(57)【要約】【課題】家庭内の既存の電力線を通信に用いた家庭制御システムを提供する。【解決手段】本システムは、電力線上において高帯域幅周波数チャネルを用い比較的高い帯域幅でアナログ信号を送信するように接続してある１つ以上のアナログ信号源を含む。アナログ信号源は、同じ電力線上において低帯域幅周波数チャネルを用いて比較的低い帯域幅で制御データを受信する。１つ以上のアナログ信号受信機が、高帯域幅周波数チャネルを用いてアナログ信号を受信し、低帯域幅周波数チャネルを用いて制御データを受信するように接続してある。これらアナログ信号源および受信機から１つ以上の信号源／受信機群を指定するように、コントローラを構成する。コントローラは、低帯域幅周波数チャネルを用いて、各群の信号源および受信機に制御データを送るように構成してある。制御データは、各群に、低帯域幅周波数チャネルの異なるものを用いるように指令する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物内の電力線を用いた電子通信システムであって、
前記電力線を通じて互い同士の通信のために接続してある複数の構成装置と、
前記構成装置の少なくとも１つと関連し、前記電力線上において、低帯域幅周波数チャネルを用い比較的低い帯域幅で制御データを送信する制御送信機と、
前記構成装置の少なくとも１つと関連し、前記低帯域幅周波数チャネルを用いて制御データを受信する制御受信機と、
前記構成装置の少なくとも１つと関連し、前記電力線上において、高帯域幅周波数チャネルを用い比較的高い帯域幅でアナログ信号を送信するアナログ信号源と、
前記構成装置の少なくとも１つと関連し、前記高帯域幅周波数チャネルを用いて前記アナログ信号を受信するアナログ信号受信機と、
を備え、
前記アナログ信号が、電力信号以外の信号であることを特徴とする電子通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、住居またはその他の建物における既存の電気配線を用いる自動化家庭制御システム（automated home control system）、および家庭制御システムの分散構成装置（distributed components）間で通信する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の家庭は、セキュリティ・システム、オーディオ／ビデオ・システム、電話システム、インターコム・システム等を含む多数の洗練された電気システムを潜在的に有している。これらのシステムは全て、相互接続配線を必要としている。例えば、セキュリティ・システムは、センサ、コントローラ、および警報機器間に配線を必要とする。オーディオ／ビデオ・システムは、単一の部屋に６つものスピーカまでの配線だけでなく、個々のアクティブな構成装置間に迷路のような配線を必要とする。電話およびインターコム・システムも同様に、局間に配線を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなシステムを新たな住居の建築中に設置する場合、配線は殆ど支障なく敷設することができる。しかしながら、既存の家にシステムを追加する場合、必要な配線の敷設は、多くの場合多大な労力を必要とする。
【０００４】
既存の住宅における相互接続配線の敷設が困難であることのために、家の中の既存のＡＣ電力配線または電力線を種々の形式の通信に利用する製品が多数入手可能である。このような製品は、電力線において、配電線が搬送する電力の周波数である従来の６０Ｈｚよりもかなり高い周波数で信号を変調することによって動作する。
【０００５】
いわゆる「Ｘ１０」プロトコルが、セキュリティ用構成装置、切替式電力レセプタクル、調光器(dimmer)、およびその他の電力制御モジュールのような共通の電気構成装置間で単純な通信を行うために普及している。Ｘ１０システムは、コマンド・モジュールと種々の形式の受信機との間で基本的な機能性を備える。しかしながら、一般にこのシステムは、オン／オフ機能および調光機能に限られている。
【０００６】
その他にも種々の製品が入手可能である。例えば、家庭用インターコムには、電力線上のアナログ・オーディオ信号を変調し、屋内の異なる２つの部屋間で、専用配線を必要とせずに、オーディオ通信を行うものがある。電話ケーブルの敷設を必要とすることなく、既存の電力線を利用する内線電話機も入手可能である。また、宅内の既存電力線上をビデオおよびステレオ・オーディオを送信するためのアダプタも入手可能である。
【０００７】
