CN202364428U - 一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，主要用于控制路灯，并能及时发现并解决故障。它包括LED灯具、电源模块、无线传感模块、控制模块、基站、计算机，电源模块包括电源控制芯片、输入电源、升压电路和恒流输出电路，控制模块包括PWM波发生器、光照强度采集传感器、故障反馈模块和执行节点；所述的输入电源采用LED太阳能路灯恒流电源；所述的控制模块与基站之间通过Zigbee无线传感器网络连接，基站与计算机连接。本实用新型采用环保的太阳能供电，通过Zigbee无线传感网络进行远程光照强度采集，采用PWM波控制每盏路灯的亮度变化，能接受每盏路灯的故障报警信号。

Description

一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器

技术领域

本实用新型涉及一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，主要用于控制路灯，并能及时发现并解决故障。

背景技术

目前，我国大部分路灯还是采用传统的日光灯进行夜间照明，其电源是一般采用220V的市电照明，而不是采用环保的新型能源，不能缓解我国用电荒的困难。传统路灯没有采集光照强度的功能，从晚上点亮开始到早上关闭的整个过程都是使用同一的亮度，无法进行相应的调光控制。特别是在夜深无人的情况下，传统路灯不能降低一定的亮度，还是保持原来的亮度，从而造成了其消耗的电量比较大。而且，传统路灯的故障维修的时效具有滞后性，维修人员不能迅速的得知故障发生的地点，常常需要过好几天才能收到某个路段的路灯出现故障的情况，这种维修的滞后性严重不利于居民的正常生活。综上，目前的路灯具有供电电源不环保、不节能、故障维修不方便等缺点或不足。

目前也有一些控制器来控制路灯，如中国专利申请号：200910105775.4，公开了一种LED路灯控制器，虽然也采用了PWM调光装置，但是供电电源还是常用的电源，没有从根本上起到节点的作用；另外，控制器没有故障***，而路灯是非常容易损坏，因此在维修方面也不方便。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，该控制器不但采用环保的太阳能供电，而且其是基于Zigbee无线传感网络通信，能采集每一盏LED路灯的光照强度，并进行远程PWM调光控制，维修人员也可以由控制器通过Zigbee网络反馈回来的故障报警信号来得知具体的某个地点某盏路灯的故障情况，从而达到及时维护的效果。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，其特征在于：它包括LED灯具、电源模块、无线传感模块、控制模块、基站、计算机，所述的电源模块包括电源控制芯片、输入电源、升压电路和恒流输出电路，电源控制芯片和升压电路均与输入电源连接，恒流输出电路与升压电路连接，升压电路与电源控制芯片连接，LED灯具与恒流输出电路连接；电源模块上还设置有PWM波调光控制输入端和故障反馈输出端；所述的输入电源采用LED太阳能路灯恒流电源，该电源通过充放电对LED路灯进行供电，其完全没有污染、能循环使用。

本实用新型所述的控制模块包括PWM波发生器、光照强度采集传感器、故障反馈模块和执行节点，光照强度采集传感器、PWM波发生器和故障反馈模块均与执行节点连接，执行节点与电源模块连接，PWM波调光控制输入端与执行节点连接，故障反馈模块与电源模块中的故障反馈输出端连接；所述的光照强度采集传感器采集当时当地的光强信息并发送给基站，PWM波发生器用于调节LED灯具的波形占空比来实现亮度变化，故障反馈模块用于检测LED路灯的故障情况。

本实用新型所述的控制模块与基站之间通过Zigbee无线传感器网络连接，基站与计算机连接。

本实用新型所述的控制模块通过CC2430和CC2591两块芯片组合而成的电路实现无线传感网络，一起实现无线传感网络射频的收发功能；其中，芯片CC2430提供烧录芯片控制程序，并带有复位功能，CC2591提供功放增益的作用，最远距离可以达到800米。 

本实用新型所述的电源控制芯片为HV9911，供电电源为DC 12/24V输入。

本实用新型与现有技术相比，具有以下明显效果：

1、在满足正常的夜间照明条件的同时，采取太阳能驱动电源供电取代常用的市电电源供电，既环保又节能。

2、本实用新型可以根据控制器采集到的光照强度结合夜间人流量的情况，适当的对LED路灯进行PWM波形发生器改变占空比得到相对应的电流，从而改变LED路灯的亮度，可以节约大量的电力资源。

