CN101217841A - 分布式场景灯光控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种分布式场景灯光智能控制系统。包括：通信转换器[4]、串行总线[5]、灯光节点控制器[6]。其中灯光节点控制器[6]包括：微控制器模块[30]、触摸板控制模块[31]、状态指示背光输出模块[32]、红外遥控输入模块[46]、超声波探测输入模块[47]、光照探测输入模块[48]、现场总线接口[35]、节点地址设置模块[41]、电源转换模块[45]、灯光输出驱动模块[36]等。本发明采用大规模集成电路，体积小，功耗低。灯光节点控制器之间连接采用现场总线，可以扩充灯光节点控制器的数量和信号传输距离。同时支持多种开灯指令输入方式。此外，本发明通过标准的串行通信线路与外部的计算机相连，具有一定的通用性，用户可以用在自己家中随时通过电脑来设置维护场景灯光控制系统。
Description
【技术领域】：本发明属于照明控制技术领域，特别是一种分布式场景灯光智能控制系统。
【背景技术】：现有灯光控制基本是简单的开关控制，即通过某种形式的开关控制电源的通断，达到控制灯光的亮暗。常见的开关形式有：机械触点式和电子式两种。机械触点式开关存在机械机构磨损和触点磨损两个缺点。电子式开关内部采用可控硅或绝缘栅型场效应管作为电源通断的控制元件，是一种无触点开关。电子式开关可以通过声音、光照、触摸等方式获得开灯信号。专利200420047366.6提出一种触摸屏开关的设计，通过轻轻触摸屏幕，达到控制灯光通断的目的；专利200420104473.8同样提出一种触摸屏电子开关的设计，并且明确使用绝缘栅型绝缘栅型场效应管作为电源通断控制元件。上述专利仅仅在结构上描述出触摸屏开关的功能设计，但是都没有明确内部电路控制原理。除此之外，上述专利存在以下不足：单路使用，不具备场景设置功能。
【发明内容】：本发明的目的是解决现有技术存在的不足，提供一种分布式场景灯光智能控制系统。
本发明提供的场景灯光控制系统1的组成，参考图1，包括：
——通信转换器4：用于接收计算机程序通过串行通信线发送来的灯光设置指令。通信转换器对接收到的灯光设置指令做数据格式转换，例如RS232格式与CANBUS格式转换，转换成灯光节点控制器可以识别的格式，通过串行总线发送给总线上的各个灯光节点控制器；
——串行总线5：用于连接N个灯光节点控制器，同时将通信转换器转换后的灯光控制指令发送给总线上的各个灯光节点控制器，N为小于256的整数；
——灯光节点控制器6：随时接收通信转换器发出的灯光设置指令，通过判断接收到的指令地址是否与本机地址相同，确定是否为本机接收数据，如果是本机地址，接收数据；否则，丢弃数据；
其中的灯光节点控制器6包括：参考图3
——微控制器模块30：包含一个16位微处理器，内部含有现场总线CANBUS控制器；
——触摸板控制模块31：触摸板控制模块的功能是采集触摸信号输入，包括触摸板和触摸板控制器。触摸板控制模块通过双向数据总线33与微控制器模块30双向连接；
——状态指示背光输出模块32：包括状态指示灯、图片板和背光板。安装时从里到外的叠放次序是：背光板、图片板、触摸板、状态指示灯。图片板上面印刷有开关的图案，如“1路开关”、“2路开关”、“场景1”、“廊灯”、“地灯”等等。背光板的照射下，图片板上的印刷图案可以清晰的显示出来。状态指示灯表示各个开关和场景的通断状态。状态指示背光输出模块通过单向数据总线34与微控制器模块30连接；
——红外遥控输入模块46：接收手持遥控器发送的控制指令，并且通过数据线42传送到微控制器模块30。主人不但可以走到开关用手去触摸开关，而且可以在一定距离内通过手持遥控器控制开关的动作。；
——超声波探测输入模块47：检测人体运动，如果有人体移动则通过数据线43发送到微控制器模块30；
——光照探测输入模块48：检测光照强弱，将光照强度值通过数据线44发送到微控制器模块30；光照探测输入模块48和超声波探测输入模块47组合起来，可以实现如下功能：主人在夜间从外面回家，一打开房门，房门内灯光自动开启，避免黑夜里摸索开关。
——现场总线接口35：包括一个现场总线信号收发驱动器，完成TTL电平与现场总线电平之间的相互转换；与微控制器模块30之间通过双向总线37连接，包括现场总线发送信号线CANTX和接收信号线CANRX；
——节点地址设置模块41：包括多位拨码开关，用于设置灯光节点控制器在现场总线上的节点地址。拨码开关通过单向数据线39连接微控制器模块30。
