KR20060089234A - 교류 공급 네트워크를 통한 데이터 수집 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 네트워크 통신 엔지니어링에 관한 것으로서; 전기, 열, 물, 가스 계량기 등으로부터 자동 데이터 수집을 위한 시스템에 사용될 수 있다. 기술적 결과는 슬레이브 유니트의 내부 구조를 상당히 간단하게 하며, 시스템의 노이즈 내성을 증가시킨다. 이러한 결과는 문자 동기화 이벤트로서 시스템 공급 라인 전압의 기본 고조파의 제로 크로싱 포인트를 사용함으로써 달성될 수 있다.
메인 유니트, 슬레이브, 타이밍 신호, 센서, 원격 센서, 데이터 수집

Description

교류 공급 네트워크를 통한 데이터 수집 시스템{SYSTEM FOR DATA COLLECTION THROUGH AN ALTERNATE CURRENT SUPPLY NETWORK}
본 발명은 교류(ac) 공급 네트워크를 통한 데이터 수집 및 통신에 관한 것으로 원격 센서(전기, 물, 열 계량기 등)로부터 저속 데이터 습득 및/또는 원격 터미널 유니트(가로등, 브레이커 등)을 통한 제어에 사용될 수 있다.
교류(ac) 전력선을 통한 데이터 수집 시스템(미국 특허 제6021137, 국제분류.H04J013/02, 1997.2.14 등록)은 공지되어 있고, 여기서 데이터 수집 시스템의 메인 유니트는 모든 시스템 슬레이브 유니트에 의해 동시에 수신되어 검출되는 광대역 폴링 신호를 발송하고 이에 응답하여 시스템 슬레이브 유니트는 자신의 데이터의 연속적인 전송을 개시한다. 이러한 시스템의 주요 문제점은 모든 네트워크 유니트에 대해 동일한 문자 동기화 이벤트가 부재한다는 것이다. 이는 슬레이브 유니트가 계속 실시간 모드로 광대역 폴링 신호의 초기 섹션을 찾아서 입력 전압의 복잡한 디지털 프로세싱을 실행해야 한다는 결과를 초래한다. 이러한 환경은 슬레이브 유니트 하드웨어의 연산기능에 상당한 요구사항을 부여하게 되어, 그 실질적인 실현화 비용을 상당히 증가시키며 복잡하게 한다.
본 발명은 전기, 물, 열 미터계 등의 교류(ac) 전력 네트워크에 연결된 다수의 저속 센서로부터 데이터를 수집할 수 있는 노이즈에 강하고 저렴한 데이터 수집 시스템 형성의 문제를 해결한다.
기술적인 해결책은 슬레이브 유니트의 내부 구조의 요소 간소화 및 시스템의 노이즈 내성(noise-tolerant)의 증가이다. 본 발명의 실현으로 이러한 기술적인 해결책이 달성되는데, 이는 데이터 수집 시스템의 각 유니트가 하드웨어의 일부로서, 히스테리시스를 갖는 비교기(comparator)를 포함하며, 상기 비교기 기준 입력부는 네트워크 제1 와이어에 결합되고 비교기 신호 입력부는 네트워크 제2 와이어에 결합된다. 비교기 상태 트리거링의 포인트는 문자 동기화 이벤트(character synchronization event)로서, 즉 각각의 다음 비트의 전송 또는 수신을 개시하는 신호로서 기능하거나 또는 내부 하프사이클의 콘텐트가 하나씩 증가하는 소정의 유니트에 대해 사용된다.
