DE19709326A1 - Verfahren und Schaltmodul bzw. Chip zum Umsetzen von Informationen in Funktionskommandos - Google Patents

Verfahren und Schaltmodul bzw. Chip zum Umsetzen von Informationen in Funktionskommandos

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Schaltmodul bzw. Chip zum Umsetzen von Informationen wie Daten und/oder Sprachbefehle in Funktionskommandos zu Steuerungsanwendungen von an ein Übertragungsnetzwerk, insbesondere das vorhandene Lichtnetz bzw. dessen Verdrahtung, angeschlossenen Betriebsmitteln wie Heizungen, elektrische Hausgeräte, Klimaanlagen und Überwachungsanlagen, und/oder zu Interkommunikationszwecken.
Im Zuge der gestiegenen Anforderungen an eine moderne Elektroinstallation sowohl im gewerblichen als auch im privaten, häuslichen Bereich sind nicht nur der Standard für Sicherheit, Komfort und Flexibilität gestiegen, sondern steht auch das Bestreben im Vordergrund, die vorhandene elektrisch Installation zu nutzen und beispielsweise zu komplexen Steuerungsaufgaben heranzuziehen. Bei elektrischen Installationen von Gebäuden (Wohn- und Bürogebäude, Lagerhallen etc.) werden Stromkreisteiler bzw. Installationskleinverteiler eingesetzt, die die elektrische Energie auf die einzelnen Stromkreise verteilen. Ein Stromkreis beginnt mit dem Leitungsschutz­ schalter bzw. der Sicherung und führt über die Leitung zu den elektrischen Verbrauchern. Diese lassen sich direkt oder mittelbar anschließen, im zuletzt genannten Fall z. B. über Steckdosen, Beleuchtungsauslässe und Geräteanschluß­ dosen. Hierbei ist es bekannt, ein Installationsbussystem für elektrische Verbraucher vorzusehen, das dezentral arbeitet und Linien-, Stern- oder Baumstruktur haben kann. Die Verbraucher lassen sich mittels Bedienelementen, z. B. Schaltsensoren, an elektrische Energie übertragende Leitungen und einen die Versorgungsstromkreise verbraucherbezogen aufteilenden Stromkreisverteiler anschließen. Dabei ist auch bereits die Mehrfachnutzung der elektrischen Installationsleitungen vorgeschlagen worden, nämlich neben der Stromversorgung der elektrischen Verbraucher auch die Übertragung von Steuerbefehlen an die Geräte und von Rückmeldesignalen an Eingabe- und Kontrollzentralen zu übernehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Schaltmodul bzw. Chip zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen sich ein im Grunde beliebiges der bekannten Übertragungsnetzwerke bzw. -medien, d. h. z. B. Lichtleiter, Funk, Netzwerkkabel eines LAN, Twistet Pair-Leitungen, Telefonleitungen, insbeson­ dere jedoch das vorhandene Lichtnetz bzw. die vorhandene Verdrahtung, zu einem sämtliche gewünschten Funktionen steuernden bzw. Anweisungen ausführenden System nutzen läßt, ohne hierzu eine zusätzliche Verkabelung zu erfordern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei dem in das Übertragungsnetzwerk integrierte, eine Mikrokontrolleinheit umfassende Systemkno­ ten analoge und/oder digitale Informationen gleichzeitig und/oder unabhängig übertragen sowie verarbeiten und die Übertragung der Informationen von einer Quelle zu einem Ziel verwalten, wobei durch Anschalten einer Applikationsschaltung an einen Systemknoten auf der Mikrokontrolleinheit ein für die jeweilige Anwendung die nötigen Schaltvorgänge auslösendes Applikationsscript abgearbeitet wird. Hiermit läßt sich über z. B. das Lichtnetz unter gleichzeitiger Verwendung von Daten- und Sprachübertragung (Mehrkanal) eine intelligente, vernetzte Kommunikations- und Funktionssteuerung erreichen, so daß z. B. Haushaltsgeräte über das System steuer- bzw. ansprechbar sind, die dann die verbalen Anweisungen ausführen, die der Benutzer gegeben hat.
Das Verfahren soll am Ablaufbeispiel zur Steuerung einer Heizung nachfolgend verdeutlicht werden. Wenn der Benutzer in einem beliebigen Raum des vernetzten Bereiches ein Kommando an die Heizung ausspricht, werden die Sprachinformationen über das bestehende Leitungsnetz zu einer Einheit mit Spracherkennung transportiert und dort ausgewertet, wobei folgendes geschieht:
  • - der dem Benutzer am nächsten gelegene Systemknoten fordert einen Audiokanal an
  • - das System baut eine Audioverbindung zu dem - in diesem Fall als Sprach­ erkennungsknoten wirkenden - Systemknoten auf
  • - der Spracherkennungsknoten analysiert das Audiosignal
  • - das Ergebnis der Sprachanalyse wird dem Heizungs-(system)knoten übermittelt
  • - der Heizungsknoten arbeitet die erforderlichen Schritte ab, um das Kommando zu erfüllen.