——电源转换模块45：将外部输入的直流电源转换为节点控制器内部使用的直流稳压电源5V；与微控制器模块30之间通过电源线40连接，包括直流5V电源线，以及地线GND；
——灯光输出驱动模块36：通过可控硅控制外部灯光的开启和关断，可以实现亮度调节。本模块还包括外部交流电源AC220V的检测电路，将外部交流电源的有无状态输送给微控制器模块。灯光输出驱动模块36与微控制器模块30之间通过双向数据线38连接，其中包括多条控制灯光开启的输出线和一条检测交流电源状态的输入线。
其中的通信转换器4包括：参考图2
——微控制器模块11：包含一个高性能的8位微处理器，它内部包含一个串行通信控制器和一个CANBUS通信控制器；
——串行通信接口16：包括一个双向的电平转换器，完成TTL电平与RS422电平之间的相互转换；与微控制器模块11之间通过双向总线10连接，包括一条发送信号线TXD和一条接收信号线RXD；
——节点地址设置模块17：包括多位拨码开关，用于设置通信转换器在现场总线上的节点地址，拨码开关通过单向数据线18连接微控制器模块11；
——电源转换模块13：将外部输入的直流电源转换为通信转换器内部使用的直流稳压电源，电源输出5V；与微控制器模块11之间通过电源线12连接，包括直流5V电源线，以及地线GND；
——现场总线接口模块15：完成微控制器模块11与外部现场总线之间的通信传输；与微控制器模块11之间通过双向总线14连接。
本发明的优点和积极效果：本发明采用大规模集成电路，体积小，功耗低。
灯光节点控制器之间连接采用现场总线，可以扩充灯光节点控制器的数量和信号传输距离。
此外，本发明通过标准的串行通信线路与外部的计算机相连，具有一定的通用性，用户可以用在自己家中随时通过电脑来设置维护场景灯光控制系统。本发明的通信转换器与多个灯光节点控制器之间采用现场总线连接。灯光节点控制器依照各自的ID地址码不同，接收其ID地址码所对应的灯光设置信息，保证了灯光设置信息传送的准确性和快速性。
灯光节点控制器备有两种控制方式：本地控制和场景控制。
本地控制便捷灵活，满足大部分照明需要；场景控制功能强大，视觉效果好，最大限度创造舒适安逸生活，体现以人为本观念。同时支持多种开灯指令输入方式：触摸输入、红外遥控输入、超声波探测输入等。
【附图说明】：
图1是分布式场景灯光控制系统的结构图，
图2是通信转换器的结构图，
图3是灯光节点控制器的结构图，
图4是通信转换器的电气原理图，
图5是灯光节点控制器的主模块电气原理图，
图6是灯光节点控制器的触摸板控制模块电气原理图，
图7是灯光节点控制器的灯光输出驱动模块电气原理图，
图8是灯光节点控制器的直流电源和串行总线模块电气原理图，
图9是灯光节点控制器的外围接口模块电气原理图。
【具体实施方式】：
实施例1
如图1所示，本发明提供的场景灯光控制系统1包括：
——通信转换器4：用于接收计算机程序通过串行通信线发送来的灯光设置指令。通信转换器对接收到的灯光设置指令做数据格式转换，例如RS232格式与CANBUS格式转换，转换成灯光节点控制器可以识别的格式，通过串行总线发送给总线上的各个灯光节点控制器；
——串行总线5：用于连接N个灯光节点控制器，同时将通信转换器转换后的灯光控制指令发送给总线上的各个灯光节点控制器，N为整数，N小于256；
——灯光节点控制器6：随时接收通信转换器发出的灯光设置指令，通过判断接收到的指令地址是否与本机地址相同，确定是否为本机接收数据，如果是本机地址，接收数据；否则，丢弃数据；
其中的灯光节点控制器6包括：参考图3
——微控制器模块30：包含一个16位微处理器，内部含有现场总线CANBUS控制器；
——触摸板控制模块31：触摸板控制模块的功能是采集触摸信号输入，包括触摸板和触摸板控制器。触摸板控制模块通过双向数据总线33与微控制器模块30双向连接；
——状态指示背光输出模块32：包括状态指示灯、图片板和背光板。安装时从里到外的叠放次序是：背光板、图片板、触摸板、状态指示灯。图片板上面印刷有开关的图案，如“1路开关”、“2路开关”、“场景1”、“廊灯”、“地灯”等等。背光板的照射下，图片板上的印刷图案可以清晰的显示出来。状态指示灯表示各个开关和场景的通断状态。状态指示背光输出模块通过单向数据总线34与微控制器模块30连接；
——红外遥控输入模块46：接收手持遥控器发送的控制指令，并且通过数据线42传送到微控制器模块30。主人不但可以走到开关用手去触摸开关，而且可以在一定距离内通过手持遥控器控制开关的动作。；
