TW201534129A - 雙向家電遙控系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種新的控制觀念與方式，以遙控裝置任意控制家庭、辦公室、或工廠等單一市電戶內聯結在電源線上的電力插座或開關，而且隨時可讀取並顯示各受控制點之即時狀態。系統包含可插在任一電源插座上內建無線電與電源線通訊收發電路的中控模組，多個內建有電源線通訊功能與電磁開關機構的受控電器開關或電源插座，與至少一個有線或無線遙控裝置；遙控裝置以無線電或經電源線與中控模組發收指令與資訊，中控模組則通過電源線對同一電源系統上的受控制標的發送控制指令與接收回報即時狀態資訊.

Description

雙向家電遙控系統

本發明係關於使用無線電與一種特別的電源線通訊方式，以動態編碼與變換密碼防錯的雙向家電遙控技術。

目前無相同應用方式與觀念。

本發明主要是使建築物內嵌於牆柱面的電源插座或各式開關手動控制外還可以遙控，並由遙控裝置上讀知所有受控點即時狀態的雙向模式。試想睡前只要在床上拿著小計算機大小的無線遙控器，不但可以關掉房內天花板上明亮的大燈，也可以檢視並控制其他房室燈具狀態，更可以檢查並控制插在各電源插座上電器使用狀況；當然也可以在個人電腦內加通訊模組插接到電源插座，透過電源線路，從電腦監視器畫面上檢視所有家電設備狀態，並有線遙控開關之，這種方便性一直是許多電子電器與家電業者追求而不可得的目標。然而現有類似產品無論是以紅外線或無線電控制都是一對一方式，不能統一或監控其他設備，發射與接收裝置昂貴又耗電力，最重要的是從沒有能夠直接遙控建築物內牆柱面上開關與插座的產品與技術觀念，無法全面遙控家電設備。本發明因此以全新的觀念任意遙控牆柱面上的開關與插座之外，也創新建構外型尺寸與目前普遍使 用者相同的內嵌牆柱用電器開關與電源插座模組裝置，使用者可以直接替換，不會有挖牆鑿洞的施工問題；利用電源線傳遞資訊的新觀念則可以操控幾乎數量不限的受控制電器開關與電源插座，其中以中頻訊號呼叫的方法確保這些受控標的能以微耗電隨時保持待命狀態，由中控模組統一控制執行的一套機動變換密碼系統，完全得以防避誤動或外來侵犯與干擾。由於本系統中可遙控的電器開關與電源插座都內建電磁開關機構依控制指令動作，可程式化操作如定時開關、順序啟動、或分區連動都輕易可行。

