余 孟 沈星星 李 梅 徐門俊 胡文濤 余俊武

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315311）

引言

智能開關(guān)是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，是數(shù)量最多的終端設(shè)備，其中又以多位雙控或多控單火線智能開關(guān)所占比例居多。但目前多位雙控或多控單火線智能開關(guān)設(shè)計方案五花八門，而且存在這樣或那樣的設(shè)計缺陷，其設(shè)計的優(yōu)劣程度直接影響智能家居系統(tǒng)的普及和推廣，直接關(guān)系到國家新基建智能升級的成敗。

本文將從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，探討其不足之處，并提出更優(yōu)方案及技術(shù)難點和解決方案，為大家提供一種全新的設(shè)計思路。

1 雙控或多控開關(guān)工作原理

如圖1所示，由兩個開關(guān)控制一路燈稱為雙控開關(guān)。

圖1 雙控布線圖

如圖2所示，由三個或三個以上的開關(guān)控制一路燈，其中接在兩邊的開關(guān)稱為雙控開關(guān)，接在中間的開關(guān)稱為多控開關(guān)（中途開關(guān)）。

圖2 多控布線圖

2 現(xiàn)有技術(shù)及不足

雙控或多控是機械開關(guān)的必備功能，但單火線智能開關(guān)一般都是通過有線（如圖3所示）或無線（如圖4所示）通訊的方式實現(xiàn)雙控或多控功能。這樣就會帶來如下問題：

圖3 有線通訊雙控

圖4 無線通訊雙控

2.1 安裝復(fù)雜

如圖5所示，傳統(tǒng)機械雙控開關(guān)每一路雙控都需要一根火線（1），一根燈線（4）和兩根雙控線（2、3）。這和現(xiàn)有的單火線智能開關(guān)安裝方式（如圖3、4）完全不同，只能做到原位替換，無法實現(xiàn)原線替換，電工需要再教育。

圖5 一位機械雙控開關(guān)接線圖

2.2 需帶電安裝

以有線通訊雙控（如圖3）為例說明，多位有線通訊雙控安裝的雙控線無論從數(shù)量還是安裝要求都和機械雙控開關(guān)有所不同，且安裝不慎會有損壞開關(guān)的風(fēng)險，所以需帶電安裝，以識別火線、燈線和雙控線。

2.3 定期更換電池

如果是無線開關(guān)通過網(wǎng)關(guān)和智能開關(guān)形成雙控或多控（如圖4所示），無線開關(guān)就需要定期更換電池。

2.4 雙控或多控配置復(fù)雜

如圖6所示，雙控或多控綁定解綁配置復(fù)雜，不像機械開關(guān)那樣安裝完就能用。

圖6 綁定解綁方法示例

2.5 用戶體驗差

由于現(xiàn)有方案（如圖3、4）雙控或多控是通過有線或無線通訊的方式實現(xiàn)，受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素的影響，編碼、傳輸和解碼會有時延，用戶體驗差。

2.6 無法和機械開關(guān)雙控或多控混用

現(xiàn)有方案（如圖3、4）要實現(xiàn)雙控或多控，所有的開關(guān)必須換成智能開關(guān)，智能開關(guān)無法和機械開關(guān)實現(xiàn)雙控或多控，系統(tǒng)成本高，且不能實現(xiàn)單點智能或局部智能。

2.7 控制距離有限

現(xiàn)有方案（如圖3、4）雙控或多控開關(guān)通訊距離有限，不能像機械開關(guān)一樣實現(xiàn)無限距離的雙控或多控。

2.8 不同相位火線接入易損壞

有線通訊雙控的原理是A、B線其中一根和火線相通，作為系統(tǒng)的GND。整個系統(tǒng)只要接入一根火線即可。但按電工的接線習(xí)慣，可能會把兩頭的火線都接入。當(dāng)雙控或多控接入多條不同相位的火線（380Vac）時，智能開關(guān)會短路損壞（如圖7所示）。