3、维修人员可以通过对控制器反馈回来的故障报警信号进行分析，比较准确的确定某个路段的某盏LED路灯的故障情况，从而及时地派出人员对相应的LED路灯进行维修。

4、本实用新型采用的通信网路是Zigbee无线传感网络，该网络有一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，它的主要优点是低功耗、低速率、低成本、大容量、短延迟、协议简单和高安全性以及全数字化等诸多优点。

附图说明

图1是本实用新型总体的工作原理方框图。

图2是本实用新型的无线传感网络实现芯片CC2430的电路原理图。

图3是LED路灯控制器太阳能供电电源实现原理图。

图4是故障报警信号电路连接的第一种方法。

图5是故障报警信号电路连接的第二种方法。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：

参见图1～图5，本实施例包括LED灯具1、电源模块、无线传感模块、控制模块、基站2、计算机3，所述的电源模块包括电源控制芯片4、输入电源5、升压电路6和恒流输出电路7，电源控制芯片4和升压电路6均与输入电源5连接，恒流输出电路7与升压电路6连接，升压电路6与电源控制芯片4连接，LED灯具1与恒流输出电路7连接；电源模块上还设置有故障反馈输出端8；

所述的控制模块包括PWM波发生器9、光照强度采集传感器10、故障反馈模块11和执行节点12，光照强度采集传感器10、PWM波发生器9和故障反馈模块11均与执行节点12连接，执行节点12与电源模块连接，故障反馈模块11与电源模块中的故障反馈输出端8连接。

所述的控制模块与基站2之间通过Zigbee无线传感器网络连接，基站2与计算机3连接。

本实用新型所述的输入电源5采用LED太阳能路灯恒流电源。

本实施例中，电源模块采用更加环保可持续的太阳能电源，该电源通过充放电对LED灯具1进行供电，其完全没有污染、能循环使用。由于路灯电源必须具有恒流或稳压供应能力，因此电源选用LED太阳能路灯恒流(或稳压)电源。电源的驱动方式有两种：一种是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。

而且为了满足环境及使用需要，电源模块还具有以下功能：

(1) 高可靠性，特别像LED灯具1的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大，因此必须保证可靠性。

(2) 高效率，因为LED是节能产品，驱动电源的效率要高，尤其是对于电源安在灯具内的结构，而且LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。而电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升，对延缓LED的光衰有利。

(3) 高功率因素。功率因素是电网对负载的要求，一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。因此对于30瓦~40瓦的LED驱动电源，保证高功率因素，可以有效减缓对电网的污染。

(4) 浪涌保护，由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网***会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力，特别是抗反向电压能力。

(5) 保护功能，除了常规的保护功能外，在恒流输出中还设置有LED温度负反馈，防止LED温度过高。

(6) 防护方面，灯具外安装型，电源结构防水、防潮，外壳耐晒等。

结合以上的太阳能电源的性能要求，LED灯具1的安装环境的复杂性，本实施例主要侧重电源的高可靠性、高效率、浪涌保护和防护方面。

本实施例中，可以对LED灯具1的亮度进行调节。主要是光照强度采集传感器10对LED灯具1进行光照强度的采集，同时PWM波发生器9调节LED灯具1电源波形的占空比，从而改变LED灯具1的亮度达到节能的效果。

首先，设置光照强度采集传感器10的各项参数，使光照强度采集传感器10能定时的每隔一段时间把当时当地的光强信息采集过来，并通过执行节点12的无线发送方式把所有的光强信息发送给基站2。基站2通过串口传输的方式把光强信息传输给计算机3，控制人员可以通过某种串口工具(如超级终端工具)来查看传送来的光强信息，或者计算机3方面也可以通过一些可视化的软件对光强信息进行判断分析，再对该执行节点12所控制的LED灯具1进行PWM波调光。