전기, 열, 물, 가스 계량기 등과 같은 이러한 데이터 소스의 일반적인 특징은 24시간동안 생성될 수 있는 매우 소량의 정보라는 점이다. 따라서, 예를 들어, 전력 비용이 결정되었을 때, 일반적으로 매달 1회씩 표준형의 단률 및 단상 공급 계량기로부터의 판독값이 판독된다. 이러한 계량기가 정보를 발생하는 평균비율은 매우 낮은(1개월당 소숫점 6자리) 것이 명백하므로, 이처럼 느리게 변화되는 데이터를 수집하기 위해 (전송율이 초당 수 킬로비트 또는 수 백비트인) 교류 네트워크에 대해 종래 일반적인 저속 모뎀을 사용할 필요가 없으며, 결과적으로 이론적으로 가능한 것과 비교하였을 때 이러한 데이터 수집 시스템의 과도한 복잡성과 낮은 노이즈 안정성을 초래할 것이다. 데이터 수집 시스템(도 1)은 하나의 메인 유니트(1)와 다수의 슬레이드 유니트(2)를 사용하고; 모든 시스템 유니트는 네트워크(3)의 동일 세그먼트에 전기적으로 접속된다. 메인 유니트 및 슬레이브 유니트의 내부 구조는 매우 유사하며; 다음과 같은 공통적인 소자 즉, 보호 및 신호 커플링 장치(4)와, 밴드패스 필터(5)와, 아날로그-디지털 변환기(ADC)(6)와, 로우패스 필터(7)와, 디지털-아날로그 변환기(DAC)(8)와, 히스테리시스를 갖는 비교기(9)와, 인터럽트 입력부(10)를 포함한다. 시스템의 메인 유니트는 메모리 블럭(11)과, 프론트-엔드 인터페이스 유니트(12)와, 강력한 디지털 신호처리기(13)와, 통신채널(14)을 포함한다는 점에서 차이점이 있으며; 보다 저렴하고 간단한 슬레이브 유니트는 통신 채널(16)을 통해 로컬 센서로부터 메인 유니트로 전송될 데이터를 수신하는 일반용 마이크로컨트롤러(15)상에 완전히 구축된다. 시스템 작동주파수 대역은 20...95kHz 이다.
교류 공급 네트워크를 통한 데이터 수집용 시스템과 이를 기초로 형성된 통신 시스템을 실현하는 방법을 설명하는 자료가 도면에 도시될 것이다.
도 1은 데이터 수집 시스템의 블록도.
도 2는 데이터 수집 시스템에서 상호교환의 일반적인 구조를 도시한 도면.
도 3은 시스템의 메인 유니트에 의해 전송되는 타이밍 신호의 변조 방법을 상세 히 도시한 도면.
데이터 수집 시스템은 하기의 방식으로 작동된다(도 1 및 도 2). 비교기(9)는 메인 전압(17)이 제로(18)에 가까울 때의 순간을 포착하여 전체 시스템에 대해 실질적으로 동기화된 타임 마커(19)의 시퀀스를 발생시키며, 0은 모든 유니트의 프라이머리 (비트) 타이밍에 사용된다. 시스템의 메인 유니트는 모든 시스템 슬레이브 유니트에 의해 동시에 수신 및 감지되는 엄격하게 주기적인 긴 타이밍 신호(20)를 전송한다. 일련의 타이밍 신호(20)는 데이터 송신 간격(21)에 의해 중단되며; 이러한 송신 간격동안, 시스템 메인 유니트는 수신 모드로만 작동되고, 시간 공유 모드에 있는 슬레이브 유니트는 각각의 타이밍 신호에 응답하여 자신의 데이터를 메인 유니트에 1회에 1비트씩 전송한다. 이에 따라, 제1 슬레이브 유니트는 자신의 데이터(22)를 데이터 송신 간격의 제1 비트 섹션 내에 전송하며, 제2 슬레이브 유니트는 자신의 데이터(23)를 제2 비트 섹션 내에 전송하고, 제3 슬레이브 유니트는 자신의 데이터(24)를 제3 비트 섹션 내에 전송한다. 데이터 송신 간격의 전체 주기는 모든 시스템 슬레이브 유니트가 자신의 다음 데이터 비트를 전송하기에 충분한 시간을 갖도록 선택된다. 