一种多位双控或多控单火线智能开关的研究

余 孟 沈星星 李 梅 徐门俊 胡文涛 余俊武

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315311）

引言

智能开关是智能家居系统的重要组成部分，是数量最多的终端设备，其中又以多位双控或多控单火线智能开关所占比例居多。但目前多位双控或多控单火线智能开关设计方案五花八门，而且存在这样或那样的设计缺陷，其设计的优劣程度直接影响智能家居系统的普及和推广，直接关系到国家新基建智能升级的成败。

本文将从现有技术出发，探讨其不足之处，并提出更优方案及技术难点和解决方案，为大家提供一种全新的设计思路。

1 双控或多控开关工作原理

如图1所示，由两个开关控制一路灯称为双控开关。

图1 双控布线图

如图2所示，由三个或三个以上的开关控制一路灯，其中接在两边的开关称为双控开关，接在中间的开关称为多控开关（中途开关）。

图2 多控布线图

2 现有技术及不足

双控或多控是机械开关的必备功能，但单火线智能开关一般都是通过有线（如图3所示）或无线（如图4所示）通讯的方式实现双控或多控功能。这样就会带来如下问题：

图3 有线通讯双控

图4 无线通讯双控

2.1 安装复杂

如图5所示，传统机械双控开关每一路双控都需要一根火线（1），一根灯线（4）和两根双控线（2、3）。这和现有的单火线智能开关安装方式（如图3、4）完全不同，只能做到原位替换，无法实现原线替换，电工需要再教育。

图5 一位机械双控开关接线图

2.2 需带电安装

以有线通讯双控（如图3）为例说明，多位有线通讯双控安装的双控线无论从数量还是安装要求都和机械双控开关有所不同，且安装不慎会有损坏开关的风险，所以需带电安装，以识别火线、灯线和双控线。

2.3 定期更换电池

如果是无线开关通过网关和智能开关形成双控或多控（如图4所示），无线开关就需要定期更换电池。

2.4 双控或多控配置复杂

如图6所示，双控或多控绑定解绑配置复杂，不像机械开关那样安装完就能用。

图6 绑定解绑方法示例

2.5 用户体验差

由于现有方案（如图3、4）双控或多控是通过有线或无线通讯的方式实现，受到网络环境等因素的影响，编码、传输和解码会有时延，用户体验差。

2.6 无法和机械开关双控或多控混用

现有方案（如图3、4）要实现双控或多控，所有的开关必须换成智能开关，智能开关无法和机械开关实现双控或多控，系统成本高，且不能实现单点智能或局部智能。

2.7 控制距离有限

现有方案（如图3、4）双控或多控开关通讯距离有限，不能像机械开关一样实现无限距离的双控或多控。

2.8 不同相位火线接入易损坏

有线通讯双控的原理是A、B线其中一根和火线相通，作为系统的GND。整个系统只要接入一根火线即可。但按电工的接线习惯，可能会把两头的火线都接入。当双控或多控接入多条不同相位的火线（380Vac）时，智能开关会短路损坏（如图7所示）。

图7 不同相位火线接入

3 原位原线多位双控或多控单火开关方案

针对上述现有技术及不足，思考设计一款能原位原线多位双控或多控替换的单火开关，如图8所示，这是一个由多路取电二位双控单火开关和二位机械双控开关形成双控，控制两路负载的电路。

图8 电子和机械开关双控接法

多路取电二位双控单火开关每一路有三个接线端子（L10、L11、L12或L20、L21、L22）和一个一组转换继电器（K1或K3）组成，原理模拟机械双控开关。另外每一路有一个独立的隔离开态取电模块（U1或U3）和一路公用的隔离或非隔离关态取电模块（U2）及判断开关状态的电路（这里不再呈现）。

如图9所示，这是一个由两个多路取电二位双控单火开关形成双控，控制两路负载的电路。

图9 电子和电子开关双控接法

同时多路取电二位双控单火开关还能当单控用（如图10所示）。

图10 双控当单控用

由此可见，此方案电工无需再教育，安装方便，无需带电安装，无需定期更换电池，无需双控配置，双控无时延，用户体验好，可与机械开关双控或多控混用，系统成本低，没有控制距离的限制。

但此多路取电二位双控单火开关接入不同相位火线（380Vac）会损坏隔离或非隔离关态取电模块（U21）（半波电流如图11粗线所示），除非此模块经过特殊设计能耐380Vac。

