CN101572983A - 一种led照明智能节能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能控制系统，属于自动化控制技术领域，具体地说涉及LED照明智能节能控制系统的改进。该系统包括控制中心及电连接的若干控制台、与控制台分别电连接的若干灯具控制电路，控制中心为安装控制软件的计算机系统，语言环境采用VB，控制中心与各控制台采用以太网或RS485总线连接，通过光纤收发器连接以实现环网自愈的网络；控制台采用ALtera的可编程逻辑器，内嵌NIOS内核，操作系统使用Uclinux。本发明LED智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将各种LED照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制，便于远程控制、监测和节能控制。
Description
所属技术领域
本发明涉及智能控制系统，属于自动化控制技术领域，具体地说涉及LED照明智能节能控制系统的改进。包括控制中心、若干控制台、多组灯具控制电路。
背景技术
LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12％。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。随着信息技术的飞速发展和社会的不断进步，大功率LED照明应用的普及，人们对LED照明的高效控制和功能多样化的要求也不断提高，LED智能照明系统应运而生。
如专利权人：上海三思电子工程有限公司、上海三思科技发展有限公司，2007年8月7日申请的名称为“智能控制隧道LED照明系统及其应用”(专利号：200710044639.X，公开(公告)日：2009年2月11日，公开号：CN101363575)的专利，该发明公开了一种智能控制LED隧道灯照明系统及其应用，包括供配电装置，一组多个由隧道灯灯头、直流驱动工作电源及其控制单元组成的LED隧道灯具在内的结构，该发明在每个LED隧道灯控制单元内均设加带温度传感器的传感信号识别处理器，其前端以多对一方式通过前置传感信号传输通道，先后共接一个传感器信号转换处理器和一个车辆检测传感器，由传感信号识别处理器统一处理来自温度传感器和车辆检测传感器的信号。该发明能识别隧道前方是否有车辆驶来以控制LED隧道灯是否点亮，并可根据检测到的隧道内环境温度调节控制隧道灯头LED的驱动电流或隧道灯LED的点亮数量，而不降低隧道灯的发光亮度，从而实现节电，延长隧道灯工作寿命。
对于大部分的LED灯具，比如隧道灯和路灯，灯具数量多，而且控制并不需要每一盏灯具都进行控制，需要做到对区域灯具进行集中控制，而其要求实现时控，人工控制等；由于灯具数量多，对于故障的勘查需要很多的人工处理，现场需要实现对每盏灯具进行故障监测，并上报数据，有利于智能维护。
目前比较常用的方案如下：
1)用工业控制的PLC系统进行控制，采用PLC输出的模拟量组环来实现LED的调光，这样需要增加很多节点对LED灯具进行控制。
优点：技术成熟，系统稳定可靠
缺点：系统过于庞大，成本很高，对于增加监测点需要增加很多数据节点，现场操作不现实。
2)CAN总线：对于每个灯具都使用CAN总线进行集中控制。
优点：速率高，传输距离远
不足：成本高。
随着计算机网络技术的普及和快速发展，在LED照明控制领域，如何采用现有成熟的计算机网络技术，在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，传输控制协议使LED照明系统的控制质量和可靠性更高，双向通讯使设备的远程监测和控制更有效，因而构筑大规模可靠的LED照明系统的网络成本更低？
发明内容
本发明针对现有利用计算机网络技术控制LED照明系统的不足，提供一种有效利用计算机网络技术进行LED照明智能节能控制系统，具有系统集成性、智能化、网络化、系统可扩性好等优点。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种LED照明智能节能控制系统，该系统包括控制中心及电连接的若干控制台、每个控制台分别电连接的若干灯具控制电路，其中：控制中心为安装控制软件的计算机系统，语言环境采用VB，控制中心与各控制台采用以太网或RS485总线连接，通过光纤收发器连接以实现环网自愈的网络；控制台采用ALtera的可编程逻辑器，内嵌NIOS内核，操作系统使用Uclinux；灯具控制电路为具有与控制台连接的带串行接口的调光控制电路。