Der Heizung werden somit indirekt sprachliche Kommandos erteilt, wobei der Zugriff durch ein z. B. in einer Zentraleinheit (Rechner/PC) hinterlegtes Paßwort gegen unbefugte Nutzer geschützt werden könnte. Wenngleich am beschriebenen Beispiel der PC die extreme Leistung zur Verfügung stellt, die zur Erkennung der Sprachinformation benötigt wird, so sind gleichwohl Konfigurationen möglich, die ohne eine Zentraleinheit wie einen Rechner/PC arbeiten.
Die Anwendung der Systemknoten als z. B. Spracherkennungsknoten, Heizungsknoten, Hausgeräteknoten, etc. ergibt sich durch das Anschalten der jeweiligen Applikationsschaltung an den Systemknoten. Im beschriebenen Beispiel entsteht dann, wenn ein Systemknoten mit einem PC verbunden wird, durch Installation einer Spracherkennungssoftware auf dem PC ein Spracherkennungsknoten. Das gleiche gilt für den Heizungsknoten; hier ist ein Systemknoten mit der nötigen Elektronik (z. B. Relais, Schalter) verbunden und auf der Mikrokontrolleinheit wird ein Applikationsscript abgearbeitet, das aus den digitalen Kommandos des Systems die nötigen Schaltvorgänge auslöst. Der Systemknoten enthält folglich die gesamte Intelligenz des Systems, während die Applikationsschaltung lediglich eine einfache Leistungs-, Anpassungs- und Meßwerterfassungs-Elektronik/Elektromechanik darstellt.
Sämtliche elektrischen Geräte lassen sich daher mit einem Minimalaufwand in das Leitsystem integrieren und durch Sprache bedienen; es entsteht ein Sprachinterface zwischen Mensch und Maschine. Da die Spracherkennung bzw. Analyse zentral stattfindet, können in dieses System auch Geräte integriert werden wie Lichtschalter, Kaffeemaschinen, Fernseher oder Videogeräte, d. h. solche Geräte, bei denen der Aufwand des Einbaus einer Spracherkennung im Normalfall zu teuer ist bzw. in keinem wirtschaftlichen Verhältnis zum Nutzen steht, weil bei den bekannten Lösungsvorschlägen stets vorgesehen war, die Sprache zuerst zu digitalisieren und dann - gemischt mit Zusatzinformationen - zu übertragen. Hingegen wird erfin­ dungsgemäß Sprache in ihrer ursprünglichen - also analogen - Form über das Netzwerk übertragen und werden zusätzlich auf einem digitalen Kanal Zusatzinformationen, z. B. in welchem Raum bzw. wo gesprochen wird, übermittelt. Von den im Grunde unzähligen Anwendungsmöglichkeiten sei auf Applikationen wie Überwachung, Lichtregelung, Klimaregelung, Zugangkontrollen, Lichtrufanlagen, Brandmeldeanlagen, Datenbankabfragen, Zeiterfassung, Anwesenheitskontrolle etc. verwiesen. Der Systemknoten muß hierbei aber Befehle bzw. Kommandos nicht zwingend über einen Audiokanal erhalten. Wenn die Applikationsschaltung einen Infrarotempfänger beinhaltet, ließe sich über das Applikationsprogramm die Steueranweisung einer Fernbedienung in das System übertragen.
Nach einem Vorschlag der Erfindung wird zwischen zwei beliebigen Systemknoten eine Audioverbindung aufgebaut. Das System, das beispielsweise vier oder mehr unabhängige Audiokanäle verwalten kann, erlaubt es somit, eine Wechsel­ sprech- bzw. zwei Gegensprechverbindungen zu schalten, d. h. eine Nutzung wie beim Telefonieren über eine Hausanlage (mit Freisprechen) ist möglich. Wie die Verbindung im konkreten Fall angefordert wird, hängt wiederum von der Applikation und dem Gesamtnetzwerk ab. Wenn beispielsweise der zuvor schon beschriebene PC mit Spracherkennung vorhanden ist, ließe sie sich über eine Sprachanfrage an das System erreichen, wie "Bitte Sprechverbindung mit der Küche . . .".