既存の建物の配線を通じた通信には、多数の異なるプロトコルが用いられている。比較的単純なＸ１０通信プロトコルは、その一例である。Ｘ１０信号は、１ミリ秒の持続時間を有し、６０ＨｚＡＣ電力信号のゼロ交差点に位置する一連の５ボルト、１２１ｋＨｚパルスから成る。各パルスは二進数の１に対応し、パルスの不在が二進数の０に対応する。単一のＸ１０コマンドは、２２ビット・ワードから成り、ＡＣ電力信号１１回の完全なサイクルから得られる。
【０００８】
家庭用電力線に差し込まれた全てのＸ１０受信機は、全ての送信信号を監視する。しかしながら、各コマンドはその送信機のアドレスを搬送する。受信機は、当該受信機のアドレスを有するコマンドのみに応答する。したがって、スイッチ・モジュールのような制御モジュールは、手作業で双方のアドレスを同じ値にセットすることにより、受信側モジュールと対をなすことができる。２５６個までのアドレスが使用可能である。家庭電力線を通じてコンピュータに異なるＸ１０受信機へコマンドを発行させるコンピュータ・インターフェースが入手可能である。
【０００９】
既存の電力線を用いて更に洗練性を高めたプロトコルも、通信を行うために用いられている。このようなシステムの殆どでは、電気的プロトコルが、６０Ｈｚよりもはるかに高い周波数の変調キャリアを用いている。洗練性の高いシステムにおけるデータ・フォーマットは、ネットワーク・プロトコルと同様または同一であり、共通のキャリア・チャネルまたは周波数を用いてディジタル情報の離散パケットを発信元デバイスから宛先デバイスに送出する。アナログ情報を送るためには、アナログ信号をディジタル化し、パケット内に埋め込む。
【００１０】
Ｘ１０システムに用いられるような単純な制御情報は、比較的低いデータ帯域幅のみがあればよい。このような低い帯域幅が可能な送信機や受信機は非常に安価である。しかしながら、より高い帯域幅を必要とする他のアプリケーションが増えつつある。例えば、オーディオやビデオのような多くの種類のアナログ情報を送信するには、比較的高い帯域幅が必要となる。別の例として、既存の電力配線を用いて家庭用コンピュータやその他のコンピュータ化デバイスにローカル・エリア・ネットワークを備えることが望ましい場合もある。これらの用途には、更に高い帯域幅が必要となる。
【００１１】
残念なことに、高帯域幅で送信可能な構成装置は、生産に比較的費用がかかる。これは、オーディオ、ビデオ、およびコンピュータ・ネットワーク用途に必要とするような高い帯域幅の通信を可能にするいずれの標準についても、その広範な受け入れおよび使用に対する障害となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、同じ家庭用電気配線上において、高帯域幅および低帯域幅通信プロトコルの組み合わせを利用する家庭自動システムを含む。本発明によるシステムは、光スイッチ、調光器、センサ、アラーム、切替式電力アウトレット等のような従来からの低価格の構成装置を含むことも可能である。これらのデバイスの各々は、既存の家庭用配線上に確立する低帯域幅通信チャネルを用いて通信するように構成する。
【００１３】
また、本発明によるシステムは、より高い帯域幅の通信を必要とする構成装置も含む。これらの構成装置は、制御情報のために低帯域幅通信チャネルを用いるように構成する。しかしながら、これらは、他の構成装置との高速通信のために、複数の高帯域幅通信チャネルの１つも用いるように構成する。高帯域幅チャネルの使用は、低帯域幅通信チャネルを通じて通信することによって管理する。
【００１４】
一例として、ＶＣＲは、低帯域幅通信チャネルを用いて、制御コマンドを受信するように構成する。このようなコマンドは、オン−オフ・コマンド、テープ搬送コマンド、およびプログラミング・コマンドで構成することも可能である。また、ＶＣＲは、典型的に、低帯域幅通信チャネルよりも高いキャリア周波数を用いる、高帯域幅通信チャネルを用いて、家庭用電気配線を通じてオーディオ／ビデオ信号も送信するように構成する。
【００１５】
同様に、ＴＶまたはビデオ・モニタは、低帯域幅通信チャネルを用いて制御コマンドを受信するように構成しつつ、高帯域幅通信チャネルを通じてオーディオ／ビデオ信号も受信するように構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の使用可能な高帯域幅チャネルから、ＶＣＲやＴＶが用いることができる高帯域幅チャネルを選択する。コントローラ・モジュールを用いて、ＶＣＲおよびＴＶが同じ高帯域幅チャネルを用いて通信するように設定する。コントローラは、低帯域幅通信チャネルを通じてＶＣＲおよびＴＶにコマンドを発行し、どの高帯域幅チャネルを用いるのかについて構成装置に指令する。異なる高帯域幅チャネルを用いることによって、複数の異なる構成装置の対または構成装置集合が、同じ家庭内に共存することができる。
【００１７】