所述控制台和控制中心可以通过以太网连接，以太网的接口协议为标准的SNMP协议，MIB库采用MIB II，也可以通过RS485总线连接，控制台有四个对外接口采用RS485协议，通信使用自定义的串口协议。
所述控制台包括AC-DC电源转换1，FPGA嵌入式系统2，FPGA外围接口模块3，RS485电平转换模块4，所述AC-DC电源转换模块1接收外部输入的市交流电电压信号，输出DC信号给整个系统供电，输出信号提供给FPGA嵌入式系统2、FPGA外围接口模块3、RS485电平转换模块4，所述FPGA嵌入式系统2的输入输出连接RS485电平转换模块4和FPGA外围接口模块3，所述FPGA外围接口模块4的输入输出连接到FPGA嵌入式系统2和外部设备，所述RS485电平转换模块4的输入输出连接到FPGA嵌入式系统2和外部设备
所述AC-DC电源转换模块1包括电压转换芯片IC41，光耦IC32，LDO电压转换芯片IC20，IC37，IC27，以及变压器T14，T13，市交流分别经电防雷和电磁兼容电路、桥式整流滤波、降压变压器，在降压变压器原、次级两侧连接基准电压和内置MOS开关管控制芯片的控制电路，及低压差转换电路芯片，输出稳定电源，AC-DC电源转换模块1输出给FPGA嵌入式系统2，FPGA外围接口模块3，RS485电平转换模块4。
所述FPGA嵌入式系统2包括IC38，IC28，IC38的输出连接到FPGA外围电路3和RS485接口电路4，以及和IC28互连，IC28连接到IC38。
所述RS485电平接口电路4包括电平转换芯片IC19和光耦IC14、IC15，IC17，光耦IC14，IC15一端连接到FPGA的IC28，一端连接到IC19上，光耦IC17一端连接到FPGA IC28上，一端连接到IC19上。
本发明的LED照明智能节能控制系统有如下有益效果：
1.系统集成性。是集计算机技术、计算机网络通信技术、自动控制技术、微电子技术、数据库技术和系统集成技术于一体的现代控制系统；
2.智能化。具有信息采集、传输、逻辑分析、智能分析推理及反馈控制等智能特征的控制系统；
3.网络化。传统的照明控制系统大都是独立的、本地的、局部的系统，不需要利用专门的网络进行连接，而智能照明控制系统可以是大范围的控制系统，需要包括硬件技术和软件技术的计算机网络通信技术支持，以进行必要的控制信息交换和通信；
4.使用方便。由于各种控制信息可以以图形化的形式显示，所以控制方便，显示直观，并可以利用编程的方法灵活改变照明效果；
5.系统可扩性好，照明控制系统可在任何时候进行扩展，不必更改原有线路，只需将增加的模块用数据线接入原有网络系统便可；
6.图形用户界面，图形用户界面是一种更为形象直观的用户界面，用户可通过图形界面根据需要对楼宇的任何一个被控制区域进行灯光场景的设置或修改，可随意进行灯光场景切换等操作。允许用户自定义灯光场景控制序列。
附图说明
下面结合附图对采用本发明的LED照明智能节能控制系统，实施例进行说明。所述实施例是以非限定性示例的方式给出：
图1为本发明LED照明智能节能控制系统原理图；
图2为本发明中控制台原理框图；
图3为本发明中控制台AC-DC电源转换电路；
图4为本发明中控制台FPGA嵌入式系统；
图5为本发明中控制台FPGA嵌入式系统外围电路；
图6为本发明中控制台RS485接口电路。
具体实施方式
参照图1控制系统示意图，LED智能灯光控制系统是基于以太网或RS-485通信技术的现场总线，通过自定义通信协议，在总线上外挂各类型控制器，并由主控统一管理的主从式总线型照明控制系统。该控制系统分为三部分：
1.控制中心：需要安装管理软件，对系统的总体灯具进行集中控制，进行集中调光，并且对每台灯具的状态进行查询，并显示在软件界面上，不需要现场勘测各个灯具的运行情况，控制和监控非常方便；
2.控制台：对区域灯具进行操作，接收到控制中心命令后，由控制台执行命令，发送给各个灯具；并执行巡检操作，在系统运行过程中一直对各个灯具的状态进行巡检，当控制中心来查询时，将这些状态集中上报；
3.灯具控制电路：在灯具的供电恒流源里实现，接收控制台的调光命令后，将其转化成为电源可识别的PWM信号，从而调整了电源输出的电流，由此实现了LED灯具亮度的变化；采集恒流源的输出信号，进行故障判断，当恒流源故障时，将此状态上报到控制台。
以上的控制系统具有可扩展性，可以扩展到多节点，多控制的系统。
以上的控制中心和各个控制台之间采用以太网或RS485总线连接，通过光纤收发器连接可以实现环网自愈的网络，有效保证当光纤回路故障时信号仍然可以正常通信。