1‧‧‧中控模組，含微電腦與內建或外接非揮發性記憶體

10‧‧‧中控模組本體

11‧‧‧中控模組電路板

12‧‧‧電路板天線

20‧‧‧觸控面板遙控裝置

21‧‧‧發光鍵盤遙控裝置

22‧‧‧其他簡單型遙控裝置

23‧‧‧有線遙控裝置

3‧‧‧電器開關模組，可有許多組，各有特定控制位址

30‧‧‧電器開關底座

31‧‧‧電器開關上蓋

32‧‧‧電器開關固定組合鐵架，有左右兩組

33‧‧‧電器開關按鍵

34‧‧‧電器開關接線插孔

35‧‧‧電器開關接線插孔

36‧‧‧電器開關接線插孔

37‧‧‧電器開關接線插孔

38‧‧‧電器開關底座上固定組合鐵架用凸出座，左右各二共有四組

39‧‧‧指示燈視窗

3a‧‧‧緩衝儲能電容器

3b‧‧‧電路板，電器開關主電路板

3c‧‧‧電源線通訊模組，內含高頻數據通訊電路B與中頻呼叫偵測電路

3d‧‧‧電磁機構電路板

3e‧‧‧電磁機構，電器開關用

3f‧‧‧電磁機構之電磁線圈

3i‧‧‧固定導磁板

3j‧‧‧活動導磁板，以電磁鐵心3n為軸可左右翹動

3k‧‧‧導電銅彈片，與活動導磁板連動但相互電氣絕緣

3n‧‧‧電磁鐵心，也作為活動導磁板轉軸

3p‧‧‧電流接點

3r‧‧‧右強磁鐵

3s‧‧‧左強磁鐵

3t‧‧‧火線導電極

3u‧‧‧負載線導電極

3v‧‧‧電流偵測電路，電器開關用

4‧‧‧電源插座模組，可有許多組，各有特定控制位址

40‧‧‧電源插座底座

41‧‧‧電源插座上蓋

42‧‧‧電源插座固定組合鐵架，有左右兩組

44‧‧‧電源插座接線插孔

45‧‧‧電源插座接線插孔

46‧‧‧電源插座接線插孔

47‧‧‧電源插座接線插孔

49‧‧‧電源插座插槽

4a‧‧‧緩衝儲能電容器

4b‧‧‧電路板，電源插座主電路板

4c‧‧‧電源線通訊模組，內含高頻數據通訊電路B與中頻呼叫偵測電路

4d‧‧‧電磁機構電路板

4e‧‧‧電磁機構，電源插座用

4v‧‧‧電流偵測電路，電源插座用

5‧‧‧無線電中繼模組，擴充無線電可控制範圍

50‧‧‧訊號耦合變壓器

51‧‧‧訊號耦合電容

52‧‧‧陶瓷濾波器，石英晶體濾波器更佳

53‧‧‧中頻呼叫偵測電路

第1圖係本發明之系統概要與工作原理圖。

第2圖係本發明之中控模組與輕便遙控裝置構造圖。

第3圖係本發明之牆柱內嵌電器開關與電源插座裝置構造圖。

第4圖係第3圖內裝置之電磁機構與電源線通訊原理圖。

如第1圖之系統概要圖所示，中控模組1內建微電腦統一控制全系統，並以微電腦內建或外接的非揮發性〈可用快閃〉記憶體儲存系統與密碼資訊；高頻數據通訊電路A〈簡稱高頻A〉是用在無線電通訊〈通常採用2.4GHz頻率〉，高頻數據通訊電路B〈簡稱高頻B〉則用在電源線通訊〈通常採用sub1GHz的開放頻率〉，兩者也可採相同頻率系統以不同頻道與控制位址區分。使用時直接插在任一電源插座上，從電源線取得電力，由中頻呼叫電路呼叫聯結在同一電源系統上可受控的電器開關3與電源插座4〈簡稱受控點〉，接著用高頻B相互收發資訊；與遙控裝置通訊則不需 中頻呼叫，因為對方開機即進入待通訊狀態，用高頻B聯結有線遙控裝置23，或用高頻A經天線聯結無線遙控裝置20、21、22，選用項目的備份二次電池可在斷電時提供電力繼續發送訊息給遙控裝置；若無線遙控範圍太大或在無線電訊號被阻絕的空間裡，可增設無線電中繼模組5，用高頻B經電源線與中控模組1收發資訊，另以高頻A經天線聯結無線遙控裝置。如第2圖左上方圖示，典型無線遙控裝置之觸控面板遙控器20，以高頻A與中控模組1聯結，可內建各種圖形聯結到特定受控制標的，很容易從觸控顯示幕200上看圖控制家電，閒置時自動進入休眠省電模式，很久才需要再充電或換電池。右上方圖示的發光鍵盤遙控器21是另外一種低成本、使用方便、還可抗摔的可靠無線遙控器，功能鍵210是電源開關與其他特別定義的功能開關，可發送複合控制命令執行多個遙控操作；透光下裝LED發光二極體的控制鍵211有很多組，由使用者依照實際對應標的標示說明文字212指引操作，開機檢視或遙控開關時以發光狀態反應受控制點即時狀態。第1圖右下方所示的其他簡單型遙控裝置22，可以是發送複合控制命令的單鍵或少數鍵無線遙控器，例如夜間如廁時按鍵即可打開沿途燈光，完事後回到原處再按鍵就全部關燈的設計，也可以是內建相容無線電通訊系統的筆電、平板電腦、或智慧型手機內的附加功能。有線遙控裝置23是內建或插接有相容高頻B的個人電腦或其他控制器，隨處連上電源系統不但可遙控，還可執行分析、設定參數或密碼之操作。左上方圖示的電器開關3與電源插座4都內建有中頻呼叫偵測電路、高頻B、與電磁開關機構，以微處理器主控運作，並記存必要參數與密碼到非揮發性記憶體，確保與中控模組1互動無誤。如第2圖下半所示的中控模組構造，由本體10與中控模組蓋組成小型盒 狀體，在本體底部的中控模組電路板11中間背面位置焊裝有插頭構造，穿出本體底面，可直接將中控模組盒插接在電源插座上；電路板11上有微電腦與非揮發性記憶體、高頻A與B、中頻呼叫電路，高頻A使用電路板天線12，選用項目的備份二次電池則安裝在電池座內，隨時可更換。