图11 接入不同相位火线

为了解决此问题，设计成一路取电二位双控单火开关（如图12所示），就能解决此问题。

如图13所示，这是一个由多路取电二位多控单火开关和两个二位机械双控开关形成多控，控制两路负载的电路。

多路取电二位多控单火开关每一路有四个接线端子（L11、L12、L13、L14或L21、L22、L23、L24）和一个二组转换继电器（K5或K11）组成，原理模拟机械多控开关。另外每一路有二个独立的隔离开态取电模块（U4、U5或U9、U10）和一路公用的隔离或非隔离关态取电模块（U7）及判断开关状态的电路（这里不再呈现）。

此多控开关既能和机械开关形成多控，也能和电子开关形成多控；而且能当双控或单控用；改成一路取电则能防止不同相位火线（380Vac）接入损坏开关。

4 技术难点和解决方案

4.1 执行冲突问题

如果两个完全一样的智能开关接成双控，因为两个开关相互之前不通讯，无法知道对方是否存在，当刚上电需要开关复位（关灯）或遥控器控制开关全开或全关时（如图14所示），由于两个开关都会执行命令，导致得到负负得正的结果，和预期正好相反（如图15所示）。

图14 复位前（灯亮）

图15 复位后（灯亮）

错时判断执行技术：通过两个智能开关各自产生一个随机延时时间，来错开判断状态和执行复位或全开、全关的时间，从而避免执行冲突。如果第一次执行碰撞了，则再产生一个随机延时时间，直到实现复位或全开、全关。然后各自的主控芯片分别记录此随机延时时间，下次执行就以此时间来判断和执行。

此方案比单独设置某个开关做为执行开关更方便，用户接受度更高。

4.2 触点位置判断和开关状态判断

如果智能开关采用单火继电器（低功耗一组转换磁保持继电器）方案，上电后主控芯片无法判断继电器的触点在哪一边，如何识别和记录触点位置和开关状态，如何判断是否带负载，是一个值得思考的问题。

触点位置和开关状态识别技术：针对上电后主控芯片无法判断触点位置，可通过人为执行和软件自动执行相结合的方式，去识别和记录触点位置和开关状态，同时判断开关是否带负载。

4.3 感应电压干扰开关状态判断

开关状态通过采样开关开和关时的电压来判断，理论上开时无电压信号（如图16所示），关时有电压信号（如图17所示），但实际上由于双控线上有感应电压的存在，开时可能也能检测到电压信号，导致难以判断开关状态。

图16 灯开时

图17 灯关时

如图18所示增加一个耐高压旁路电容（C2），可滤除感应电压的干扰。但当开关关时，由于此电容的存在，会增加回路的待机电流，导致灯鬼火或微亮。

图18 增加耐高压旁路电容（C2）

为了解决此问题，需用耐高压开关器件（U23）去控制高压电容（C2）的导通和关断时间（如图19所示）。比如1秒有50个周期，只允许高压电容C1导通5个周期，在导通的5个周期时间里，如果灯开时，高压电容（C2）吸收了感应电压，这个时候检测口可以采集到正确的开关状态。同时，另外45个周期不允许高压电容（C2）导通，在灯关时，由于流过灯的平均待机电流比较小，灯就不会出现鬼火或微亮。

图19 增加耐高压开关器件（U23）

另外，不增加额外的电路，只通过软件识别感应电压和正常电压波形的区别来判断开关的状态也是一种解决途径。

5 结束语

经过本研究的设计和分析，我们成功设计和实现了一种原位原线多位双控或多控单火线取电开关，用于家庭照明电路的控制。该开关在安装方便、无需带电安装、无需定期更换电池等方面具有显著的优势。通过采用原位原线双控或多控单火线取电技术，并结合了错时判断执行技术、触点位置和开关状态识别技术以及消除感应电压干扰开关状态判断技术，我们解决了设计中遇到的一些技术难题。

这些结果与我们最初的研究目的和假设相吻合，并且验证了我们的假设。我们旨在提供一种智能化、便捷化的家庭照明电路控制解决方案，而该单火开关正是符合这一目标的。因此，这些结果对于推动家庭照明电路的智能化发展具有重要意义，能够提升用户的居住体验并降低系统成本。

未来，可以进一步优化和改进单火开关的性能和功能，以满足不同用户和场景的需求。同时，我们也需要加强对单火开关的标准和规范制定，确保其安全可靠性，并促进其在智能家居领域的广泛应用。我们鼓励更多的研究者和工程师参与相关领域的研究和创新，以推动智能家居行业的快速发展，并为用户提供更好的生活品质和便利性。