每个控制台可以输出四路，分别控制车道的左右，以及对面车道的左右的灯具，灯具的数量为对称分布，左边的数量均相同，右边的数量相同。控制台的每一路输出可以带180个灯具，距离为800米，如果增加中继器，距离可以扩展到9公里。
控制中心：语言环境采用VB，
控制台：采用Altera的可编程逻辑器件，内嵌NIOS内核，操作系统使用Uclinx，
控制台和控制中心可以通过以太网连接，以太网的接口协议为标准的SNMP协议，MIB库采用MIBII。
控制台和控制中心也可以通过RS485总线连接，控制台有四个对外接口采用RS485协议，通信使用自定义的串口协议。
以上的控制系统具有可扩展性，可以扩展到多节点，多控制的系统，其中，控制中心负责效果编辑、分析、存储、数据打包分配，从照明效果参数的设定和修改，到数据的查询，实现对LED灯具的管理；通信层通过自制定的通信协议与LED灯具层及主控层进行通信，完成数据拆包、校验、数据再分配等多步骤的数据处理；LED灯具层由N个灯具组成，
主控制软件采用模块化构架设计。通过灵活的软件构架设计、合理的功能模块设计来实现系统图形编辑的处理及管理。主站软件是在Windows2000、VC++6.0以及FLAHMX的环境下开发而成的，界面交互层为友好的主人机交互界面，它向用户提供整套系统的运行情况、控制器的运行情况、灯光效果编辑、系统参数的设定。数据处理层是交互层和传输层的桥梁，该层根据上层的设定，进行相关数据信息的处理，并将下层反馈数据进行处理后传送到交互层。传输层将通过数据协议、组织成帧、打包，通过通信物理层发送给主控制器，并继续分配数据。
地址识别可以采用数据包过滤的软件识别或采用特定硬件地址识别。地址识别方法的确定和软件识别算法的设计，将严重影响系统的正确性和可靠性。两种方法的选用，取决于系统的实时性要求和系统采用的硬件结构
控制中心为安装控制软件的现有计算机，而灯具控制电路具有与控制台连接的带串行接口的调光控制电路，已同时申请专利，技术内容在此不重复叙述。下面着重介绍控制台相关内容。
控制台特点：改变了传统用CPU的方案，改用FPGA实现嵌入式系统，在UCLINUX操作系统上实现整个系统的功能，对于灯具的控制，系统灵活，由于FPGA系统的可编程性，是其可以根据客户需求灵活调整功能，对外接口用标准的SNMP协议，客户可以利用标准的SNMP网管软件对系统进行集中控制。对灯具接口采用RS485电平协议，可以管理多个节点，并且采取了隔离防护，考虑了如何消除外部环境带来的干扰，适合于灯具的应用场合。
控制台如图2本发明中控制台原理框图所示，包括AC-DC电源转换1，FPGA嵌入式系统2，FPGA外围接口模块3，RS485电平转换模块4。所述AC-DC电源转换模块1接收外部输入的市交流电电压信号，输出DC信号给整个系统供电，输出信号提供给FPGA嵌入式系统2，FPGA外围接口模块3，RS485电平转换模块4，所述FPGA嵌入式系统2的输入输出连接RS485电平转换模块4和FPGA外围接口模块3，所述FPGA外围接口模块3的输入输出连接到FPGA嵌入式系统2，和外部设备。所述RS485电平转换模块4的输入输出连接到FPGA嵌入式系统2，和外部设备。
图3为本发明中控制台AC-DC电源转换电路，AC-DC电源转换模块1包括电压转换芯片IC41(芯片NCP1014)，光耦IC32，LDO电压转换芯片IC20(芯片NCV1113)，IC37(XC6206P2522)，IC27(XC6206P122)，以及变压器T14，T13等。AC-DC电源转换模块1输出给FPGA嵌入式系统2，FPGA外围接口模块3，RS485电平转换模块4。市交流电分别经防雷和电磁兼容电路、桥式整流滤波、降压变压器，在降压变压器原、次级两侧连接基准电压和内置MOS开关管控制芯片的控制电路，及低压差转换电路芯片，输出稳定电源。
其原理是将输入的市交流电电压转换为系统需要的各组电压，+6.6V，+5V，+3.3V，+2.5V，+1.2V。
图4为本发明中控制台FPGA嵌入式系统、图5为本发明中控制台FPGA嵌入式系统外围电路，FPGA嵌入式系统2包括IC38(芯片EP3C5E144)，IC28(芯片EPM240T100)。IC38的输出连接到FPGA外围电路3和RS485接口电路4，以及和IC28互连。IC28连接到IC38。
其原理是由IC38(芯片EP3C5E144)内部下载可编程逻辑电路，实现控制台的功能，内部FPGA集成了一个NIOS内核，和四个串口扩展，在NIOS内核上运行嵌入式的UCLINUX操作系统，具体实现SNMP标准的网管协议，并将协议转换为对四个串口的操作，由四个串口发出自定义的调整LED亮度和监测灯具的协议，达到灯具控制的目的。
