本実施形態において、コントローラ400からは125/117kHzのキャリア周波数が送信されるため、同調回路60は121kHzで同調がとれるように構成している。
ICチップ70は、図3に示すように、CPU71、マスクROM72、EEEPROM73、高周波回路(RF)74、IO端子75、第1の端子S1、第2の端子S2、などにより構成されている。
CPU71は、ICチップ70の各部の動作を制御する機能するものであり、マスクROM72に格納されているプログラムコードを読み出して実行することによって、各部の動作を制御するための制御部として動作する。
EEEPROM73は、ICチップ70に固有の情報を格納するために用いられ、本実施形態においては、固有のUID等が格納されている。高周波回路74は、コントローラ400から送信されるキャリア周波数125/117kHzの正弦波を整流することで、ICチップ70の内部の各部に供給する電源電圧を生成する。IO端子75は、CPU71から出力される制御信号を第1のスイッチ112に出力するためのものであり、CPU71から出力される制御信号に従って第1のスイッチ112をオン状態、またはオフ状態に制御する。
IO端子75と第1のスイッチ112とを接続する信号線は、バイパスコンデンサC1を介して第1の応答端末110の接地電位に接続されている。バイパスコンデンサC1は、グラウンドに対する交流的なインピーダンスを下げる役割を有し、ICチップ70が動作する際に直流電源電圧が変動するのを避けるために接続されている。
図7に示すように、コントローラ400は、制御ブロックとして機能するCPU401、送信回路402、受信回路403、同調回路404、安定化電源405、シリアルポート406等により構成されている。
CPU401は、コントローラ400の全体動作を制御する。送信回路402は、CPU401に制御されて、コマンド信号を第1の応答端末110、第2の応答端末120に送信する。受信回路403は、第1の応答端末110、第2の応答端末120からの応答信号を受信してCPU401に供給する。同調回路404は、送信回路402から出力されたコマンド信号のキャリア信号に同調した周波数に同調する。安定化電源405は、コントローラ400の各部へ動作電力を供給する。シリアルポート406は、パソコン12からの制御信号を内部のCPU401へ入力するためのものであり、本実施形態においては、RS-232 (Recommended Standard 232) を用いている。
同調回路404から出力されたコマンド信号は、低周波遮断回路600を介して電力搬送ライン300a、300bに出力される。低周波遮断回路600は、コンデンサにより構成されており、電力搬送ライン300a、300bからの直流を遮断するとともに、同調回路404から出力されるコマンド信号を電力搬送ライン300a、300bに通過させる機能を有する。
トラップ回路500は、コントローラ400からのキャリア周波数125/117kHzを遮断するとともに、第1の応答端末110及び第2の応答端末120からの応答信号の周波数に対するインピーダンスを略ゼロにして、前述の応答信号を取り出して受信回路403に出力するために設けられている。
前述のような構成により、本実施形態の電力線搬送通信システムによれば、第1の応答端末110のICチップ70は、同調回路60を通してコントローラ400からのキャリア周波数125/117kHz(FSK方式)を受け取り、コマンドを認識する。その際、コントローラ400からのキャリア周波数の正弦波を整流することでICチップ70内部の動作電源を生成する。コマンドを認識した第1の応答端末110は、コントローラ400に対して、キャリア周波数62.5kHz(ASK方式)で返事を返す。
本実施形態の電力線搬送通信システムにおいて、第1の応答端末110(第2の応答端末120も同様)は以下のような規格でコントローラ400と通信を行う。
(1)受信周波数:125kHz/117.65kHz:FSK方式
(2)送信周波数:62.5kHz:ASK方式
(3)通信速度:約4kbps(受信)、2Kbps(送信)
次に、図4を参照しながら、第1の応答端末110が受信時の伝送フォーマット例を説明する。
(1)通信モード(FSK方式)
応答端末110の受信時(コントローラ400→応答端末110)
コントローラ400→応答端末110の通信は、FSK変調で行われる。FSK周波数は125KHzと117.65KKHzの2周波数を使用する。無変調時は、125kHzである。
(2)データ符号化の例
データ符号化は、125KHzないし117.65KHzの32波で1ヒ゛ット(1ETU)であり、1ビット(1ETU)前に対し、周波数が変化した場合(i.e. 125KHz→117.65kHz及び 117.65KHz→125KHz)はデータ‘1’である。また、1ビット(1ETU)前に対し、周波数が変化しない場合(i.e. 125KHz→125kHz及び 117.65KHz→117.65KHz)はデータ‘0’である。
(3)応答端末110、120からの返信時(応答端末110→コントローラ400)