——超声波探测输入模块47：检测人体运动，如果有人体移动则通过数据线43发送到微控制器模块30；
——光照探测输入模块48：检测光照强弱，将光照强度值通过数据线44发送到微控制器模块30；光照探测输入模块48和超声波探测输入模块47组合起来，可以实现如下功能：主人在夜间从外面回家，一打开房门，房门内灯光自动开启，避免黑夜里摸索开关。
——现场总线接口35：包括一个现场总线信号收发驱动器，完成TTL电平与现场总线电平之间的相互转换；与微控制器模块30之间通过双向总线37连接，包括现场总线发送信号线CANTX和接收信号线CANRX；
——节点地址设置模块41：包括多位拨码开关，用于设置灯光节点控制器在现场总线上的节点地址。拨码开关通过单向数据线39连接微控制器模块30。
——电源转换模块45：将外部输入的直流电源转换为节点控制器内部使用的直流稳压电源5V；与微控制器模块30之间通过电源线40连接，包括直流5V电源线，以及地线GND；
——灯光输出驱动模块36：通过可控硅控制外部灯光的开启和关断，可以实现亮度调节。本模块还包括外部交流电源AV220V的检测电路，将外部交流电源的有无状态输送给微控制器模块。灯光输出驱动模块36与微控制器模块30之间通过双向数据线38连接，其中包括多条控制灯光开启的输出线和一条检测交流电源状态的输入线。
其中的通信转换器4包括：参考图2
——微控制器模块11：包含一个8位微处理器，它内部包含一个串行通信控制器和一个CANBUS通信控制器；
——串行通信接口16：包括一个双向的电平转换器，完成TTL电平与RS422电平之间的相互转换；与微控制器模块11之间通过双向总线10连接，包括一条发送信号线TXD和一条接收信号线RXD；
——节点地址设置模块17：包括多位拨码开关，用于设置通信转换器在现场总线上的节点地址，拨码开关通过单向数据线18连接微控制器模块11；
——电源转换模块13：将外部输入的直流电源转换为通信转换器内部使用的直流稳压电源，电源输出5V；与微控制器模块11之间通过电源线12连接，包括直流5V电源线，以及地线GND；
——现场总线接口模块15：完成微控制器模块11与外部现场总线之间的通信传输；与微控制器模块11之间通过双向总线14连接。
工作原理：
灯光节点控制器功能：
每个灯光节点控制器自身带有M路电源输出(M是整数，M小于256)，对应于触摸面板上的M路本地控制指令；灯光节点控制器还具有H路场景控制功能(H是整数，H小于256)，对应于触摸面板上的H路场景指令。
指令输入方式：同时支持多种开灯指令输入方式：触摸输入、红外遥控输入、超声波探测输入。灯光开关模块还具有遥控接口，使操作者可以在一定距离以内，通过手持遥控器控制开关的工作方式。
触摸面板图片设计：
| 1号场景图标 | 1号开关图标 |
| 2号场景图标 | 2号开关图标 |
| 。。。 | 。。。 |
| H号场景图标 | M号开关图标 |
本地控制：触摸面板上的本地控制图案对应于本地灯光控制，可以连接最多M路灯光(或其它类似电器，风扇、窗帘等)。
本地灯光开启/关闭方法：第一次轻触本地开关时，与这路对应的灯光电源接通，灯光开启。
第二次轻触这个本地开关时，与这路对应的灯光电源断开，灯光关闭。
场景控制：场景控制是一种组合灯光控制，包括许多路灯光设备，这些灯光设备可能会连接在若干个节点控制器上，这些节点控制器中的任何一个都可以开启/关闭场景灯光。
场景灯光开启/关闭方法：第一次轻触场景开关时，与这路场景对应的灯光电源接通，灯光开启。第二次轻触这个场景开关时，与这路场景对应的灯光电源断开，灯光关闭。
场景设置说明：
场景设置表说明了某种场景所对应的总线上的每个节点控制器上的输出回路的相关性。如果某种场景与某个节点上的这路输出相关，那么设置为ON，否则不相关，设置为OFF。只有设置为ON(相关)的那些输出回路才受这种场景的控制。
| 1号节点控制器 | 2号节点控制器 | 。。。 | N号节点控制器 | ||||||||||
| 1号输出回路 | 2号输出回路 | 。。。 | M号输出回路 | 1号输出回路 | 2号输出回路 | 。。。 | M号输出回路 | 。。。 | 1号输出回路 | 2号输出回路 | 。。。 | M号输出回路 | |
| 1号场景 | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF | 。。。 | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF |
| 2号场景 | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF | 。。。 | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF |
| 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 | 。。。 |
| H号场景 | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF | 。。。 | ONOFF | ONOFF | 。。。 | ONOFF |
触摸面板图片设计，样例如下，包括3路场景输出，3路开关输出：
| 1号场景图标宴会场景 | 1号开关图标壁灯 |
| 2号场景图标影院场景 | 2号开关图标吊灯 |
| 3号场景图标酒吧场景 | 3号开关图标地灯 |
灯光节点控制器上的触摸面板上划分出多个图案，对应于不同的触摸区域，可以根据需要印刷多个图案，例如：壁灯、吊灯、地灯、宴会场景、影院场景、酒吧场景等等。
如上例，本控制器有3路电源输出，分别连接壁灯、吊灯、地灯，点击触摸面板上的“壁灯”、“吊灯”、“地灯”后，分别接通1路输出(壁灯)、2路输出(吊灯)、3路输出(地灯)的电源。
如上例，预先设好3种场景：宴会场景、影院场景、酒吧场景，点击触摸屏上的“宴会场景”后，这个开关与总线上其它开关通信，将预先设置的“宴会场景”的多个灯光自动点亮，这种功能在大宴会厅举办宴会时效果非常好。其它“影院场景”、“酒吧场景”的操作原理同样，都可以达到同时控制多路灯光按照预先设置的场景自动点亮。
具体电路的设计实例：
通信转换器的设计，参考图4：通信转换器的电气原理图
——微控制器包括复位电路、晶振电路、节点地址设置开关，选用高性能的8位微处理器AT89C51CC01，它内部包含一个串行通信控制器UART和一个CANBUS通信控制器；
——串行通信接口：包括一个全双工的电平转换器，完成TTL电平与RS422电平之间的相互转换；与微控制器AT89C51CC01之间通过发送信号线TXD和接收信号线RXD连接。串行通信接口的接收电路使用两片TLP521光偶完成RS422电平到TTL电平的转换；发送电路使用SN75176驱动电路。
——电源转换电路：将外部输入的24V直流电源转换为通信转换器内部使用的直流稳压电源5V；选用LM2576开关电源转换器，工作在开关模式，转换效率高。
——现场总线接口电路：完成微控制器与外部现场总线之间的通信传输；选用82C250总线驱动器对外连接信号：CANH。
灯光节点控制器设计：参考
图5：灯光节点控制器的主模块电气原理图。
图6：灯光节点控制器的触摸板控制模块电气原理图。
图7：灯光节点控制器的灯光输出驱动模块电气原理图。
图8：灯光节点控制器的直流电源和串行总线模块电气原理图。
图9：灯光节点控制器的外围接口模块电气原理图。
灯光节点控制器的电气原理图设计包括：主模块、触摸板控制模块、灯光输出驱动模块、直流电源和串行总线模块、外围接口模块等电气原理图。
其中，灯光节点控制器的主模块电气原理图包括微控制器PIC18F4480、复位电路、晶振电路、75176串行通信电路、红外遥控器输入接口、超声波探测器输入接口、光照探测器输入接口等；
灯光节点控制器的触摸板控制模块选用ADS7843触摸板控制器，外部连接4线制电阻式触摸板。触摸板控制模块通过片选信号PENCS、时钟信号DCLK、输入信号DIN、输出信号DOUT、忙信号BUSY、中断请求信号PENIRQ与微控制器PIC18F4480双向连接；
灯光节点控制器的灯光输出驱动模块，包括3路带过压过流保护的可控硅BTA16输出电路，通过可控硅控制外部灯光的开启和关断，可以实现亮度调节。可控硅与微控制器之间通过TLP160J电路作光电隔离，降低干扰的影响。另外，本模块还包括外部交流电源AV220V的TLP180交流信号检测，将外部交流电源的有无状态ACIN输送给微控制器模块。灯光输出驱动模块与微控制器模块之间通过数据线O1、O2、O3、ACIN连接。
灯光节点控制器的直流电源和串行总线模块包括电源转换器LM2576和MCP2251串行总线驱动电路。电源转换器LM2576将外部输入的直流电源转换为节点控制器内部使用的直流稳压电源5V；MCP2251串行总线驱动电路，完成TTL电平与现场总线电平之间的相互转换；与微控制器之间通过发送信号线CANTX和接收信号线CANRX连接，对外连接CANH和CANL信号线；