一旦特定の高帯域幅チャネルを選択したなら、１対または１群の構成装置はあらゆる所望の通信フォーマットを用いることができる。例えば、振幅変調または周波数変調を用いて、選択したチャネル上に直接オーディオまたはビデオ信号を変調することも可能である。あるいは、従来からのモデム技術を用いて、ディジタル・データをチャネル上に変調することも可能である。アドレスを指定するためまたは汎用制御データに対処するためには、高帯域幅フォーマットは必要ない。したがって、構成装置間で用いられる高帯域幅フォーマットは、通信デバイスの要求を最も効率的に満たすように特別に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、電力線１１を通信に用いる家庭制御システム１０の一例を示す。このシステムは、複数の電気構成装置を備えており、これらは電力線を通じて互いの間の通信のために接続してある。このような構成装置は、例えば、スイッチ・モジュール１２、切替式アウトレット１４、ＶＣＲ（ビデオ・カセット・レコーダ）１６、ビデオ・モニタ１８、オーディオ・システム２０，およびコントローラ２２を含む。これらの構成装置は、制御送信機および／または制御受信機を有するので、これらの構成装置は低帯域幅通信チャネル上で互いにディジタル的に通信することが可能となっている。構成装置の一部はアナログ信号源でもあり、その他はアナログ信号受信機である。アナログ信号源および受信機は、１つ以上の高帯域幅通信チャネルを用いて通信する。低帯域幅チャネルは、高帯域幅チャネルよりも低いキャリア周波数であることが好ましい。
【００１９】
図２は、スイッチ・モジュール１２のような、単純な電力制御構成装置の一例を示す。このような構成装置は、関連する制御送信機３０を有し、電力線上において低帯域幅周波数チャネルを用い制御データを送信するように接続してある。
【００２０】
このチャネルは、例えば、１２ｋＨｚまたは毎秒約１２，５００ビットの比較的低い帯域幅のみを許す。低帯域幅チャネルは、約５００ＫＨｚよりも低いキャリア周波数を用いる。ここに記載する実施形態では、キャリア周波数は３００ＫＨｚであり、２％周波数変調を用いてキャリア上にデータを変調する。データは、一連のマークおよびスペースとして送信し、Gilad Odinak（ジラッド・オディナック）、Nigel Kcam（ニジェル・キーム）、およびCraig Ranta（クレーグ・ランタ）による"Bit Encodingin Home Control System"（家庭制御システムにおけるビット符号化）と題し、本願と同時に出願した同時係属中の米国特許出願に記載してあるようなフォーマットを用いる。その内容は、この言及により本願にも含まれるものとする。実際のハードウエアは、ワイヤレスＦＭ変調のために設計された入手可能な集積回路（キャリア電流トランシーバと呼ぶ、National Semiconductor（ナショナル・セミコンダクタ社）のＬＭ２８９３等）を用いて実現する。電力線のサージやノイズに対する保護のために、フィルタを実装する。
【００２１】
また、スイッチ・モジュール１２は、安価なマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラのような、ある種のプログラマブル・ロジック３２も有する。プログラマブル・ロジック３２は、ディジタル送信データを供給して送信機３０を制御するように接続してある。送信機３０は、これに応答して、低帯域幅チャネル上のデータを変調する。Gilad Odinak（ジラッド・オディナック）およびNigel Kcam（ニジェル・キーム）による"Message Formatting，Authentication，and Error Detection in Home Control Systems"（家庭制御システムにおけるメッセージ・フォーマット化、認証、およびエラー検出）と題し、本願と同時に出願した同時係属中の米国特許出願には、特定の制御データ・フォーマットについて記載してある。その内容は、この言及により本願にも含まれるものとする。この場合、スイッチ・モジュール１２は、単純なオン／オフ・コマンドを送信する。
【００２２】
図３は、切替式アウトレット１４のような、単純な受信用構成装置の一例を示す。このような構成装置は、関連する制御受信機３４を有し、低帯域幅周波数チャネルを用いて制御データを受信するように接続してある。この場合も、受信機は、ワイヤレス通信システムを実現するために一般的に用いられるような従来の回路を用いて実現するが、電力線のサージおよびノイズに対して保護するために予防措置を講ずる。切替式アウトレット１４は、電力制御回路３８だけでなく、プログラマブル・ロジック３６も有する。低帯域幅チャネルからのデータは、受信機３４によって復調し、プログラマブル・ロジック３６に供給する。電力制御回路３８はプログラマブル・ロジック３６に応答し、電力を電力アウトレットまたは一体化した構成装置（図示せず）に選択的に供給する。前述の制御データ・フォーマットは、インストーラに、仮想回路番号を各制御構成装置に割り当てさせる。受信機は、その仮想回路番号を有するコマンドにのみ応答するように構成してある。