如第3圖所示，電器開關3與電源插座4之外形尺寸都與目前最普遍之市售品相同，以方便直接替換；由於單相三線式是最普及使用的電源系統，因此以下說明也以單相三線接線為例。左上方圖示電器開關3以左右兩組固定組合鐵架32下緣撐開倒勾住底座30上凸出座38〈雙面左右邊都有〉，牢固結合底座30與上蓋31成一體，電源插座4也是這樣的組合構造，因此省略不在圖中繪出每個凸出座，後面也不重複贅述這段說明。上蓋31上的按鍵33可以是蹺板式或按鍵式，由於內建電磁開關3e，很容易配合按鍵或觸控，因此本例即以按鍵方式作說明；按鍵33中間有指示燈視窗39以判別開關狀態，習見燈具控制開關都是在關燈狀態時亮起指示燈，本設計例指示燈是由微處理器控制，可以程式任意設定或變更顯示方式。與普遍市售品一樣底座30也有四個接線插孔34,35,36,37，如接線圖A所示，接線插孔36,37分別接交流市電之任一火線與中性線，接線插孔34,35在開關內部短路，可任選一個接到負載線，而負載之另端通常室內配線到交流市電之中性線；串接在負載電流路徑上的電流偵測電路3v並不需要如電流儀錶般精確，0.1A(安培)解析度就足敷安全監控功能需要，以簡單低成本電路，測知的電流量可定時或依使用者要求回報中控模組1與遙控裝置，超過預設安全值時則可程式規劃回報警訊或直接切斷電力。圖右上方所示則是內部的空間安排，上層位置的電路板3d安裝有雙穩態電磁機構的電磁開關3e， 只在變更狀態時耗電動作，可以因頻繁使用故障或電流接點耗損時單獨更換；主電路板3b在底座30底部位置，必要時也可以是雙層構造以安裝全部零組件，包括微處理器與非揮發性記憶體、由高頻B與中頻呼叫偵測電路組成的電源線通訊電路3c、提供電路所需電力的電源管理電路、可雙向驅動電磁機構的電路、與提供電磁機構動作時瞬間大電力的緩衝儲能電容器3a。四個接線插孔34,35,36,37確保接線不會鬆脫的構造並不在本發明申請專利範圍內，在此不另作說明。下半部圖示的是電源插座4的構造與接線方式，接線插孔44,45與46,47各在內部短路相通，上蓋41與底座40組合方式與前述電器開關3完全相同，但因上蓋41內容納插座插槽占用較大空間，電路板4d與電磁開關機構4e是倒裝方式，主電路板4b構造與電路內容則與電路板3b相同；一般狀況下接線圖B中接線插孔46,47接到電源之中性線，內部直接聯結插座插槽，因此內部其實只需一組開關的狀態與接線圖A是完全相同的。兩種裝置內的電磁機構都是如第4圖左上方電磁機構圖所示典型構造，由電磁線圈3f、電磁鐵心3n、固定導磁板3i、以相同磁極方向定位在其左右端的強磁鐵3s與3r、加上活動導磁板3j共同構成一組雙穩態電磁機構；只要分別以正反向電流驅動電磁線圈3f，電磁鐵心3n會藉活動導磁板3j的翹動，分別經固定導磁板3i與強磁鐵3s、3r構成穩定磁迴路，並在驅動電流停止後仍可保持穩定狀態；導電銅彈片3k〈單或雙組〉與翹動的活動導磁板3j連動但以絕緣墊隔離，左端铆接到火線導電極3t，藉右端之電流接點3p與負載線導電極3u之開合開關電路。

如第4圖中下方的電源線通訊原理圖所示，中控模組1分別透過電源線與天線與遙控裝置聯結，除單一中控模組必須保持隨時待通訊 的耗電狀態外，遙控裝置在使用者開機使用時才耗用電力，兩者加總耗電有限；但受控點數量很多，若其內部電路都保持全天候待通訊狀態總耗電量會很大，其中絕大部份卻是無謂的浪費；因為實際通訊時間只需很短的數毫秒(ms)，耗電大的高頻數據通訊電路其實只需在實際進行通訊時致能運作即可。因此本發明之中控模組與受控點間通訊互動新創了一種新的電源線通訊模式，待機時讓聯結在電源線上的受控點只打開微安培(ua)等級耗電的中頻呼叫偵測電路53；有通訊需求時，中控模組1內的中頻呼叫電路先發送電源線上衰減量小的中頻呼叫訊號波〈典型300-500khz〉喚醒受控點，後者經訊號耦合電容51與訊號耦合變壓器50之初級線圈粗略濾波通過上述中頻波，再經過選擇性很高的陶瓷或石英晶體濾波器52濾出中頻呼叫訊號，從中頻呼叫偵測電路53測知有效中頻呼叫訊號時才致能微處理器與高頻B，進行通訊交換數據資料；高頻B縱然在電源線導體上訊號傳輸衰減很大，效率仍遠優於經天線的開放式收發訊，只需較少功率就可有效到達每個受控標的；而且數百MHz至數GHz的射頻訊號頻率遠高於絕大部份電源線上產生的干擾雜訊，受影響機會很小；數百Kbps的高數據載送率則讓通訊雙方很容易執行交談確認動作，構成正確有效的資料傳遞模式，也很容易以特定命令，從遙控裝置經中控模組，對受控點內微處理器的韌體程式執行更新、設定或更改記憶體內存參數，並不需逐一拆下作設定。