使用PWM波调光的关键在于PWM波发生器9的设计，主要有两种方法：一种是通过软件方式，使用定时器的定时/中断功能并对定时器进行编程，控制某一段时间间隔内，输出电压为低电平，然后在另一时间间隔内，输出电压为高电平，如此反复的产生高低电平输出，即可得到PWM波，通过改变两端不同的时间长度就可以形成不同的PWM波形。另一种则是通过硬件的方式直接实现PWM波形发生器。对于一些芯片而言，其本身就具有PWM波形发生器的功能的话，只要对该芯片的一些相关寄存器进行设置，即可自动的在某一引脚输出PWM波。这两种方法各有优势，前一种可控的频率范围比较广，而后一种相对前一种来说，稳定性能比较高。

对于实际应用来说，LED灯具1要求输出的频率都是比较固定的，一般只有几百赫兹左右，主要通过调节其波形占空比来实现亮度变化。再结合LED灯具1所在的室外环境比较复杂，因此，选择稳定性能较高的硬件方式产生PWM波进行调光控制。

本实施例中，在故障检测方面，是通过控制模块的故障反馈模块11报警，并通过Zigbee无线传感网络反馈回基站2，再迅速地告知维修人员。

LED灯具1故障主要有两种，短路和断路。分析这种电路故障的方法，通常采用的是电压表检测法，但是这样就需要用到电压表，并不能方便的告知维修人员，因此，需要对电压表检测法进行了一定的延伸扩展。正如电压表检测法是检测某一个元器件或某一段电路的电压情况，同样的本实用新型的控制模块通过把LED的电压电流反馈回来的电信号传递给执行节点12作为故障反馈，执行节点12再对故障报警信号进行识别标记，再通过Zigbee无线传感网络传递给基站2，最后通过串口传输给计算机3。计算机3方面通过对故障报警信号分析，确定某一盏LED灯具1是否出现了故障，如果出现了故障情况的话，就可以在很短的时间内对该LED灯具1进行维修。

本实施例中，在通信网络选择方面，采用的是最新技术Zigbee无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)，因为Zigbee无线传感网络的传输距离相对的比较短，所以必须通过无线组网的形式来延长距离，扩大传送范围。IEEE 802.15.4/Zigbee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构、互连星型结构和网状结构。为了达到极低的设计成本和极低的功率消耗，本实用新型采用了网状结构，使每个执行节点12能迅速地找到一个离它最近的执行节点12，并记录相关的信息，如此就可以形成一个完整的路由线路。每个执行节点12能通过各自的路由线路迅速的把采集得到的光强数据或故障数据发送到基站2，进而传输到计算机3，同时计算机3也可以通过基站2，再经过一定的路由线路把PWM波的控制命令发送到各个执行节点12。

参见图2，本实施例中，CC2430和CC2591两块芯片组合而成的电路实现了控制模块的无线传感网络。其中，芯片CC2430提供烧录芯片控制程序，并带有复位功能，S1为复位开关，能提供32.768KHZ或32MHZ的主频率，与芯片CC2591连接，一起实现无线传感网络射频的收发功能，CC2591提供功放增益的作用，最远距离可以达到800米左右。D1、D2和D3为程序串口调试的信号指示灯，D4为芯片CC2430的电源信号指示灯。

CC2430射频的输入输出端口是独立的，它们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部TX/RX开关，其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的一个平衡式天线，如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。而且集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要，晶片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围，另搭配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。

同时，CC2430的P1_1引脚为PWM波发生器9提供引脚，在Zigbee无线传感通信的基础上，先对LED灯具1的光照强度进行采集，采集工作主要由光照强度采集传感器10完成，并通过Zigbee无线传感器网络把适时的光照强度传输回基站2。基站2方面作出判断后，再通过对该芯片的相应寄存器设置，使其能由硬件直接实现PWM波形的输出。根据硬件平台和芯片的工作方式，确定外部引脚控制寄存器PERCFG设置输出端口为PORT 1，端口1功能选择寄存器P1SEL设置输出引脚为P1.1，时钟选择寄存器CLKCON设置主时钟频率为32MHZ和输出晶振频率为4MHZ。通过T4CC0设置PWM波形的频率，通过T4CC1设置PWM波形的占空比，设置寄存器T4CTL将输出频率 128分频，并且选择相应的工作模式。T4CCTL1设置定时器4的通道1产生PWM波形的具体工作模式。

