一種多位雙控或多控單火線智能開關的研究

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

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

本文將從現有技術出發，探討其不足之處，并提出更優方案及技術難點和解決方案，為大家提供一種全新的設計思路。

1 雙控或多控開關工作原理

如圖1所示，由兩個開關控制一路燈稱為雙控開關。

圖1 雙控布線圖

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

圖2 多控布線圖

2 現有技術及不足

雙控或多控是機械開關的必備功能，但單火線智能開關一般都是通過有線（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 安裝復雜

如圖5所示，傳統機械雙控開關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）。這和現有的單火線智能開關安裝方式（如圖3、4）完全不同，只能做到原位替換，無法實現原線替換，電工需要再教育。

圖5 一位機械雙控開關接線圖

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量還是安裝要求都和機械雙控開關有所不同，且安裝不慎會有損壞開關的風險，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

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

2.4 雙控或多控配置復雜

如圖6所示，雙控或多控綁定解綁配置復雜，不像機械開關那樣安裝完就能用。

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，受到網絡環境等因素的影響，編碼、傳輸和解碼會有時延，用戶體驗差。

2.6 無法和機械開關雙控或多控混用

現有方案（如圖3、4）要實現雙控或多控，所有的開關必須換成智能開關，智能開關無法和機械開關實現雙控或多控，系統成本高，且不能實現單點智能或局部智能。

2.7 控制距離有限

現有方案（如圖3、4）雙控或多控開關通訊距離有限，不能像機械開關一樣實現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，作為系統的GND。整個系統只要接入一根火線即可。但按電工的接線習慣，可能會把兩頭的火線都接入。當雙控或多控接入多條不同相位的火線（380Vac）時，智能開關會短路損壞（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方案

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

圖8 電子和機械開關雙控接法

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

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

圖9 電子和電子開關雙控接法

同時多路取電二位雙控單火開關還能當單控用（如圖10所示）。

圖10 雙控當單控用

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，雙控無時延，用戶體驗好，可與機械開關雙控或多控混用，系統成本低，沒有控制距離的限制。

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

圖11 接入不同相位火線

為了解決此問題，設計成一路取電二位雙控單火開關（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和兩個二位機械雙控開關形成多控，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）和一個二組轉換繼電器（K5或K11）組成，原理模擬機械多控開關。另外每一路有二個獨立的隔離開態取電模塊（U4、U5或U9、U10）和一路公用的隔離或非隔離關態取電模塊（U7）及判斷開關狀態的電路（這里不再呈現）。

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

4 技術難點和解決方案

4.1 執行沖突問題

如果兩個完全一樣的智能開關接成雙控，因為兩個開關相互之前不通訊，無法知道對方是否存在，當剛上電需要開關復位（關燈）或遙控器控制開關全開或全關時（如圖14所示），由于兩個開關都會執行命令，導致得到負負得正的結果，和預期正好相反（如圖15所示）。

圖14 復位前（燈亮）

圖15 復位后（燈亮）

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

此方案比單獨設置某個開關做為執行開關更方便，用戶接受度更高。

4.2 觸點位置判斷和開關狀態判斷

如果智能開關采用單火繼電器（低功耗一組轉換磁保持繼電器）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狀態，如何判斷是否帶負載，是一個值得思考的問題。

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

4.3 感應電壓干擾開關狀態判斷

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

圖16 燈開時

圖17 燈關時

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

圖18 增加耐高壓旁路電容（C2）

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

圖19 增加耐高壓開關器件（U23）

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

5 結束語

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

這些結果與我們最初的研究目的和假設相吻合，并且驗證了我們的假設。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，而該單火開關正是符合這一目標的。因此，這些結果對于推動家庭照明電路的智能化發展具有重要意義，能夠提升用戶的居住體驗并降低系統成本。

未來，可以進一步優化和改進單火開關的性能和功能，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的標準和規范制定，確保其安全可靠性，并促進其在智能家居領域的廣泛應用。我們鼓勵更多的研究者和工程師參與相關領域的研究和創新，以推動智能家居行業的快速發展，并為用戶提供更好的生活品質和便利性。