CN106961766B - 智能照明***节点控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能照明***节点控制器，它通过射频通信技术实现路灯控制器之间相互通信，每个节点控制器的主控芯片闪存中存有这个控制器特有的网络标号地址，通过通信协议实现信号的传递和断链；该智能照明***节点控制器包括充电管理模块、能量检测模块、主控芯片、射频通讯模块；所述能量检测模块采集线路上的电压电流，通过接口与主控芯片交换信息，所述主控芯片通过射频通讯模块将信息传递到控制中心，控制中心在通过射频通讯模块将信息反馈到所述主控芯片。该节点控制器可以通过控制中心对路灯的状态实时监控和故障检测，对市政照明进行智能控制，实现节能环保、高效率、低成本的路灯照明管理。

Description

智能照明***节点控制器
所属技术领域
本发明属于城市智能照明***技术领域，尤其是涉及一种智能照明***节点控制器。
背景技术
我国城市建设的快速推进，市政工程在规划路灯照明***时往往是根据最大需求对路灯的工作状态进行控制，现普遍采用人工巡线的管理方式，由于路灯数目众多且安装比较分散，这就给路灯的实时维护带来了很大的困难。经常不能及时发现故障灯，会对道路交通安全造成极大隐患。且现有节能路灯控制器普遍采用时间继电器计时，工作方式单一，如遇季节变化，昼长夜短时间不等，不能灵活变更工作时间。尤其是城市建筑群林立，各种辐射源众多，信道特性复杂，多径衰落。另外受控于国家无线电管理委员会对民用无线发射设备发射功率的限制，要求发射功率不大于15mW，因此城市随参信道噪声的频率和幅度很容易淹没有用信号，从而使得有用信号很难有效传输。现有技术方案存在维护成本高、节能效率低和不能及时发现故障灯带来的交通隐患，因此对城市灯饰的管理与控制需要一种科学、合理、高效的方法。
发明内容
对于上述的问题，本发明的目的在于提供一种可以通过控制中心对路灯的状态实时监控和故障检测，对市政照明进行智能控制，实现节能环保、高效率、低成本路灯照明管理的智能照明***节点控制器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该智能照明***节点控制器通过射频通信技术实现路灯控制器之间相互通信，每个节点控制器的主控芯片闪存中存有这个控制器特有的网络标号地址，通过通信协议实现信号的传递和断链；该智能照明***节点控制器包括充电管理模块、能量检测模块、主控芯片、射频通讯模块；所述充电管理模块分别与电池模块、太阳能电池板、市电相连，所述电池模块通过脉冲调光模块与照明的路灯相连；所述能量检测模块采集线路上的电压电流，通过接口与主控芯片交换信息，所述主控芯片通过射频通讯模块将信息传递到控制中心，控制中心再通过射频通讯模块将信息反馈到所述主控芯片；所述主控芯片与所述充电管理模块之间双向通讯连接，所述主控芯片通过环境检测模块收集车流、人流以及环境光信息。
作为优选，所述照明路灯使用LED灯头，所述脉冲调光模块包括两条调节电池模块充电电压和路灯模块亮度的脉宽可变的硬件PWM脉冲；所述充电管理模块控制连接所述电池模块与市电线路，所述电池模块通过所述脉冲调光模块调节照明路灯亮度；所述能量检测模块用来采集线路上的电压电流，通过SPI接口与主控芯片交换信息。
作为优选，所述主控芯片采用微控单元模块的MSP430F149，主控芯片XT2IN、XT2OUT引脚接8MHZ高速晶振，保障***高速运行，主控芯片XTIN、XTOUT引脚接32.768KHZ时钟晶振，给***提供精确定时；所述主控芯片采用MAX706看门狗芯片作为辅助芯片，保障***运行的稳定性，主控芯片P5.5引脚连接看门狗6脚喂狗，当程序跑飞停止喂狗，看门狗与芯片连接的复位脚RST产生一个复位信号，使主芯片恢复正常工作。