當中控模組1經天線與無線遙控裝置，或經電源線與有線遙控裝置、受控點通訊時，資訊加密方式固然可採用無線區域網路〈WIFI〉系統普遍使用的WPA或WPA2標準之個人模式進行；本發明另創的一套特殊動態密碼系統則會更簡單可靠。如第4圖下方圖示，從中控模組1發出的 加密封包都會內含定義控制位址與資訊性質的封包頭、依需要的主文資料串、還必須有由中控模組隨機產生(至少16bits以上)下次傳輸要用的新密碼〔簡稱新密碼〕；中控模組1收到的加密封包則有“回應”與“主動發送”兩種，前者是對中控模組主動發訊的回應封包，須內含與新密碼運算產生的除錯確認字串，讓中控模組判別通訊是否正確無誤，若正確則立即將與該對象相互通訊之密碼更新為新密碼；該對象也會在特定時間〈通常10ms秒以下〉確定未繼續收到重送封包後同步更新到新密碼；若除錯確認字串有誤，中控模組會立即重送原加密封包，並在重複特定次數後標記該對象為異常，不更新到新密碼且發送通知到開機中的遙控裝置，在恢復正常前新開機的遙控裝置也都可看到這種“異常”標記；本密碼系統每一次正確有效通訊後都會換新密碼，可很有效防堵入侵者並避免誤動。遙控裝置發送命令，或手動操控受控點後主動發送新狀態資料到中控模組1的“主動發送”封包，因還未收到新密碼，封包不必含除錯確認字串。中控模組對查詢性質命令會直接回報記存的最新狀態資訊，對控制性質命令則先轉發到受控點，這種控制命令可以是開關、更新參數之類單一動作，也可以是預設在中控模組內，且隨時可從遙控裝置以特定命令增建或刪除，包含許多控制動作的複合控制命令；當然以上兩種屬“發出”的封包都都會內含新密碼，並從受控點或遙控裝置回應封包內的除錯確認字串確認通訊正確有效後，才更新系統記憶與密碼，從中控模組回報受控點最新狀態資訊到遙控裝置的過程，是另一個確認與更新密碼過程。所有資訊傳遞過程中，只有中控模組要與微耗電待機中的受控點通訊時才需先送出一小段中頻呼叫訊號喚醒之。中控模組內的非揮發性記憶體不僅記存所有受控點與遙控裝 置的即時狀態、安全監控參考值、他們各自與中控模組通訊的新舊密碼、以及一組控制命令對照表與其中複合控制命令的控制流程內容；如果容量夠大，還可以保存所有受控點一定次數負載電流量記錄，或其他可供參考的參數。所有進行通訊雙方都必須保存新舊兩組密碼，以新密碼解碼比對有誤時會再嘗試舊密碼，確保異常通訊事件或任一方更新密碼有漏失時仍可即時修正。只要內建非揮發性記憶體容量夠大，足夠儲存相關參數與密碼資料，控制點的數量幾乎可以無限擴充。以數據通訊傳遞控制命令與即時狀態資訊，並由微處理器推動電磁機構取代手動操作，每個受控點都會變成具有無限使用彈性，只要在電腦上規劃，從遙控裝置經中控模組執行，變化多端的各種程式化或自動化控制流程都輕易可行。

1‧‧‧中控模組，是系統核心，以無線電與電源線通訊聯結其他裝置

20‧‧‧觸控面板遙控裝置，看圖作控制之無線遙控裝置

21‧‧‧發光鍵盤遙控裝置，看文字說明指示作控制之無線遙控裝置

22‧‧‧其他簡單型遙控裝置，特定目的與功能之無線遙控裝置

23‧‧‧有線遙控裝置，內建相容電源線通訊模組的電腦或其他裝置

3‧‧‧電器開關模組，可有許多組，各設有特定控制位址

4‧‧‧電源插座模組，可有許多組，各設有特定控制位址

5‧‧‧無線電中繼模組，用來擴充無線電控制範圍

Claims (14)

