KR102332877B1

KR102332877B1 - 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법

Info

Publication number: KR102332877B1
Application number: KR1020200040271A
Authority: KR
Inventors: 노한웅
Original assignee: 노한웅
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-11-29
Also published as: KR20210123056A

Abstract

본 발명은 통신의 종류를 점검, 출력, 데이터 등으로 구분하여 통신모드를 선언함으로써, 슬레이브장치의 작동상태를 시분할방식으로 제어 및 점검하여 기존의 통신방법보다 낮은주파수로 시스템을 작동시켜 기존 STP(Shielded Twisted Pair)케이블이 아닌 저가의 TP(Twisted Pair) 혹은 일반전선을 사용하여 기존 통신방식에 비해 시공비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법 { 2 Wire communication method capable of supplying DC power at Sensor network }

본 발명은 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 기존의 센서네트워크보다 낮은 주파수로 시스템을 가동할 수 있도록 통신의 종류를 구분하여 통신모드를 선언함으로써 마스터장치가 슬레이브장치를 시분할방식으로 점검 및 제어하는 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하나의 마스터장치와 다수의 슬레이브장치로 구성된 센서 네트워크에서 쓰이는 통신 기술은 시리얼 데이터 통신으로서 CAN 혹은 RS-485 등의 하드웨어 규격에 기반하고 있다.

그러나, 종래의 시리얼 데이터통신은 슬레이브장치 내에 전원을 내장하지 않아 마스터장치로부터 전원을 공급받아야 함으로써 전원선과 데이터 신호선을 별도로 설치하여 불필요한 선의 낭비와 설치상의 복잡성등이 뒤따랐다

이를 해결하기 위한 종래의 통신기술로서, 본 출원인은 2선식 통신방법에 대한 기술문헌으로 출원번호 제 10-2010-0038306호 "직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법"을 기출원하였다.

여기서, 종래의 2선식 통신방법은 극성의 반전을 신호로 MCU 내부의 통신장치에 1의 상태를 전달하고 타이머가 시간을 측정하여 극성의 반전이 없으면 0의 상태를 제공함으로서 데이터를 발생시키는 비동기 통신방법이다.

그러나, 종래의 2선식 통신방법에서는 비교적 고속의 통신속도와 빠른 처리속도를 충족하는 슬레이브가 필요하여 소비전류가 증가하고, STP(Shielded Twisted Pair)와 같은 고가의 전용선을 사용하게되어 시공비가 불필요하게 상승하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 2선식 통신방법은 소규모시스템에 있어서는 문제가 되지 않으나 대표적인 센서 네트워크인 자동화재탐지설비와 같이 건물 단위의 대규모시스템에서는 긴 선로와 전자파의 간섭 때문에 노이즈에 취약해지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 통신의 종류를 점검, 출력, 데이터 등으로 구분하여 통신모드를 선언하고 슬레이브장치의 작동상태를 시분할방식으로 제어 및 점검하여 기존의 통신방법보다 낮은주파수로 작동되는 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법을 제공함에 있다.

마스터장치와 다수의 슬레이브장치가 2선식 무극성으로 연결된 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법에 있어서, 상기 마스터장치는 통신선로에 전원 및 클럭을 공급함에 있어 전원으로 1/2주기의 방형파를 제공하고, 전원의 극성을 반전하여 형성된 음 전원으로 1/2주기의 방형파를 제공하며, 극성이 반전되는 펄스폭의 길이와 횟수 및 위상반전을 조절하여 선언의 종류를 구분하는 것을 특징으로 한다.

상기 마스터장치는 극성이 반전되는 펄스폭의 길이와 횟수 및 위상반전을 구분하여 상기 슬레이브장치의 작동상태를 시분할방식으로 점검 및 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 마스터장치는 신호를 전달하는 방법으로 상기 마스터장치의 어드레스에 해당하는 클럭에서 양 전압이나 음 전압의 방형파 중 어느 한가지를 선택하여 클리어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 슬레이브장치는 신호를 전달하는 방법으로 상기 슬레이브장치의 어드레스에 해당하는 클럭에서 양 전압이나 음 전압의 방형파 중 어느 한가지를 선택하여 클리어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 센서네트워크에서 직류전원공급이 가능한 2선식 통신방법의 효과는 다음과 같다.