타이밍 신호와 데이터 송신 간격은 하나의 전송 프레임(25)을 결정한다. 시스템 메인 유니트(1)에 의해 전송된 타이밍 신호(20)를 변조하기 위해, 변형된 상대적 위상(phase) 변조 방법이 사용된다(도 3). 상기 타이밍 신호(20)는 시스템 메인 유니트의 디지털 신호처리기(13)에 의해 먼저 디지털 형태로 생성되며, 그후 DAC(8)에서 스텝 전압으로 변환되어, 로우패스 필터(7)에서 완화(smooth)된 후, 커플링 장치(4)를 거쳐 네트워크(3)로 전달된다. 상기 타이밍 신호는 다수의 비트 간격을 포함하며; 이러한 간격중에, 시스템 메인 유니트는 고 유의 256비트 동기화 시퀀스를 전송하며, 각각의 비트는 네트워크 전압의 하나의 하프사이클 동안 전송되어, 사인파 진동의 연속적으로 이송된 4개의 부분(칩)으로 엔코딩되며(26-29); 전송된 데이터는 4개의 모든 칩에 대해 초기 위상의 시퀀스로 엔코딩된다. 2진 코드의 0은 초기 위상{0°, 90°, 0°, 90°}의 시퀀스로 전송되며, 1은 {0°, 90°, 180°, 270°}의 시퀀스로 전송된다. 이러한 변조 스키마는 종래의 2진법 칩 변조에 비해 에너지 효율이 적으나, 신호 검출 및 변조시 수신기 연산비용이 2배로 감소된다는 장점을 갖는데, 이는 종래와는 달리 이러한 경우에는 신호 처리의 2개의 구적 채널(quatrature channel)을 동시에 보유할 필요가 없기 때문이다. 타이밍 신호 스펙트럼 스프레딩은 선형 법칙에 따라 분리된 비트를 전송하는 8중의 주기적 주파수 선택을 사용하여 달성될 수 있는 반면에; 전송 주파수는 첫번째로 균일하게 이격된 후, 두번째로 시스템 작동 주파수 범위에 균일하게 채워지는 방식으로 선택된다. 따라서, 타이밍 신호의 제1 비트는 모든 슬레이브 유니트에 알려진 제1의 가장 낮은 주파수에, 제2 비트는 모든 슬레이브 유니트에 알려진 제2의 주파수에, 이런 식으로 마지막의 가장 높은 8번째 주파수로 전송된다. 그후, 주파수 선택의 시퀀스가 31회 이상 반복됨으로써, 실질적으로 전체 작동 주파수 범위를 사용하여 동기화 시퀀스의 모든 256 비트의 전송이 이루어진다.
슬레이브 유니트의 비트 수신기는 하기와 같은 방식으로 작동된다. 네트워크(3)로부터의 타이밍 신호는 커플링 장치(4)를 통해 밴드패스 필터(5)로 전송되고, ADC(6)에서 디지털 형태로 변환된 후, 수신기가 설정시간동안 튜닝되는 주파수의 하프사이클에 정확하게 대응하는 동일한 간격으로 마이크로컨트롤러(15)에 의해 샘플링된다. 그 후, 마이크로컨트롤러에 의해 신호 축적기 콘텐트에 ADC 홀수 샘플이 가해지고, 이로부터 짝수 값만 추출된다. 수신된 각각의 비트 타이밍 신호의 각 칩의 단부에서, 신호 축적기 콘텐트가 세이빙된 후 제로로 세팅된다. 그러므로, 마지막 제4칩의 완성시, 4개의 숫자(X1, Y1, X2, Y2)가 마이크로컨트롤러 메모리에서 발견된다. 쌍으로 취해지는 이러한 숫자는 메인 유니트 송신기의 오실레이터 구적 축상에 슬레이브 유니트 수신기의 로컬 오실레이터 신호 벡터의 프로젝션인 것을 쉽게 알 수 있다. 이 경우, 만일 소정의 비트 간격에서 시스템이 "0"을 전송하였다면, 벡터{X1, Y1} 및 벡터{X2, Y2}는 한쪽 방향을 향할 것이며; 만일 "1"이 전송되었다면, 반대 방향을 향할 것이다. 