【００２３】
図４は、ＶＣＲ１６のようなアナログ信号源の一例を示す。ＶＣＲ１６は、既に述べたような制御受信機３９、およびそれ自体のプログラマブル・ロジック４０を有する。プログラマブル・ロジック４０は、制御受信機３９を介して低帯域幅通信チャネルからの制御データを受信するように接続してある。加えて、ＶＣＲ１６は、関連するアナログ・オーディオ信号送信機４２を有し、高帯域幅周波数チャネルを用いて、電力線上でアナログ信号を送信する。このチャネルは、例えば、毎秒約３６，０００ビット程度の比較的高い帯域幅を可能にする。高帯域幅チャネルは、約３ＭＨｚよりも高いキャリア周波数を用いる。ここに記載する実施形態では、キャリア周波数は３．５ＭＨｚないし４．０Ｍｈｚの間であり、約５０ｋＨｚの高帯域幅チャネル２０個に分割する。アナログ信号送信機４２は、２０個の高帯域幅チャネルのいずれか１つとの間で同調可能、または何らかの方法で選択可能である。即ち、プログラマブル・ロジック４０は、制御受信機３９を介して受信した制御データに応答して、送信機を同調させるチャネルを制御する。
【００２４】
この場合も、送信機は、ワイヤレスＦＭ送信機に用いられるような従来の回路を用いて設計する。この場合、生のディジタル化していないオーディオ信号を、選択したチャネルの選択したキャリア周波数上に周波数変調する。オーディオ信号は、ＶＣＲ内の再生電子回路（図示せず）によって、オーディオ信号送信機に供給する。
【００２５】
ＶＣＲ１６は、第２アナログ信号送信機４６を有し、高帯域幅チャネルを用いて電力線上でビデオ信号を送信する。ビデオは、６ＭＨｚ帯域幅のように、オーディオよりも更に高い帯域幅を必要とする。好適な実施形態では、ビデオ信号送信機４６は、４２０ＭＨｚないし４５０ＭＨｚの間のキャリア周波数を有する、５つの使用可能な６ＭＨｚチャネルから選択した１つのチャネルを用いる。この場合も、ＦＭ変調を用いる。
【００２６】
図５は、アナログ信号受信デバイス、この場合は、オーディオ・システム２０の一例を示す。オーディオ・システム２０は、家庭電気配線を通じてオーディオ信号を受信するように接続してあるオーディオ信号受信機５０を有する。この受信機は、ＦＭ復調器であり、他の構成装置（図示せず）による増幅のために、生のディジタル化していないオーディオ信号を生成する。受信機は、２０個の使用可能な高帯域幅オーディオ・チャネルのいずれとの間でも同調可能である。この場合も、低帯域幅通信チャネルを通じて受信した制御データに応答して、受信機５０の動作周波数を制御するために、プログラマブル・ロジック５２を接続してある。オーディオ・システム２０は、既に述べたような制御受信機５４を有し、制御受信機５４は、低帯域幅チャネルを用いて制御データを受信し復調し、更に復調した制御データをプログラマブル・ロジック５２に供給する。
【００２７】
ビデオ・モニタ１８は、オーディオ・システム２０の構成装置と同様の構成装置を有し、ビデオ信号を受信し、それをレンダリング回路(rendering circuit)に供給する。
【００２８】
各電気構成装置について、特定の１組の送信機および／または受信機を有するものとして記載したが、実際にはいずれの特定の構成装置にも、当該構成装置の機能を実行するために必要なあらゆる送信機および受信機を装備してある。例えば、電気構成装置の全ては、制御送信機を有し、制御データの双方向転送を行うようにすることも可能である。しかしながら、アナログ信号送信機および受信機は、オーディオ／ビデオ信号を送信または受信する必要がある構成装置のように、特にそれらを必要とする構成装置にのみ備えてある。この文書では、「オーディオ／ビデオ信号」という用語は、オーディオ情報、ビデオ情報、またはオーディオおよびビデオ情報双方を含む、アナログのディジタル化していない信号を意味する。
【００２９】
更に、典型的なシステムは、制御送信機および受信機を用いる複数の構成装置と、アナログ信号送信機および受信機を用いる複数の構成装置とを有する。全ての構成装置は、共通の低帯域幅制御チャネルを用い、比較的単純な制御通信を行う。しかしながら、アナログ信号源および受信機は、異なる高帯域幅アナログ・チャネルを用い、キャリア周波数も対応して異なる。
【００３０】