첫째, 통신의 종류를 점검, 출력, 데이터 등으로 구분하여 통신모드를 선언하고 이후 하나의 클럭을 어드레스와 데이터로 사용함으로써, 기존의 센서네트워크에서 명령어+어드레스+데이터+체크섬 등으로 형성된 패킷방식의 통신보다 낮은 주파수로 시스템을 가동하여 기존 STP(Shielded Twisted Pair)케이블이 아닌 저가의 TP(Twisted Pair) 혹은 일반전선을 사용할 수 있어 기존 통신방식에 비해 시공비를 절감할 수 있고,

둘째, 마스터장치가 슬레이브장치를 시분할 방식으로 점검 및 제어함으로써,동일한 수량의 슬레이브장치를 기존의 데이터통신 보다 낮은 주파수로 관리하여 소비전류를 최소화시켜 불필요한 전원공급선로를 줄이고 시공비를 절감할 수 있으며.

셋째, 전원의 극성반전을 사용하여 1, 0, -1의 3가지 상태를 만들고 슬레이브장치의 모든주기에 1 혹은 -1의 상태가 도달함으로써, 통신주파수가 nHz 혹은 2nHz만 존재하므로 동기통신과 같은 효과를 볼 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마스터장치를 나타내 보인 회로도이고,
도 2는 본 발명에 따른 슬레이브장치를 나타내 보인 회로도이며,
도 3은 본 발명에 따른 마스터장치와 통신선로의 타이밍차트이고,
도 4는 본 발명에 따른 각 통신모드의 타이밍차트이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터장치에 다수의 슬레이브장치가 토큰링 네트워크로 연결된 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법은 도 1 내지 도4에 도시된 바와 같이 상기 마스터장치(10)는 통신선로에 전원 및 클럭을 공급함에 있어 전원으로 1/2주기의 방형파를 제공하고, 전원의 극성을 반전하여 형성된 음 전원으로 1/2주기의 방형파를 제공하며, 극성이 반전되는 펄스폭의 길이와 횟수 및 위상반전을 조절하여 선언의 종류를 구분한다.

여기서, 선언은 통신모드의 선언을 말하고, 명령은 출력모드에서 ON/OFF의 명령을 말하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 마스터장치(10)의 MCU가 도 1의 Line_Clock(11)으로 도 3의 A와 같은 방형파를 출력하면 도 1의 Q1과 Q4가 작동하여 Line0(30)는 1이 되고, Line1(40)은 0이 된다.

또한, 상기 마스터장치(10)의 MCU가 도 1의 Inv_Line_Clock(12)으로 도 3의 B와 같은 방형파를 출력하면 도 1의 Q2와 Q3이 작동하여 상기 Line0(30)은 0이 되고, 상기 Line1(40)은 1이 된다.

이때, 상기 Line_Clock(11)과 상기 Inv_Line_Clock(12)의 출력상태를 상기 Line1(40)의 기준으로 보면 상기 Line1(40)은 도 3의 C와 같은 1과 -1의 상태가 되고, 상기 마스터장치(10)의 MCU는 이 펄스의 폭을 길고 짧은 두가지 상태로 만든다.

또한, 상기 마스터장치(10)의 MCU는 짧은 폭을 가진 펄스의 반복횟수 및 위상반전을 이용하여 상승에지의 위치를 변화시켜 상기 슬레이브장치(20)에 명령을 하고 한 주기의 긴 폭을 가진 펄스로 명령을 종료하며, 이후 출력되는 긴 폭의 펄스로 상기 슬레이브장치(20)에 클럭을 제공한다.

한편, 상기 슬레이브장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 Line0(30)와 Line1(40)을 통해 전해지는 방형파를 D1 내지 D4를 통해 정류하고, D5를 통과한 전류를 C1으로 평활하게 하여 직류전원을 얻는다.

또한, 상기 Line0(30)에 1이 입력되고 상기 line1(40)에 0이 입력된 상태에서는 D7과 U2A를 통하여 상기 슬레이브장치(20)의 MCU에 구비된 카운터부(21)와 타이머부(22)에 신호를 공급하고, 상기 Line0(30)에 0이 입력되고 상기 Line1(40)에 1이 입력된 상태에서는 D6과 U2B를 통하여 상기 카운터부(21)와 타이머부(22)에 신호를 공급한다.