슬레이브 유니트 수신기는 복소 평면에서 벡터{X1, Y1}를 수반 벡터{X2, Y2}와 곱한 후, 곱의 실수 부분의 사인(sign)을 결정함으로써(이 경우에는 X1Y1 - X2Y2 가 된다), 비트 변조를 종료한다. 만일 실수 부분의 사인이 결정되면, "0"이 전송되고; 그렇지 않으면, "1"이 전송된다. 마이크로컨트롤러가 입력 신호를 샘플링하고 수신될 신호 캐리어의 이중 주파수와 동일한 주파수는 한 비트에서 다른 비트로 변화된 후, 시스템의 메인 유니트의 송신기에서처럼 동일한 순환법칙을 따른다. 그후 수신기에 의해 복조된 타이밍 신호 비트는 FIFO 타입(first in - first out)의 256비트 시리얼 시프트 레지스터에 들어간다. 다음 비트가 레지스터에 들어갈 때마다 레지스터 콘텐트는 수신기에 알려져 있는 동기화 시퀀스와 비교되며; 만일 다수의 코인시던스(coincidence)가 소정의 노이즈의 오류 경보 확률로부터 선택된 일부 설정 임계값을 초과한다면, 타이밍 신호는 수신기에 의해 검출될 것으로 가정된다. 이 경우, 다음 비트 간격에 대해 수신기는 시스템의 메인 유니트 송신기에 의해 다음 비트 통신의 예견 주파수에 따라 자신의 캐리어 주파수를 선형적으로 변조(주파수 소인)한다. 상술한 바와 같은 수신기의 동작 메카니즘은 타이밍 신호 자체뿐만 아니라 그 변조의 사실을 발견할 수 있게 한다. 예를 들어, 가장 간단한 경우에 있어서, 메인 유니트는 직접적인 동기화 시퀀스에 따라 또는 이와는 역으로, 즉, 모든 0이 1로 대체되고 그리고 이와는 반대로 되는 상태에 따라 타이밍 신호를 송신한다.
이 경우, 수신기는 시프트 레지스터의 콘텐트와 공지의 직접 동기화 시퀀스 사이에서 다수의 코인시던스(P)를 카운트하고, 이와 동시에 다수의 넌코인시던스(noncoincidence)(N)를 카운트한다. 만일 상기 P 또는 N 이 설정의 검출 임계값을 초과한다면, 동기화 시퀀스는 수신기에 의해 검출되고, 이와 동시에 메인 유니트는 모든 슬레이브 유니트에 "0" 또는 "1"의 비트값을 송신한 것으로 고려된다. 상기 슬레이브 유니트 수신기는 2가지 기본 작동모드 즉, 타이밍 신호 검색 모드와 온 링크 모드를 갖는다. 이것은 전원이 켜진후 즉시 검색 모드에 들어간다. 이러한 모드의 주 목적은 각각의 슬레이브 유니트와 시스템 메인 유니트 사이에 프레임 동기화를 구축하는 것이다. 슬레이브 유니트 수신기 그 자체는 실질적으로 모든 모드에서 동일하게 작동되며, 그 차이점은 상기 검색 모드에서는 메인 유니트 송신기의 주파수 소인의 초기 위상과 일치하는 순간까지 또한 제1타이밍 신호가 수신되는 순간까지, 그 주파수 소인의 초기 위상을 연속적으로 또한 주기적으로 변형시킨다는 사실이다. 그후, 슬레이브 유니트 송신기가 주기적으로 작동되어, 각각의 데 이터 송신 간격(21)에 대해 하나의 비트를 송신하며, 상기 슬레이브 유니트 수신기는 온링크 모드로 절환되고, 이제는 다음 프레임(25)이 시작될 때 타이밍 신호(20)의 예견 존재를 확인하는 경우에만 작동된다. 통신 채널(16)을 통해 슬레이브 유니트에 의해 수신된, 센서 상태에 관한 정보를 포함하는 데이터는 슬레이브 유니트 송신기에 의해 각각의 프레임(25) 내에 하나의 비트씩 64 비트 패킷의 형태로 이송된다. 패킷은 중지없이 차례대로 지속적으로 송신된다.