本発明は、従来技術に対して多数の利点を有する。利点の１つは、殆どの構成装置は、高帯域幅用部品がなくても販売可能なことである。即ち、洗練性の高い構成装置は、アナログ信号送信機および／または受信機を実現するためにのみ必要となる。高速通信の必要性がないその他の構成装置は、比較的安価な制御送信機および／または受信機があればよい。これによって、完成したシステムのコストは急激に低下する。
【００３１】
別の利点は、オーディオやビデオのようなアナログ信号を用いる構成装置は、設置後に高帯域幅チャネルの異なるものを用いて、デバイス間で特定の相互接続のために構成可能であることにある。
【００３２】
これは、図１のコントローラ２２のようなコントローラによって実現することができる。コントローラ２２は、ラップトップ・コンピュータのような、小型コンピュータで構成することができ、関連する制御送信機および制御受信機を有し、低帯域幅制御チャネルを用いて異なる電気構成装置と通信する。
【００３３】
コントローラ２２は、恐らくは人のオペレータと共に、複数群のアナログ信号源および受信機を指定するように構成する。各群は、単一の信号源および１つ以上の受信機から成る。一旦このような群を指定したなら、コントローラは、低帯域幅制御チャネルを用いて、群の各部材に制御データを送信する。制御データは、各群に、高帯域幅通信チャネルの異なる１つを用いるように命令する。実際には、コントローラは、各群の信号源と受信機との間に、仮想的なアナログ接続を設定する。コントローラは別個の構成装置として示すが、代わりにアナログ信号源または受信機内に一体化することも可能である。例えば、ＶＣＲは、使用可能な受信機への仮想アナログ接続を自動的に設定するコントローラを含むことも可能である。
【００３４】
状況によっては、高速でディジタル・データを送信および受信することが望ましい場合もあり得る。このような機能は、家庭内にローカル・エリア・ネットワークを実現するためには有用な場合もある。このような場合には、ディジタル・データ変調器および復調器を関連させ、それぞれ、先に論じたようにアナログ信号送信機および受信機と共に用いる。これによって、構成装置間において、高帯域幅アナログ信号チャネル上でディジタル・データを送信することが可能となる。前述の５０ｋＨｚオーディオ・チャネルを用いると、毎秒約３６，０００ビットのデータ・レートが達成可能である。
【００３５】
以上本発明を主にその構成装置および構造に関して説明したが、本発明は、建物内の電力線を用いて電気構成装置間で電子的に通信を行う方法を実施するステップも含む。このようなステップは、既存の電力線上において第１周波数チャネルを変調し、構成装置間で低帯域幅通信を行うステップと、電力線上において第２周波数チャネルを変調し、電気構成装置間で高帯域幅通信を行うステップを含む。本発明は、更に、第１周波数チャネル上で電気構成装置間で制御データを送信するステップと、第２周波数チャネル上で１群の構成装置間でアナログ信号を送信するステップとを含む。アナログ信号は、オーディオ／ビデオ信号とすることができ、あるいは変調ディジタル・コンテンツを含むことができる。
【００３６】
更に、本発明は、複数の信号源／受信機群または対を構成装置から指定するステップと、各群の信号源と受信機との間の高帯域幅通信に、特定の周波数を選択するステップを含む。別のステップは、第１周波数チャネルを用いて制御データを各信号源／受信機群に送ることから成る。制御データは、各信号源／受信機群の構成装置に、当該群に選択した第２周波数チャネルを用いるように命令する。先に論じたように、第１周波数チャネルは、第２周波数チャネルよりも低い周波数である。更に別のステップは、特定のアナログ信号送信機が送信するアナログ信号上にディジタル・データを変調し、受信機において信号を復調することから成る。
【００３７】
以上、本発明の構造および方法論的特徴について、多少具体的な言葉で説明したが、本発明は、前述の具体的な特徴やステップには必ずしも限定されるものではないことは理解されよう。逆に、具体的な特徴やステップは、本発明を実施する好適な形態として開示したものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による家庭制御システムのブロック図である。
【図２】本発明によるスイッチ・モジュールのブロック図である。
【図３】本発明による切替式アウトレットのブロック図である。
【図４】本発明によるＶＣＲのブロック図である。
【図５】本発明によるオーディオ・システムのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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