Ein Schaltmodul bzw. Chip zum Umsetzen von Informationen wie Daten und/oder Sprachbefehle in Funktionskommandos zu Steuerungsanwendungen von an ein Übertragungsnetzwerk angeschlossenen Betriebsmitteln umfaßt die folgenden schaltungstechnisch mit - und/oder untereinander verbundenen Standardschaltungen
  • - eine Mikrokontrolleinheit (MCU)
  • - einen die gesamte Software des Systemknotens speichernden Programm­ speicher (NVRAM)
  • - ein einen Datenstrom in ein digitales serielles Format umsetzendes Modem
  • - einen FM Audio Transceiver, der die analogen Informationen überträgt
  • - ein die Signale von MODEM und FM Audio Transceiver mischendes und trennendes Filter
  • - eine Spannungsversorgung (PS),
denen eine je nach Anwendungsfall ausgelegte Applikationsschaltung und ein vom Übertragungsmedium abhängiges Signalverstärkungs- und -ein- bzw. -auskopplungs­ teil (POWER LINE COUPLER) zugeschaltet ist. Ein solcher in das Übertragungs­ netzwerk zu integrierender Systemknoten läßt sich chipähnlich als vergossenes Modul oder als eine Integration in Silicium, d. h. als "echter" Chip herstellen. Zum besseren Verständnis kann man sich das Modul/den Chip als eine Art spezielle intelligente Netzwerkkarte vorstellen, in die für einfache Aufgaben der Steuerungs-/Kommuni­ kationstechnik zusätzliche Rechenleistung integriert ist. Dies hat den Vorteil, daß die vom System nicht benötigte Rechenleistung des Systemknotens in einfacheren Anwendungen - was bei den meisten Knoten der Fall ist - verwendet werden kann und in diesen Anwendungen somit nicht noch ein zusätzlicher Prozessor benötigt wird. Lediglich für Anwendungen, die eine höhere Rechenleistung benötigen (z. B. Spracherkennung), dient der Systemknoten als Anbindung an das Netz, denn solch hohe Leistungsbedürfnis werden dann erfindungsgemäß über Kommunikation zwischen den Netzwerkteilnehmern vermittelt, z. B. indem der PC die extreme Leistung zur Verfügung stellt, die zur Erkennung der Sprachinformation benötigt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentan­ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung des in den Fig. 1 dargestellten Blockschaltbildes eines Systemknotens bzw. des in Fig. 2 gezeigten Softwarestruktur­ modes eines solchen Knotens.
Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt alle Komponenten eines Systemknotens, wobei die folgenden Komponenten die Basis des Kommunikationssystems bilden und im Schaltmodul/Chip integriert sind:
1.1 MCU (Micro Controller Unit)
Diese Komponente ist zuständig für die Abarbeitung der Firmware sowie des Applikationsscript. Sie steuert dazu sämtliche Komponenten des Systems an. Zu den Aufgaben gehört die Kontrolle der Digitalen Daten­ übertragung, die Ansteuerung der Applikationsschaltung, die Kanaleinstellung des FM Audio Transceivers sowie dessen Überwachung. Die Test I/O Leitungen werden zum Erstladen des Betriebssystems (BASS, PRU, HAL, ASTEL) bei der Produktion sowie zu Funktionstests in der Qualitätskontrolle verwendet.
1.2 NVRAM (Non Volative Random Access Memory)
Der Programmspeicher des Systemknotens. Kann als gepuffertes RAM, als EEPROM oder als FLASHROM ausgeführt sein. Hier ist die gesamte Software des Systemknotens gespeichert. Bei Spannungsausfall bleiben die Informationen erhalten.
1.3 MODEM (Modulator und Demodulator)
Setzt den über S/0 (Serial I/O) kommenden Datenstrom auf ein auf die Netzwerkleitung übertragbares, analoges Format um und setzt die von der Netzwerkleitung kommenden Daten in ein digitales serielles Format um.
1.4 FM Audio Transceiver (Transmitter and Receiver)
Erzeugt aus dem über "Audio (Voice) In" kommenden Signal einen FM modulierten Träger mit der von der MCU vorgegebenen Trägerfrequenz. Demoduliert aus einem Träger, dessen Frequenz von der MCU vorgegeben wird, ein analoges Signal, das auf "Audio (Voice) Out" ausgegeben wird. Die Träger für Senden und Empfangen können unterschiedliche Frequenz haben.
1.5 Filter/Mixer
Mischt und trennt die Signale von MODEM und FM Audio Transceiver.
1.6 PS (Power Supply)
Erzeugt aus der externen Versorgungsspannung die im System benötigten Spannungen.