본 발명이 발병자 레벨의 요구사항에 부합하는지를 확인하기 위하여, 프로토타입과는 상이한 특징과 일치하는 공지의 특성에 대한 부가의 검색이 실행되었다. 그 결과에 따르면, 원격 센서로부터의 폴링 신호 대신에, 시스템 메인 유니트에 의해 또는 공지되지 않는 기타 다른 특정 전용 장치에 의해 전송된 (항상 존재할 필요가 없는) 일시적인 타이밍 신호를 사용하는 솔루션 때문에, 본 기술분야의 숙련자에게 본 발명은 공지의 엔지니어링 레벨을 직접적으로 따르지 않는 것으로 나타난다.
따라서, 상술한 바와 같은 정보는 본 발명의 사용에 의해 하기와 같은 조건들의 세트가 충족되는지의 여부를 테스트한다.
- 실현되었을 때 본 발명을 구체화하는 수단은 전기 네트워크 통신분야, 특히 원격 센서로부터의 데이터 수집을 위한 시스템에 사용하기 위한 것이다.
- 청구범위의 독립항에 특정화된 바와 같이, 본 발명의 실현 가능성은 본 발명의 우선일 이전에 이미 공지되었거나 상술한 바와 같이 인용된 수단이나 방법에 의해 확인된다.
- 본 발명을 구체화하는 수단은 실현되었을 때 본 출원인에 의해 예견된 기술적 결과를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 하나의 메인 유니트와 다수의 슬레이브 유니트를 포함하는 교류 공급 네트워크를 통한 데이터 수집 시스템에 있어서,
    상기 메인 유니트는 하나 또는 여러개의 문자로 구성되며 모든 슬레이브 유니트에 의해 동시에 수신되는 설정된 형태의 타이밍 신호를 전송하며,
    문자 동기화 이벤트로서, 모든 시스템 유니트는 시스템 공급 네트워크 전압의 기본 고조파의 제로 크로싱 포인트를 사용하고; 번호 N의 슬레이브 유니트가 타이밍 신호 엔드 포인트로부터 카운팅하는 네트워크 기본 전압의 하프사이클(N) 동안 자신의 데이터를 송신할동안, 메인 유니트는 동일한 간격으로 상기 타이밍 신호를 엄격하게 주기적으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 수집 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 타이밍 신호가 일시적으로 존재하는 않는 경우에, 슬레이브 유니트는 타이밍 신호의 공지의 사이클 값으로부터 자신의 위치를 연산하는 네트워크 기본 전압의 자신의 하프사이클 내에서 데이터 송신을 지속하는 것을 특징으로 하는 데이터 수집 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 타이밍 신호를 공급하는 소스는 시스템 메인 유니트가 아니라 일부 다른 개별 장치인 것을 특징으로 하는 데이터 수집 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 타이밍 신호는 변조되며, 메인 유니트로부터 슬레이브 유니트로 방송 데이터를 송신하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 데이터 수집 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 메인 유니트 및 슬레이브 유니트에 의해 송신된 모든 신호는 네트워크 전압 하프사이클의 1/3과 동일한 주기를 가지며, 시스템 공급 라인 전압의 기본 고조파의 제로 크로싱 포인트에 집중되는 것을 특징으로 하는 데이터 수집 시스템.
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