作为优选，电压电流检测的处理芯片采用CS5460A，该芯片可实现高精度功率测量。CS5460A芯片的模拟电流输入端IIN+、IIN-接15欧采样电阻，电阻两端T3-1、T3-2接霍尔电流互感器采集市电电流；CS5460A芯片的模拟电压输入端VIN+、VIN-接75欧采样电阻，电阻两端T2-1、T2-2接霍尔电压互感器采集市电电压；芯片的片选引脚、复位引脚及SPI通信引脚与主控芯片P4.0-P4.4引脚连接。
作为优选，太阳能电池板与充电管理模块以及电池模块的电路通过CON4连接器与能量检测模块电路相连，所述CON4连接器的B+脚接电池模块和太阳能电池板上电池的正极，B-脚接电池模块的负极，充电管理模块的电压经过一个12V钳位二极管和一个5V稳压管，产生稳定5V电压给芯片供电。充电管理模块负极与地线之间用一只MOS管隔开，防止反接烧毁电路板。所述CON4连接器的B2-接脚接太阳能电池板负极，太阳能电池负极与地线之间用两只MOS管隔开，主控芯片的P1.3、P1.5分别通过导通三极管驱动MOS管导通，通过控制P1.3的导通频率实现电压调节。通过电阻R67、R71分压采样太阳能电池电压，由主控芯片P6.4ADC引脚检测电压；通过电阻R68、R72分压采样蓄电池电压，由主控芯片P6.3ADC引脚检测电压。
作为优选，能量检测模块的电路处理芯片为MP4012，所述CON4的B+引脚连接电池模块的正极，所述主控芯片通过P1.1引脚控制NPN三极管导通MOS管，MOS管导通电池模块电压分别进入L1储能电感和MP4012芯片1脚，能量检测模块的电路处理芯片得电开始工作，MP4012芯片3、11引脚通过轮流导通两只N沟道MOS管释放储存的能量抬升电压，芯片5脚通过一个1K电阻接到MOS管源极，该芯片6脚与地线之间接一个进行斜率补偿电阻，MP4012芯片7脚与地之间接一个进行开关频率设置的电阻；MP4012芯片8脚同步引脚， MP4012芯片9脚与10脚连接电阻，LED+输出电压通过电阻分压连接到MP4012芯片12脚，MP4012芯片13脚PWM调光输入，接一个限流的电阻；MP4012芯片14脚接一个RC电路，芯片15脚连接一个电阻分压电路，芯片16脚连接电流检测电阻到GND。
作为优选，所述射频通讯模块的处理芯片是AX5043，AX5043的1脚接地，2脚接电源，4脚接主控芯片中断引脚P1.7，5-8引脚连接主控芯片P2.3-P2.6，模块12脚13脚接天线底座，其余引脚悬空。
作为优选，该智能照明***节点控制器上各元件采用电路板组装，所述电路板元器件采用贴片式或者直插式，所述能量检测模块的升压电路采用散热效果更好的直插式；电解电容采用直插式；射频通讯模块焊接屏蔽罩。
本发明的有益效果在于：该智能照明***节点控制器主要使用在路灯个体中，与路灯电路相连，采用低成本通信方案，可以用来与控制中心的集中控制器进行连接，方便控制中心对每路灯个体的工作工作状态进行时时监控和调节。
本智能照明***节点控制器提出基于信道编码扩频通信和智能互联的解决方案保证信息的有效传输，采用射频通信技术实现路灯控制器之间相互通信，每个控制器主控芯片FALSH中存有这个控制器特有的网络标号地址，通过自主研发的通信协议实现信号的传递和断链。该节点控制器中，由于能量检测模块的能量采集芯片是独立开来的，可以实时采集电池和路灯的电压电流，按需求提取。该智能照明***节点控制器更加方便无线连接，可以用来对城市照明路灯进行状态监测，通过联网计算机的远程数据监控中心对每盏路灯的工作状态进行配置，查询，实时给出路灯的工作状态，对有问题的路灯给出报警信息和定位。
同时充电管理模块的输入分为太阳能电池和市电，正常工作情况下由太阳能电池板提供电能为电池模块充电，采用处理器调节相应的充电电压，当处理器检测到蓄电池电量低又没有光照的情况时，控制继电器吸合引入市电为蓄电池充电。电池输出电压接入PWM恒流升压电路，由处理器控制将电压提升到指定照明功率。同时，传感器检测车流人流及环境，处理器做出相应判断更改照明方式达到节能效果。