Die beiden noch verbleibenden Komponenten sind je nach Anwendung und Über­ tragungsmedium unterschiedlich. Die Funktion dieser Komponenten wird im Folgenden beschrieben:
1.7 POWER LINE COUPLER
Verstärkt und koppelt das Signal in das/aus dem Netzwerkmedium ein/aus. Meist ist dies eine Lichtnetzleitung. (220 V Hausnetz).
1.8 Applikationsschaltung
Die Applikationsschaltung enthält alle elektronischen Schaltkreise, die von der Applikationssoftware (Applikationsscript) zum Erzeugen der gewün­ schten Knotenfunktion benötigt werden. Zudem muß sie das Knotenmodul/den Chip mit Spannung versorgen.
Die Softwarestruktur des Systemknotens gemäß Fig. 1 ergibt sich aus Fig. 2. Darin bedeuten:
2.1 PSR (Primary Software Rekonfiguration)
Grundlegende Funktion des PSR ist es zu ermöglichen, sämtliche Software des Systems über das Digitalinterface auszutauschen. Dies bedeutet auch die PSR selbst. Hierdurch wird es ermöglicht, jedes Systemmodul der Software ohne mechanischen Eingriff komplett zu rekonfigurieren.
2.2 BASS (Basic System Services)
Bass ist für die Kommunikationsprotokolle auf dem Digitalkanal sowie den Analogkanälen zuständig. Das BASS verwaltet zudem grundlegende Konfigurationsinformation des Moduls. Das BASS ruft im Rekonfigu­ rationsfall auch die PSR auf. Das Protokoll für die Digitalkommunikation wird im BASS verwaltet. Informationen die für die Applikation gedacht sind, werden an und von HAL übertragen.
2.3 HAL (Hardware Abstraction Layer)
Das HAL dient dazu, die Applikation von der Hardware und von der BASS zu entkoppeln. Zusammen mit der ASTEL ermöglicht das HAL das Ablaufen der Applikation.
2.4 ASTEL (Application Script Token Execution Layer)
Das ASTEL arbeitet die Applikationstokens ab. ASTEL löst über HAL die Hardwarefunktionen aus, die von der Applikation benötigt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Umsetzen von Informationen wie Daten und/oder Sprachbe­ fehle in Funktionskommandos zu Steuerungsanwendungen von an ein Übertragungsnetzwerk angeschlossenen Betriebsmitteln wie Heizungen, elektrische Hausgeräte, Klimaanlagen und Überwachungsanlagen, und/oder zu Interkommunikationszwecken, bei dem in das Übertragungs­ netzwerk integrierte, eine Mikrokontrolleinheit (MCU) umfassende Systemknoten analoge und/oder digitale Informationen gleichzeitig und/oder unabhängig übertragen sowie verarbeiten und die Übertragung der Informationen von einer Quelle zu einem Ziel verwalten, wobei durch Anschalten einer Applikationsschaltung an einen Systemknoten auf der Mikrokontrolleinheit ein für die jeweilige Anwendung die nötigen Schaltvor­ gänge auslösendes Applikationsscript abgearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei beliebigen Systemknoten eine Audioverbindung aufgebaut wird.
3. Schaltmodul bzw. Chip zum Umsetzen von Informationen wie Daten und/oder Sprachbefehle in Funktionskommandos zu Steuerungsanwendun­ gen von an ein Übertragungsnetzwerk angeschlossenen Betriebsmitteln wie Heizungen, elektrische Hausgeräte, Klimaanlagen und Überwachungs­ anlagen, und/oder zu Interkommunikationszwecken, insbesondere Systemknoten zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend die folgenden schaltungstechnisch mit- und/oder untereinander verbundenen Standardschaltungen
  • - eine Mikrokontrolleinheit (MCU)
  • - einen die gesamte Software des Systemknotens speichernden Programmspeicher (NVRAM)
  • - ein einen Datenstrom in ein analoges oder digitales serielles Format umsetzendes Modem
  • - einen FM Audio Transceiver, der die analogen Informationen überträgt
  • - ein die Signale von Modem und FM Audio Transceiver mischendes und trennendes Filter
  • - eine Spannungsversorgung (PS),
    denen eine je nach Anwendungsfall ausgelegte Applikationsschaltung und ein vom Übertragungsmedium abhängiges Signalverstärkungs- und -ein- bzw. -auskopplungsteil (POWER LINE COUPLER) zugeschaltet ist.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Installationbus, Busch-Jaeger Elektro GmbH, S. 1-39 BSE 1083/12.92/05.02 Printed bei Kramp Druckereibetrieb GmbH & Co. KG, D-4630 Bochum 6 *
Kenji Iida, u.a.: Houskeeping Application with bus line and telecommunication In: IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, No. 3, August 1986, Sn 558-566 *

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