圖7 不同相位火線接入

3 原位原線多位雙控或多控單火開關(guān)方案

針對上述現(xiàn)有技術(shù)及不足，思考設(shè)計一款能原位原線多位雙控或多控替換的單火開關(guān)，如圖8所示，這是一個由多路取電二位雙控單火開關(guān)和二位機械雙控開關(guān)形成雙控，控制兩路負載的電路。

圖8 電子和機械開關(guān)雙控接法

多路取電二位雙控單火開關(guān)每一路有三個接線端子（L10、L11、L12或L20、L21、L22）和一個一組轉(zhuǎn)換繼電器（K1或K3）組成，原理模擬機械雙控開關(guān)。另外每一路有一個獨立的隔離開態(tài)取電模塊（U1或U3）和一路公用的隔離或非隔離關(guān)態(tài)取電模塊（U2）及判斷開關(guān)狀態(tài)的電路（這里不再呈現(xiàn)）。

如圖9所示，這是一個由兩個多路取電二位雙控單火開關(guān)形成雙控，控制兩路負載的電路。

圖9 電子和電子開關(guān)雙控接法

同時多路取電二位雙控單火開關(guān)還能當(dāng)單控用（如圖10所示）。

圖10 雙控當(dāng)單控用

由此可見，此方案電工無需再教育，安裝方便，無需帶電安裝，無需定期更換電池，無需雙控配置，雙控?zé)o時延，用戶體驗好，可與機械開關(guān)雙控或多控混用，系統(tǒng)成本低，沒有控制距離的限制。

但此多路取電二位雙控單火開關(guān)接入不同相位火線（380Vac）會損壞隔離或非隔離關(guān)態(tài)取電模塊（U21）（半波電流如圖11粗線所示），除非此模塊經(jīng)過特殊設(shè)計能耐380Vac。

圖11 接入不同相位火線

為了解決此問題，設(shè)計成一路取電二位雙控單火開關(guān)（如圖12所示），就能解決此問題。

如圖13所示，這是一個由多路取電二位多控單火開關(guān)和兩個二位機械雙控開關(guān)形成多控，控制兩路負載的電路。

多路取電二位多控單火開關(guān)每一路有四個接線端子（L11、L12、L13、L14或L21、L22、L23、L24）和一個二組轉(zhuǎn)換繼電器（K5或K11）組成，原理模擬機械多控開關(guān)。另外每一路有二個獨立的隔離開態(tài)取電模塊（U4、U5或U9、U10）和一路公用的隔離或非隔離關(guān)態(tài)取電模塊（U7）及判斷開關(guān)狀態(tài)的電路（這里不再呈現(xiàn)）。

此多控開關(guān)既能和機械開關(guān)形成多控，也能和電子開關(guān)形成多控；而且能當(dāng)雙控或單控用；改成一路取電則能防止不同相位火線（380Vac）接入損壞開關(guān)。

4 技術(shù)難點和解決方案

4.1 執(zhí)行沖突問題

如果兩個完全一樣的智能開關(guān)接成雙控，因為兩個開關(guān)相互之前不通訊，無法知道對方是否存在，當(dāng)剛上電需要開關(guān)復(fù)位（關(guān)燈）或遙控器控制開關(guān)全開或全關(guān)時（如圖14所示），由于兩個開關(guān)都會執(zhí)行命令，導(dǎo)致得到負負得正的結(jié)果，和預(yù)期正好相反（如圖15所示）。

圖14 復(fù)位前（燈亮）

圖15 復(fù)位后（燈亮）

錯時判斷執(zhí)行技術(shù)：通過兩個智能開關(guān)各自產(chǎn)生一個隨機延時時間，來錯開判斷狀態(tài)和執(zhí)行復(fù)位或全開、全關(guān)的時間，從而避免執(zhí)行沖突。如果第一次執(zhí)行碰撞了，則再產(chǎn)生一個隨機延時時間，直到實現(xiàn)復(fù)位或全開、全關(guān)。然后各自的主控芯片分別記錄此隨機延時時間，下次執(zhí)行就以此時間來判斷和執(zhí)行。