附图说明
图1是智能路灯节点控制器内部结构框图。
图2是主控芯片最小***原理图。
图3是电压电流检测原理图。
图4是太阳能冲电过程的原理图。
图5是脉冲调光模块的电路原理图。
图6是射频模块接口原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
如图中实施例1中所示，本该智能照明***节点控制器通过射频通信技术实现路灯控制器之间相互通信，每个节点控制器的主控芯片闪存中存有这个控制器特有的网络标号地址，通过通信协议实现信号的传递和断链；该智能照明***节点控制器包括充电管理模块、能量检测模块、主控芯片、射频通讯模块；所述充电管理模块分别与电池模块、太阳能电池板、市电相连，所述电池模块通过脉冲调光模块与照明的路灯相连；所述能量检测模块采集线路上的电压电流，通过接口与主控芯片交换信息，所述主控芯片通过射频通讯模块将信息传递到控制中心，控制中心再通过射频通讯模块将信息反馈到所述主控芯片；所述主控芯片与所述充电管理模块之间双向通讯连接，所述主控芯片通过环境检测模块收集车流、人流以及环境光信息。
在本实施例中，所述照明路灯使用LED灯头，所述脉冲调光模块包括两条调节电池模块充电电压和路灯模块亮度的脉宽可变的硬件PWM脉冲；所述充电管理模块控制连接所述电池模块与市电线路，所述电池模块通过所述脉冲调光模块调节照明路灯亮度；所述能量检测模块用来采集线路上的电压电流，通过SPI接口与主控芯片交换信息。具体来说控制器正常工作时射频模块处于待机状态，当模块接收到控制指令，传递给处理器，处理器分析数据执行指令，更改工作模式或将工作状态信息上传到控制中心。
该智能照明***节点控制器主要使用在路灯个体中，与路灯电路相连，采用低成本通信方案，可以用来与控制中心的集中控制器进行连接，方便控制中心对每路灯个体的工作工作状态进行时时监控和调节。
本智能照明***节点控制器提出基于信道编码扩频通信和智能互联的解决方案保证信息的有效传输，采用射频通信技术实现路灯控制器之间相互通信，每个控制器主控芯片FALSH中存有这个控制器特有的网络标号地址，通过自主研发的通信协议实现信号的传递和断链。该节点控制器中，由于能量检测模块的能量采集芯片是独立开来的，可以实时采集电池和路灯的电压电流，按需求提取。该智能照明***节点控制器更加方便无线连接，可以用来对城市照明路灯进行状态监测，通过联网计算机的远程数据监控中心对每盏路灯的工作状态进行配置，查询，实时给出路灯的工作状态，对有问题的路灯给出报警信息和定位。
同时充电管理模块的输入分为太阳能电池和市电，正常工作情况下由太阳能电池板提供电能为电池模块充电，采用处理器调节相应的充电电压，当处理器检测到蓄电池电量低又没有光照的情况时，控制继电器吸合引入市电为蓄电池充电。电池输出电压接入PWM恒流升压电路，由处理器控制将电压提升到指定照明功率。同时，传感器检测车流人流及环境，处理器做出相应判断更改照明方式达到节能效果。
如图2所示，所述主控芯片采用微控单元模块的MSP430F149，主控芯片XT2IN、XT2OUT引脚接8MHZ高速晶振，保障***高速运行，主控芯片XTIN、XTOUT引脚接32.768KHZ时钟晶振，给***提供精确定时；所述主控芯片采用MAX706看门狗芯片作为辅助芯片，保障***运行的稳定性，主控芯片P5.5引脚连接看门狗6脚喂狗，当程序跑飞停止喂狗，看门狗与芯片连接的复位脚RST产生一个复位信号，使主芯片恢复正常工作。
如图3所示，电压电流检测的处理芯片采用CS5460A，该芯片可实现高精度功率测量。CS5460A芯片的模拟电流输入端IIN+、IIN-接15欧采样电阻，电阻两端T3-1、T3-2接霍尔电流互感器采集市电电流；CS5460A芯片的模拟电压输入端VIN+、VIN-接75欧采样电阻，电阻两端T2-1、T2-2接霍尔电压互感器采集市电电压；芯片的片选引脚、复位引脚及SPI通信引脚与主控芯片P4.0-P4.4引脚连接，主控芯片在***初始化时对能量检测芯片进行工作配置，并根据上位机需要通过SPI通信协议提取当前有效电压电流值。