设置完成上述寄存器，就可以直接由定时器的硬件方式产生PWM波形。首先，计算机3上用串口工具sscom32.exe发送控制命令，规定发送命令的格式（如002200,50%，其中002表示目的地址，200表示PWM波频率，50%表示PWM波占空比），通过串口发送到基站2上。然后，基站2根据目的地址查路由表，找出其对应的上一跳节点ID，再通过无线方式发送数据到执行节点12，执行节点12就可以通过P1.1引脚输出频率范围为122HZ~31250HZ（数值必须是整数），占空比为1%~99%的PWM波形。如果占空比<1%，PWM波形占空比就当1%来算；如果占空比>99%，PWM波形占空比就当99%来算。

P0_7为故障报警信号检测引脚，通过对硬件定时器P0SEL的设置，把故障检测I/O口P0_7引脚设置为外设接口模式，并使其与电源模块的故障输出端连接即可实现故障检测。此时，P0_7的初始状态为“0”，故障指示灯不闪烁，即没有外部的高电平信号时，故障指示灯是不闪烁的；当外部给P0_7一个高电平信号时，P0_7引脚马上就会跳变成高电平，指示灯就会出现闪烁的现象。本实用新型就是检测该引脚的故障信号，并通过执行节点12、基站2，最后发送到计算机3中进行分析并判断LED灯具1的故障情况。

参见图3，本实施例中，HV9911是30W的LED太阳能路灯恒流电源的控制主芯片，其供电电源为DC 12/24V输入，DC1A单路输出，经过由电感L1、电容C6、MOS管Q4和电阻R7、R8、R13组成的升压电路6进行升压处理，再经过电容C10、C12，极性电容E1、MOS管Q5和电阻R10、R13、R21组成的恒流输出电路7，给LED灯具1提供较高电流稳定的电源，R11电压或电流反馈电阻。电阻R14、R26及光电隔离开关U2组成PWM波调光控制输入端，电容C11、电阻R27和光电隔离开关组成故障反馈输出端8。该LED太阳能路灯恒流电源输入具有欠压保护，输出具有短路保护、过流保护、过压保护等功能，并具有PWM调光、故障反馈功能，冷却采用自然传导方式。

参见图4～图5，为故障报警信号电路连接的具体方法。当电源控制板给出故障反馈输出时，有两种方法对故障信号进行检测。第一种方法，如图4所示，在电源端接一个4.7K～10K的上拉电阻，则F1端再连接芯片CC2430的故障检测I/O口P0_7引脚，F2接CC2430的接地端；第二种方法，如图5所示，在接地端接一个4.7K～10K的下拉电阻，则F2端再连接芯片CC2430的故障检测I/O口P0_7引脚，F1接CC2430的接地端。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，其特征在于：它包括LED灯具、电源模块、无线传感模块、控制模块、基站、计算机，所述的电源模块包括电源控制芯片、输入电源、升压电路和恒流输出电路，电源控制芯片和升压电路均与输入电源连接，恒流输出电路与升压电路连接，升压电路与电源控制芯片连接，LED灯具与恒流输出电路连接；电源模块上还设置有PWM波调光控制输入端和故障反馈输出端；所述的输入电源采用LED太阳能路灯恒流电源；

所述的控制模块包括PWM波发生器、光照强度采集传感器、故障反馈模块和执行节点，光照强度采集传感器、PWM波发生器和故障反馈模块均与执行节点连接，执行节点与电源模块连接，PWM波调光控制输入端与执行节点连接，故障反馈模块与电源模块中的故障反馈输出端连接；

所述的控制模块与基站之间通过Zigbee无线传感器网络连接，基站与计算机连接。

2.根据权利要求 1所述的一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，其特征在于：所述的控制模块通过CC2430和CC2591两块芯片组合而成的电路实现无线传感网络。

3.根据权利要求 1或2所述的一种基于Zigbee的PWM调光LED路灯控制器，其特征在于：所述的电源控制芯片为HV9911，供电电源为DC 12/24V输入。

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