此方案比單獨設(shè)置某個開關(guān)做為執(zhí)行開關(guān)更方便，用戶接受度更高。

4.2 觸點位置判斷和開關(guān)狀態(tài)判斷

如果智能開關(guān)采用單火繼電器（低功耗一組轉(zhuǎn)換磁保持繼電器）方案，上電后主控芯片無法判斷繼電器的觸點在哪一邊，如何識別和記錄觸點位置和開關(guān)狀態(tài)，如何判斷是否帶負載，是一個值得思考的問題。

觸點位置和開關(guān)狀態(tài)識別技術(shù)：針對上電后主控芯片無法判斷觸點位置，可通過人為執(zhí)行和軟件自動執(zhí)行相結(jié)合的方式，去識別和記錄觸點位置和開關(guān)狀態(tài)，同時判斷開關(guān)是否帶負載。

4.3 感應(yīng)電壓干擾開關(guān)狀態(tài)判斷

開關(guān)狀態(tài)通過采樣開關(guān)開和關(guān)時的電壓來判斷，理論上開時無電壓信號（如圖16所示），關(guān)時有電壓信號（如圖17所示），但實際上由于雙控線上有感應(yīng)電壓的存在，開時可能也能檢測到電壓信號，導(dǎo)致難以判斷開關(guān)狀態(tài)。

圖16 燈開時

圖17 燈關(guān)時

如圖18所示增加一個耐高壓旁路電容（C2），可濾除感應(yīng)電壓的干擾。但當(dāng)開關(guān)關(guān)時，由于此電容的存在，會增加回路的待機電流，導(dǎo)致燈鬼火或微亮。

圖18 增加耐高壓旁路電容（C2）

為了解決此問題，需用耐高壓開關(guān)器件（U23）去控制高壓電容（C2）的導(dǎo)通和關(guān)斷時間（如圖19所示）。比如1秒有50個周期，只允許高壓電容C1導(dǎo)通5個周期，在導(dǎo)通的5個周期時間里，如果燈開時，高壓電容（C2）吸收了感應(yīng)電壓，這個時候檢測口可以采集到正確的開關(guān)狀態(tài)。同時，另外45個周期不允許高壓電容（C2）導(dǎo)通，在燈關(guān)時，由于流過燈的平均待機電流比較小，燈就不會出現(xiàn)鬼火或微亮。

圖19 增加耐高壓開關(guān)器件（U23）

另外，不增加額外的電路，只通過軟件識別感應(yīng)電壓和正常電壓波形的區(qū)別來判斷開關(guān)的狀態(tài)也是一種解決途徑。

5 結(jié)束語

經(jīng)過本研究的設(shè)計和分析，我們成功設(shè)計和實現(xiàn)了一種原位原線多位雙控或多控單火線取電開關(guān)，用于家庭照明電路的控制。該開關(guān)在安裝方便、無需帶電安裝、無需定期更換電池等方面具有顯著的優(yōu)勢。通過采用原位原線雙控或多控單火線取電技術(shù)，并結(jié)合了錯時判斷執(zhí)行技術(shù)、觸點位置和開關(guān)狀態(tài)識別技術(shù)以及消除感應(yīng)電壓干擾開關(guān)狀態(tài)判斷技術(shù)，我們解決了設(shè)計中遇到的一些技術(shù)難題。

這些結(jié)果與我們最初的研究目的和假設(shè)相吻合，并且驗證了我們的假設(shè)。我們旨在提供一種智能化、便捷化的家庭照明電路控制解決方案，而該單火開關(guān)正是符合這一目標的。因此，這些結(jié)果對于推動家庭照明電路的智能化發(fā)展具有重要意義，能夠提升用戶的居住體驗并降低系統(tǒng)成本。

未來，可以進一步優(yōu)化和改進單火開關(guān)的性能和功能，以滿足不同用戶和場景的需求。同時，我們也需要加強對單火開關(guān)的標準和規(guī)范制定，確保其安全可靠性，并促進其在智能家居領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。我們鼓勵更多的研究者和工程師參與相關(guān)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新，以推動智能家居行業(yè)的快速發(fā)展，并為用戶提供更好的生活品質(zhì)和便利性。