IC28完成对IC38的系统配置，上电时将FLASH存储的程序下载到FPGA中。FPGA外围接口电路3是由FRAM IC39(芯片FM3130-G)，SDRAM IC36(芯片HY57V281620ET9-7)，网口接口芯片IC40(芯片DM9000)组成。各个IC连接到FPGA IC28上。
其原理有FRAM IC39完成实时时钟和事件记录的存储功能，它通过I2C总线收发FPGA的命令；SDRAM芯片完成NIOS系统的数据交换，与FPGA连接。网口接口芯片完成以太网数据的PHY协议接口功能。
图6为本发明中控制台RS485接口电路，RS485电平接口电路4由电平转换芯片IC19(SN65HVD3082)和光耦IC14(PC457)，IC15(PC457)，IC17(PCS17XJ0000F)组成。IC14，IC15一端连接到FPGA IC28，一端连接到IC19上，IC17一端连接到FPGA IC28上，一端连接到IC19上。
其原理是由此电路完成RS485信号的电平转换，将FPGA输出的数据信号转换为RS485信号电平，将外部的RS485电平信号转换为FPGA需要的数据信号，转换功能是有IC19完成的，光耦主要实现隔离的作用，以免外部信号造成对内部电路的破坏。
当然，本发明不限于上述及附图示出的实施例，凡依本创造之精神所作的修改及等效变换，或在此基础上采用多种变形，都属于本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种LED照明智能节能控制系统，其特征在于，该系统包括控制中心及电连接的若干控制台、每个控制台分别电连接的若干灯具控制电路，其中：
控制中心为安装控制软件的计算机系统，语言环境采用VB，控制中心与各控制台采用以太网或RS485总线连接，通过光纤收发器连接以实现环网自愈的网络；
控制台采用ALtera的可编程逻辑器，内嵌NIOS内核，操作系统使用Uclinux；
灯具控制电路为具有与控制台连接的带串行接口的调光控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种LED照明智能节能控制系统，其特征在于：所述控制台和控制中心通过以太网连接，以太网的接口协议为标准的SNMP协议，MIB库采用MIB II。
3.根据权利要求1所述的LED照明智能节能控制系统，其特征在于：
所述控制台和控制中心通过RS485总线连接，控制台有四个对外接口采用RS485协议，通信使用自定义的串口协议。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种LED照明智能节能控制系统，其特征在于：
所述控制台包括AC-DC电源转换(1)，FPGA嵌入式系统(2)，FPGA外围接口模块(3)，RS485电平转换模块(4)，所述AC-DC电源转换模块(1)接收外部输入的市交流电电压信号，输出DC信号给整个系统供电，输出信号提供给FPGA嵌入式系统(2)、FPGA外围接口模块(3)、RS485电平转换模块(4)，所述FPGA嵌入式系统(2)的输入输出连接RS485电平转换模块(4)和FPGA外围接口模块(3)，所述FPGA外围接口模块(4)的输入输出连接到FPGA嵌入式系统(2)和外部设备，所述RS485电平转换模块(4)的输入输出连接到FPGA嵌入式系统(2)和外部设备
5.根据权利要求4所述的一种LED照明智能节能控制系统，其特征在于：所述AC-DC电源转换模块(1)包括电压转换芯片IC41，光耦IC32，LDO电压转换芯片IC20，IC37，IC27，以及变压器T14，T13，市交流分别经电防雷和电磁兼容电路、桥式整流滤波、降压变压器，在降压变压器原、次级两侧连接基准电压和内置MOS开关管控制芯片的控制电路，及低压差转换电路芯片，输出稳定电源，AC-DC电源转换模块(1)输出给FPGA嵌入式系统2，FPGA外围接口模块3，RS485电平转换模块4。
6.根据权利要求4所述的一种LED照明智能节能控制系统，其特征在于：所述FPGA嵌入式系统(2)包括IC38，IC28，IC38的输出连接到FPGA外围电路3和RS485接口电路4，以及和IC28互连，IC28连接到IC38。
7.根据权利要求4所述的一种LED照明智能节能控制系统，其特征在于：
所述RS485电平接口电路(4)包括电平转换芯片IC19和光耦IC14、IC15，IC17，光耦IC14，IC15一端连接到FPGA的IC28，一端连接到IC19上，光耦IC17一端连接到FPGA IC28上，一端连接到IC19上。
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