1. 一種雙向家電遙控系統，包括：一個可直接插接在電源插座的中控模組，多個聯結在共通電源線上可手動或遙控之電器開關與電源插座〈簡稱受控點〉，至少一個有線或無線遙控裝置，可擴充增設的無線電中繼模組，一套電源線通訊系統，及一套逐次變更的動態密碼系統；系統以中控模組為核心，使用者從遙控裝置經中控模組可遙控或讀取任何受控點之即時狀態，或讀取、設定、更新其內建微處理器韌體程式與非揮發記憶體內存資訊為其主要特徵者。
2. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之中控模組是系統核心單元，內建有微電腦主控全系統運作，分配給每一個遙控裝置與受控點〈此後皆簡稱對象〉一組專有控制位址，並內建非揮發性記憶體儲存全系統參數、對象各自專有的控制位址、通訊密碼、與即時狀態資訊；內建之無線電高頻數據通訊電路聯結無線遙控裝置，並以電源線通訊系統透過電源線聯結有線遙控裝置與所有受控點，還負責隨機產生與對象通訊逐次變更的新密碼為其主要特徵者。
3. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之電源線通訊系統是將數據資訊載入頻率遠高過電源線上干擾雜訊的高頻電波，經由電源線聯結中控模組、有線遙控裝置、與所有受控點為其主要特徵者。
4. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，受控點以微處理器主控，內建非揮發性記憶體儲存與中控模組通訊之專用密碼、微處理器韌體程式、與安控參數，含中頻呼叫偵測的電源線通訊電路，以及可在故障或電流接點耗損時被單獨替換的雙穩態電磁開關機構為其特徵者。
5. 根據申請專利範圍第4項之受控點內的電磁開關機構，內建有安全監控用電流偵測電路串接在負載電流路徑上，測得電流值由微處理器執行安 全監控，可依程式規劃執行“過電流”斷電或回報警示訊號，也可定時或依使用者命令要求回報到中控模組與遙控裝置為其特徵者。
6. 根據申請專利範圍第3項的電源線通訊系統，在中控模組內建中頻〈500KHz以下〉呼叫電路，受控點則內建高選擇性濾波電路與微耗電中頻呼叫偵測電路，測得中控模組發送之有效中頻呼叫訊號才起動微處理器與電源線通訊系統和中控模組進行通訊為其特徵者。
7. 根據申請專利範圍第2項之中控模組可加裝備份二次電池，於中控模組因市電斷電或插接電源插座有誤而失去電力時，提供備用電力對開機中遙控裝置發送警示訊號為其特徵者。
8. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之無線電中繼模組，以電源線通訊系統聯結中控模組，另以無線電高頻數據通訊電路聯結無線遙控裝置為其特徵者。
9. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之動態密碼系統通用於全系統內無線電與電源線通訊，由中控模組主控發出的資訊封包都包含隨機產生下次通訊要用的新密碼；對象收到有新密碼的資料封包後，必須在回應封包內加入除錯確認字串，中控模組驗證除錯確認字串無誤才會將通訊密碼更新為新密碼，若驗證有誤就立即重送原資料封包，直到重送達特定次數後標記該對象為“異常”為止；對象則在特定時間內〈通常數毫秒(ms)〉未繼續收到重送封包，判定該通訊無誤也同步更新到新密碼；中控模組與對象都保存新密碼與前一“舊”密碼，以便補救“異常”通訊或更新密碼過程有漏失狀況為其主要特徵者。
10. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之遙控裝置是內建有與本發明電源線通訊系統或無線電高頻數據通訊電路相容之各種電腦裝置，只要取得中控模組分配之控制位址與通訊密碼，即可聯結中控模 組遙控並讀取受控點即時狀態，或讀取、設定、更新受控點內部韌體與其內建非揮發性記憶體內存參數為其特徵者。
11. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之無線遙控裝置是輕薄觸控面板型式，以內建相關圖像對應受控點，讓使用者很輕易看圖控制，閒置則自動關機為其特徵者。
12. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之無線遙控裝置是發光鍵盤型式，以個別內建發光元件的按鍵對應特定受控點，並以發光與否反應對應受控點之即時狀態，閒置則自動關機為其特徵者。
13. 根據申請專利範圍第1項的雙向家電遙控系統，其中之無線遙控裝置是簡化成單鍵或很少數鍵型式，各以程式規劃特定複合控制內容儲存在中控模組內，讓使用者按單鍵即可執行特定複合控制功能為其特徵者。
14. 根據申請專利範圍第2項之中控模組，其內建非揮發性記憶體儲存有控制命令對照表，與其中一些複合控制命令之執行內容，並可從遙控裝置以特定命令增建或刪除為其特徵者。