応答端末110からコントローラ400へのデータ返信時の変調方式は、サブキャリア62.5KHzのASK変調を使用する。
(4)データ符号化例(ASK変調)
サブキャリア:62.5kHz
1ETUはサブキャリアを32波:512us
データを2ビット単位(‘00’、‘01’、‘10’、‘11’の4通り)で応答端末110から送信する。2ビットのデータ返信時の後は、1ETU(512us)の間、サブキャリアOFFの期間を毎2ビットごと設ける。
次に、図5を参照しながら、応答データの変調方式について説明する。
まず、変調方式は、ASK変調であり、変調度は100%である。また、データ転送レートは2kbps、キャリア周波数は62.5KHz(コントローラ400から供給される125KHz連続キャリアの半分の周波数)、符号化方式はNRZ(1でキャリア有り、0でキャリアなし)である。そして、データ0=キャリアなし(512us)、データ1=キャリア32波(512us)である。また、パワーリングはコントローラ400より125KHzの連続キャリアを供給、同期方式は同期サンプリング<非同期シリアルのスタートビット同期>である。なお、図5において、「RDATAは受信データ信号」、「RCRRは受信キャリア」である。
次に、図8を参照しながら電力線搬送通信システムの具体例を説明する。
本実施形態においては、ラインフィルター200〜205を設けて電力線通信制御領域100を構成し、5つの照明機器101〜105を制御するようにしている。
このように、5つの照明機器101〜105を制御するために、ラインフィルター200〜205により構成される電力線通信制御領域100内には、5つの応答端末110〜150が設けられている。このような例は、例えば、オフィス等の照明機器の電力線ライン300に、ラインフィルター200〜205を配設して電力線通信制御領域100を構成し、5つの照明機器101〜105のオン/オフを個々に制御することが考えられる。
これらの応答端末110〜150とコントローラ400との間でデータ通信を行い、5つの照明機器101〜105の各々を個々にオン/オフ制御する際の制御手順の一例を、図9のフローチャートを参照しながら説明する。
処理が開始されると、最初のS91において、パソコン12とコントローラ400との間の通信を確立する。また、コントローラ400から電力搬送ライン300a、300bにキャリア送信(125kHz無変調)が行われる。コントローラ400より送信されたキャリア信号(125kHz無変調)を受信した応答端末110〜150は、高周波回路74内の整流回路で内部電源を生成する。これにより、本実施形態の応答端末110〜150は、電池不要であり、かつ外部から電源供給無しで動作可能な状態に移行する。
次に、S92において、パソコン12からコントローラ400に、電力線通信制御領域100内に存在する全ての応答端末110〜150のUIDを取得するよう命令する。
UID取得命令を受けたコントローラ400は、S93において、前述した送信回路402から電力搬送ライン300a、300bを介してUID取得コマンドを送信する(FSK変調でキャリア送信)。
UID取得コマンドを受信した応答端末110〜150は、自分のUIDをコントローラ400に返信する(S94)。応答端末110〜150から返信されたUIDを受信したコントローラ400は、受信(取得)したUIDをパソコン12に送信する(S95)。
パソコン12は、電力線通信制御領域100内に存在する応答端末110〜150のUIDをコントローラ400から取得する。図8の例では「001」、「002」、「003」、「004」、「005」を取得する。これらのUIDを取得したパソコン12は、UIDを指定してIO端子を制御する命令をコントローラ400に送信する(S96)。例えば、「UID=001」を指定して、スイッチの状態を切り替えるコマンドを送信する。
パソコン12からの命令を受けたコントローラ400は、「UID=001」を指定して、IO端子75を制御するコマンドを電力搬送ライン300a、300bを介して応答端末110〜150に送信する。
コントローラ400から送信されたコマンドは、電力搬送ライン300a、300bを介して応答端末110〜150にそれぞれ受信される。この場合、UIDが一致していない応答端末は、IO制御のコマンドを受け付けることは無く、UIDが一致している第1の応答端末110のみがコマンドを受け付ける(S97)。
コントローラ400からのコマンドを受け付けた第1の応答端末110は、コマンドの内容に応じた処理を実行する。この場合、IO端子75を制御することで第1のスイッチ112を切り替え、第1の電力使用機器101(第1の照明機器)に供給する電源を切断したり、供給したりする(S98)。
また、UIDが一致した第1の応答端末110は、応答信号としてASK変調でキャリア信号(62.5kHz)をコントローラ400に送信する(S99)。
第1の応答端末110から送信された応答信号は、電力搬送ライン300a、300bを介してコントローラ400に伝送される。本実施形態においては、低周波遮断回路600、トラップ回路500を通してコントローラ400の受信回路403に入力される。