灯光节点控制器的外围接口模块电气原理图包括节点地址设置开关和输出状态指示等。节点地址设置开关包括8位拨码开关A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7，用于设置灯光节点控制器在现场总线上的节点地址。输出状态指示包括状态指示灯L1、L2、L3、L4、L5、L6、蜂鸣器BUZZER和触摸板照明灯LIGHT。
Claims (2)
1.一种分布式场景灯光智能控制系统，其特征在于该控制系统包括：
通信转换器[4]：用于接收计算机程序通过串行通信线发送来的灯光设置指令；通信转换器对接收到的灯光设置指令做数据格式转换，转换成灯光节点控制器可以识别的格式，并通过串行总线发送给总线上的各个灯光节点控制器；
串行总线[5]：用于连接N个灯光节点控制器，同时将通信转换器转换后的灯光控制指令发送给总线上的各个灯光节点控制器，N为小于256的整数；
灯光节点控制器[6]：随时接收通信转换器发出的灯光设置指令，通过判断接收到的指令地址是否与本机地址相同，确定是否为本机接收数据，是本机地址，接收数据；否则，丢弃数据；
其中的灯光节点控制器[6]包括：
——微控制器模块[30]：包含一个16位微处理器，内部含有现场总线CANBUS控制器；
——触摸板控制模块[31]：触摸板控制模块的功能是采集触摸信号输入，包括触摸板和触摸板控制器；触摸板控制模块通过双向数据总线[33]与微控制器模块[30]双向连接；
——状态指示背光输出模块[32]：包括状态指示灯、图片板和背光板，安装时从里到外的叠放次序是：背光板、图片板、触摸板、状态指示灯；状态指示灯表示各个开关和场景的通断状态，状态指示背光输出模块通过单向数据总线[34]与微控制器模块[30]连接；
——红外遥控输入模块[46]：接收手持遥控器发送的控制指令，并且通过数据线[42]传送到微控制器模块[30]，可以在一定距离内通过手持遥控器控制开关的动作；
——超声波探测输入模块[47]：检测人体运动，当有人体移动时，通过数据线[43]发送到微控制器模块[30]，控制开关的动作；
——光照探测输入模块[48]：检测光照强弱，将光照强度值通过数据线[44]发送到微控制器模块[30]；
——现场总线接口[35]：包括一个现场总线信号收发驱动器，完成TTL电平与现场总线电平之间的相互转换；与微控制器模块[30]之间通过双向总线[37]连接，包括现场总线发送信号线CANTX和接收信号线CANRX；
——节点地址设置模块[41]：包括多位拨码开关，用于设置灯光节点控制器在现场总线上的节点地址，拨码开关通过单向数据线[39]连接微控制器模块[30]；
——电源转换模块[45]：将外部输入的直流电源转换为节点控制器内部使用的直流稳压电源；与微控制器模块[30]之间通过电源线[40]连接，包括直流电源线，以及地线GND；
——灯光输出驱动模块[36]：通过可控硅控制外部灯光的开启和关断，可以实现亮度调节；本模块还包括外部交流电源AC220V的检测电路，将外部交流电源的有无状态输送给微控制器模块，灯光输出驱动模块[36]与微控制器模块[30]之间通过双向数据线[38]连接，其中包括多条控制灯光开启的输出线和一条检测交流电源状态的输入线。
2.根据权利要求1所述的分布式场景灯光智能控制系统，其特征在于，其中的通信转换器[4]包括：
——微控制器模块[11]：包含一个8位微处理器，它内部包含一个串行通信控制器和一个CANBUS通信控制器；
——串行通信接口[16]：包括一个双向的电平转换器，完成TTL电平与RS422电平之间的相互转换；与微控制器模块[11]之间通过双向总线[10]连接，包括一条发送信号线TXD和一条接收信号线RXD；
——节点地址设置模块[17]：包括多位拨码开关，用于设置通信转换器在现场总线上的节点地址，拨码开关通过单向数据线[18]连接微控制器模块[11]；
——电源转换模块[13]：将外部输入的直流电源转换为通信转换器内部使用的直流稳压电源；与微控制器模块[11]之间通过电源线[12]连接，包括直流电源线，以及地线GND；
——现场总线接口模块[15]：完成微控制器模块[11]与外部现场总线之间的通信传输；与微控制器模块[11]之间通过双向总线[14]连接。
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