이때, 상기 카운터부(21)와 타이머부(22)는 짧은 폭을 가진 펄스의 횟수를 파악하여 명령의 종류를 구분하며, 긴 폭을 가진 펄스의 횟수를 파악하여 어드레스를 알아낸다.

또한, 상기 슬레이브장치(20)의 MCU에 구비된 센서부(23)는 스위치 접점과 같은 디지털신호나 온도, 압력, 연기농도와 같은 아날로그 신호로 입력될 수도 있으며, 아날로그 신호로 입력될 경우에 상기 센서부(23)는 A/D변환기로 연결되어 입력되는 것이 바람직하다.

한편, 도 2에 도시된 Q5는 상기 슬레이브장치(20)의 MCU로부터 신호를 받아서 상기 Line0(30)와 Line1(40)의 방형파를 클리어하는데, 상기 슬레이브장치(20)의 어드레스에 해당하는 위치에서 상승에지부터 하강에지까지 혹은 하강에지 부터 상승에지까지의 방형파를 클리어하여 상기 마스터장치(10)에 정보를 전달한다.

이때, 도 1에 나타내 보인 상기 마스터장치(10)에 구비된 작동감지부(13)는 0이 되고 상기 마스터장치(10)는 해당 어드레스의 슬레이브장치(20)가 작동했음을 확인하게된다.

한편, 상기 마스터장치(10)가 점검모드로 통신할 때는 짧은 폭의 펄스로 1, -1을 송신하여 통신의 종류를 선언하고, 긴 폭의 펄스로 1, -1을 송신하여 선언의 종료를 알리며 선언의 종료후 나타나는 긴 폭의 펄스는 상기 슬레이브장치(20)의 클럭이 된다.

또한, 도 2에 도시된 상기 클리어부(24)는 슬레이브 장치(20)의 어드레스에 해당하는 위치의 방형파를 상승에지 혹은 하강에지에서 클리어함으로써, 호출에 대한 응답과 작동여부를 송신한다.

여기서, 도 4에 도시된 D는 점검모드에서 슬레이브장치2(20a)가 정상일 때의 응답을 포함한 타이밍차트이고, 도 4에 도시된 E는 점검모드에서 슬레이브장치2(20a)가 작동했을 때의 타이밍차트이다.

한편, 상기 마스터장치(10)가 출력모드로 통신할 때는 짧은 폭의 펄스로 -1, 1을 송신하여 통신의 종류를 선언하고, 긴 폭의 펄스로 1, -1을 송신하여 선언의 종료를 알리며 선언의 종료후 나타나는 긴 폭의 펄스는 상기 슬레이브장치(20)의 클럭이 된다.

이때, 상기 마스터장치(10)는 상기 슬레이브장치(20)의 어드레스에 해당하는 클럭의 상승에지에서 1, -1 혹은 -1, 1의 짧은 폭의 펄스를 제공하여 ON/OFF에 대응하는 명령어를 가지고, 이를 수신한 슬레이브장치(20)는 클럭의 하강구간을 클리어함으로써 수신완료를 통보하고 하위장치 제어를 실시하며, 도 4의 F는 상기 마스터장치(10)의 제어신호로써 출력모드에서 슬레이브장치2(20a)에 1,-1을 송신했을 때의 타이밍차트이며, 도 4의 G는 출력모드에서 슬레이브장치2(20a)에 -1, 1을 송신했을 때의 타이밍차트이다.

한편, 도 4의 H에 도시된 바와 같이 상기 마스터장치(10)가 데이터모드로 통신할 때는 짧은 폭의 펄스로 1, -1과 -1, 1을 연속으로 송신하여 통신의 종류를 선언하고, 긴 폭의 펄스로 1, -1을 송신하여 선언의 종료를 알리며, 선언의 종료후 명령어+어드레스+데이터+체크섬 등의 패킷으로 이루어지는 기존의 디지털 데이터통신을 실시한다.