第1の応答端末110から送信された応答信号を受信したコントローラ400は、通信回線11を介してパソコン12に送信する(S910)。
パソコン12は、コントローラ400から送信された、第1の応答端末110からの応答信号を受信する(S911)。これにより、UIDを指定した電源制御処理が無事に終了したことを確認する。
前述したように、本実施形態においては、電力線通信制御領域100を設定し、電力供給源ACから電力線通信制御領域100に電力を供給する電力搬送ライン300に重畳しているノイズを除去する入力ラインフィルター200を設けた。また、電力線通信制御領域100から照明機器101〜105に電力を供給する電力供給線にラインフィルター201〜205を配設した。
そして、電力線通信制御領域100内に、コントローラ400と複数の応答端末110〜150を設け、コントローラ400と応答端末110〜150との間のデータ通信を、ノイズが除去されている電力搬送ライン300a、300bを介して行うようにした。これにより、電力搬送ライン300に重畳するノイズの悪影響を受けることなく電力線通信を行うことが可能となる。
特に、本実施形態においては、照明機器101〜105に電力を供給する電源ラインにもラインフィルター201〜205を配設したので、照明機器101〜105に供給する電力をオン/オフする際に発生するスイッチングノイズが電力線通信制御領域100内に侵入するのを確実に防止することができる。
本実施形態においては、既に実用化されている、無線のデータキャリアシステムを構成するリーダ/ライタ装置でコントローラ400を構成し、無線タグ(RFID)で応答機を構成したので、電力線搬送通信システムを安価に構成することができる。しかも、本実施形態においては、リーダ/ライタ装置とRFIDとの間のデータ通信を電力搬送ライン300a、300bを介して有線で行うようにした。これにより、通信距離の問題を無くすことができるとともに、金属の影響(周辺環境)を考慮しなくて済むようになる。さらに、有線で通信を行う際に、電力搬送ライン300a、300bを介して行うようにしたので、有線通信を行うための配線を行うことが不要となり、電力線搬送通信システムの構築を簡素化することができる。
なお、前述した図8の例では5つの応答端末110〜150の電力制御を行う例を説明したが、数十個の電力使用機器の電力制御を行うことが可能である。電力使用機器の電力制御を行う場合、予めパソコン12にプログラミングしておくことにより、設定した時間に設定した電力使用機器について電力制御を行うことができる。また、ユーザがパソコン12を操作して直接行うことも可能である。
10 電力線搬送通信システム、11 通信回線、12 パソコン、100 電力線通信制御領域、101 第1の電力使用機器、102 第2の電力使用機器、103 第3の電力使用機器、111 応答機、112 第1のスイッチ、120 第2の応答端末、121 応答機、122 第2のスイッチ、200 入力ラインフィルター、201 第1のラインフィルター、202 第2のラインフィルター、203 第3のラインフィルター、300 電力搬送ライン、300a、300b 電力搬送ライン

Claims (2)

  1. 1または複数の電力使用機器に供給する電力を制御する電力線搬送通信システムであって、
    前記電力使用機器のそれぞれに対応させて配設した応答端末と、
    前記電力使用機器に供給する電力を制御するために、前記応答端末とデータ通信を行うコントローラと、
    前記応答端末と前記コントローラとがデータ通信を行う電力線通信制御領域に電力を供給する電力搬送ライン、及び前記電力線通信制御領域から前記電力使用機器に電力を供給する電力搬送ラインにそれぞれ配設されたラインフィルターと、
    前記電力使用機器に供給する電力を制御する通信を行うために前記電力線通信制御領域の外部に設けられた制御装置とを有し、
    前記電力使用機器に供給する電力を断続するスイッチと、前記電力搬送ラインを介して前記コントローラとデータ通信を行う応答機とを前記応答端末に配設し、
    前記制御装置からの命令に従って前記コントローラと前記応答機との間で、前記電力搬送ラインを介してデータ通信を行い、
    前記応答機は、前記コントローラから送信されるコマンド信号に従って前記スイッチの断続状態を制御し、
    前記コントローラは、前記電力搬送ラインを介して所定周波数の変調をかけたキャリア信号を送信し、前記応答機は前記キャリア信号を受信して内部電源を生成することを特徴とする電力線搬送通信システム。
  2. 前記コントローラを、非接触でデータの送受信を行うデータキャリアシステムで使用されるリーダ/ライタ装置で構成し、前記応答機を前記データキャリアシステムで使用されるRFIDを用いて構成したことを特徴とする請求項1に記載の電力線搬送通信システム。
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