如图4所示，太阳能电池板与充电管理模块以及电池模块的电路通过CON4连接器与能量检测模块电路相连，所述CON4连接器的B+脚接电池模块和太阳能电池板上电池的正极，B-脚接电池模块的负极，充电管理模块的电压经过一个12V钳位二极管和一个5V稳压管，产生稳定5V电压给芯片供电。充电管理模块负极与地线之间用一只MOS管隔开，防止反接烧毁电路板。所述CON4连接器的B2-接脚接太阳能电池板负极，太阳能电池负极与地线之间用两只MOS管隔开，主控芯片的P1.3、P1.5分别通过导通三极管驱动MOS管导通，通过控制P1.3的导通频率实现电压调节，采用双MOS管电路具有防止太阳能电池反接烧坏电路板的优点。通过电阻R67、R71分压采样太阳能电池电压，由主控芯片P6.4ADC引脚检测电压；通过电阻R68、R72分压采样蓄电池电压，由主控芯片P6.3ADC引脚检测电压。
如图5所示，所述脉冲调光模块的电路为PWM升压电路，其处理芯片为MP4012，所述CON4的B+引脚连接电池模块的正极，所述主控芯片通过P1.1引脚控制NPN三极管导通MOS管，MOS管导通电池模块电压分别进入L1储能电感和MP4012芯片1脚，能量检测模块的电路处理芯片得电开始工作，MP4012芯片3、11引脚通过轮流导通两只N沟道MOS管释放储存的能量抬升电压，芯片5脚通过一个1K电阻接到MOS管源极，用于感测MOS管工作电流，该芯片6脚与地线之间接一个进行斜率补偿电阻，MP4012芯片7脚与地之间接一个进行开关频率设置的电阻；MP4012芯片8脚同步引脚，用于多个芯片同时工作，只用一枚芯片故悬空。MP4012芯片9脚与10脚连接电阻，通过分压检测，实现输出电流限流。LED+输出电压通过电阻分压连接到MP4012芯片12脚实现过压保护检测。MP4012芯片13脚PWM调光输入，接一个限流的电阻；MP4012芯片14脚接一个RC电路，用于补偿调节控制环路。芯片15脚连接一个电阻分压电路，实现模拟调光功能。芯片16脚连接电流检测电阻到GND。
如图6所示，所述射频通讯模块的处理芯片是AX5043，AX5043的1脚接地，2脚接电源，4脚接主控芯片中断引脚P1.7，5-8引脚连接主控芯片P2.3-P2.6，模块12脚13脚接天线底座，其余引脚悬空。在本实施中所述射频通讯模块具有二十种通信频率，能有效抵抗干扰，防止相间串扰。主控芯片与模块之间采用SPI协议通信，模块的参数配置和信息收发皆有主控芯片处理执行。
该智能照明***节点控制器上各元件采用电路板组装，所述电路板元器件采用贴片式或者直插式，所述能量检测模块的升压电路采用散热效果更好的直插式；采样部分电阻用0805封装1%精度，其余用0805封装5%精度。贴片电容均为0805封装，电解电容采用直插式；射频通讯模块焊接屏蔽罩，防止板上电气干扰。电感直径10mm，线粗要求过10个安培电流。电压互感器参数采用2MA/2MA，电流互感器参数采用10A/10MA。其余元器件按照原理图依次焊接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能照明***节点控制器，它通过射频通信技术实现路灯控制器之间相互通信，每个节点控制器的主控芯片闪存中存有这个控制器的网络标号地址，通过通信协议实现信号的传递和断链；其特征在于：该智能照明***节点控制器包括充电管理模块、能量检测模块、主控芯片、射频通讯模块；所述充电管理模块分别与电池模块、太阳能电池板、市电相连，所述电池模块通过脉冲调光模块与照明的路灯相连；所述能量检测模块采集线路上的电压电流，通过接口与主控芯片交换信息，所述主控芯