여기서, 상기 마스터장치(10)가 상승구간에 짧은 폭의 펄스로 1, -1 혹은 -1, 1을 제공하여 데이터 1을 표시할 수 있고, 하강구간에 짧은 폭의 펄스로 1, -1 혹은 -1, 1로 제공함으로써 데이터 1의 표시를 대신할 수 있으며, 도 4의 H를 상승구간의 데이터가 1일때 1, 0으로 표현한다는 규칙을 적용하여 읽으면 선언 이후에 등장하는 3비트는 0, 1, 0이 된다.

또한, 상기 마스터장치(10)가 선언한 데이터모드는 아날로그입력을 갖는 상기 슬레이브장치(20)의 동작에 대한 기준점의 설정이나, 상기 슬레이브장치(20)의 어드레스변경 등과 같은 장치의 관리수단으로 제공되며, 이러한 작업들은 인간의 느린 입력 속도의 지배를 받아 빠른 통신속도가 무의미하므로 낮은 주파수를 사용함에 있어 문제가 되지 않는다.

한편, 도 1 내지 도 2에 도시된 U1A, U2A, U2B를 버퍼부(B)로 표현하며, 상기 버퍼부(B)는 Line0(30)와 Line1(40)이 길어질 경우 발생되는 기생 임피던스에 의한 방형파의 왜곡을 개선하는 역할을 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 2선식 통신방법의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 2선식 통신방법은 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법이다.

즉, 통신의 종류를 점검, 출력, 데이터 등으로 구분하여 통신모드를 선언하고 하나의 클럭을 어드레스와 데이터로 사용함으로써, 기존의 디지털 데이터통신을 사용하는 센서네트워크에서 명령어+어드레스+데이터+체크섬 등으로 형성된 패킷방식의 통신보다 낮은 주파수로 시스템을 가동하여 소비전력을 감소시키고, 기존 STP(Shielded Twisted Pair)케이블이 아닌 저가의 TP(Twisted Pair) 혹은 일반전선을 사용하여 기존 통신방식에 비해 시공비를 절감할수 있게 된다.

또한, 상기 마스터장치(10)가 상기 슬레이브장치(20)를 시분할 방식으로 점검 및 제어함으로써, 동일수량의 슬레이브장치(20)를 기존의 디지털 데이터통신 보다 낮은 주파수로 관리하여 불필요한 전원공급선로를 줄이고 시공비를 절감할 수 있게 된다.

그리고, 전원의 극성반전을 사용하여 1, 0, -1의 3가지 상태를 만들고 상기 슬레이브장치(20)의 모든주기에 1 혹은 -1의 상태가 도달함으로써, 상기 마스터장치(10)에서 상기 슬레이브장치(20)로 전력을 공급할 수 있으며, 상기 마스터장치(10)와 상기 슬레이브장치(20)에는 nHz 혹은 2nHz의 통신주파수만 존재하므로 동기통신과 같은 효과를 볼 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 마스터장치 11 : Line_Clock
12 : Inv_Line_Clock 13 : 작동감지부
20 : 슬레이브장치 20a: 슬레이브장치2
21 : 카운터부 22 : 타이머부
23 : 센서부 24 : 클리어부
30 : Line0 40 : Line1
50 : 버퍼부

Claims

마스터장치(10)와 다수의 슬레이브장치(20)가 2선식 무극성으로 연결된 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법에 있어서,
상기 마스터장치(10)는 통신선로에 전원 및 클럭을 공급함에 있어 전원으로 1/2주기의 방형파를 제공하고, 전원의 극성을 반전하여 형성된 음 전원으로 1/2주기의 방형파를 제공하며, 극성이 반전되는 펄스폭의 길이와 횟수 및 위상반전을 조절하여 선언과 명령의 종류를 구분하여 상기 슬레이브장치(20)의 작동상태를 시분할방식으로 점검 및 제어하고,
상기 슬레이브장치(20)는 신호를 전달하는 방법으로 상기 슬레이브장치(20)의 어드레스에 해당하는 클럭에서 양 전압이나 음 전압의 방형파 중 어느 한가지를 선택하여 클리어함으로써, 상기 마스터장치(10)에 응답과 작동여부를 송신하는 것을 특징으로 하는 센서네트워크에서 직류전원 공급이 가능한 2선식 통신방법.
삭제
삭제
삭제