片通过射频通讯模块将信息传递到控制中心，控制中心再通过射频通讯模块将信息反馈到所述主控芯片；所述主控芯片与所述充电管理模块之间双向通讯连接，所述主控芯片通过环境检测模块收集车流、人流以及环境光信息；太阳能电池板与充电管理模块以及电池模块的电路通过CON4连接器与能量检测模块电路相连，所述CON4连接器的B+脚接电池模块和太阳能电池板上电池的正极，B-脚接电池模块的负极，充电管理模块的电压经过一个12V钳位二极管和一个5V稳压管，充电管理模块负极与地线之间用一只MOS管隔开，所述CON4连接器的B2-接脚接太阳能电池板负极，太阳能电池负极与地线之间用两只MOS管隔开，主控芯片的P1.3、P1.5分别通过导通三极管驱动MOS管导通。
2.根据权利要求1所述的智能照明***节点控制器，其特征在于：所述路灯使用LED灯头，所述脉冲调光模块包括两条调节电池模块充电电压和路灯模块亮度的脉宽可变的硬件PWM脉冲；所述充电管理模块控制连接所述电池模块与市电线路，所述电池模块通过所述脉冲调光模块调节照明路灯亮度；所述能量检测模块用来采集线路上的电压电流，通过SPI接口与主控芯片交换信息。
3.根据权利要求1所述的智能照明***节点控制器，其特征在于：所述主控芯片采用微控单元模块的MSP430F149，主控芯片XT2IN和XT2OUT引脚接8MHZ高速晶振，主控芯片XTIN和XTOUT引脚接32.768KHZ时钟晶振；所述主控芯片采用MAX706看门狗芯片作为辅助芯片，主控芯片P5.5引脚连接看门狗6脚喂狗，当程序跑飞停止喂狗，看门狗与芯片连接的复位脚RST产生一个复位信号，使主芯片恢复正常工作。
4.根据权利要求1所述的智能照明***节点控制器，其特征在于：电压电流检测的处理芯片采用CS5460A，所述 CS5460A芯片的模拟电流输入端IIN+和IIN-接15欧采样电阻，15欧采样电阻两端T3-1和T3-2接霍尔电流互感器采集市电电流；CS5460A芯片的模拟电压输入端VIN+和VIN-接75欧采样电阻，75欧采样电阻两端T2-1和T2-2接霍尔电压互感器采集市电电压。
5.根据权利要求1所述的智能照明***节点控制器，其特征在于：能量检测模块的电路处理芯片为MP4012，所述CON4的B+引脚连接电池模块的正极，所述主控芯片通过P1.1引脚控制NPN三极管导通MOS管，MOS管导通电池模块电压进入L1储能电感和MP4012芯片1脚，能量检测模块的电路处理芯片得电开始工作；MP4012芯片3和11引脚通过轮流导通两只N沟道MOS管释放储存的能量抬升电压，MP4012芯片5脚通过一个1K电阻接到MOS管源极，MP4012芯片6脚与地线之间接一个进行斜率补偿电阻，MP4012芯片7脚与地之间接一个进行开关频率设置的电阻；MP4012芯片8脚同步引脚， MP4012芯片9脚与10脚连接电阻，LED+输出电压通过电阻分压连接到MP4012芯片12脚；MP4012芯片13脚为PWM调光输入管脚，接一个限流的电阻；MP4012片14脚接一个RC电路，MP4012芯片15脚连接一个电阻分压电路，MP4012芯片16脚连接电流检测电阻到GND。
6.根据权利要求1所述的智能照明***节点控制器，其特征在于：所述射频通讯模块的处理芯片是AX5043，AX5043的1脚接地，2脚接电源，4脚接主控芯片中断引脚P1.7，AX5043的5-8引脚分别对应连接主控芯片管脚P2.3-P2.6，AX5043芯片的12脚和13脚接天线底座，其余引脚悬空。
7.根据权利要求1所述的智能照明***节点控制器，其特征在于：该智能照明***节点控制器上各元件采用电路板组装，电路板元器件采用贴片式或者直插式，所述能量检测模块的升压电路采用直插式；电解电容采用直插式；射频通讯模块焊接屏蔽罩。
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