CN101969713A - 一种基于电力载波通信技术的led路灯控制系统 - Google Patents

一种基于电力载波通信技术的led路灯控制系统 Download PDF

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牛萍娟
龙邦强
王宁
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Abstract

一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，包括单灯控制器、集中控制器和管理中心三层网络结构。单灯控制器是以单片机为核心，负责路灯开关控制和路灯工作参数的采集；集中控制器采用嵌入式系统设计，运用电力线载波技术，按照预先设定好的照明策略和辅助的光照强度控制策略对区域内路灯进行群组或单一控制；管理中心主要由一台PC机和路灯系统管理软件组成，显示路灯状态(亮度、电压、电流、功率)信息，利用GPRS无线传输技术或者Internet网络来实现对路灯开关和亮度调节的远程管理，实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作，并且可以对历史数据进行查询。

Description

一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统
技术领域
本发明涉及路灯控制系统，尤其涉及一种LED路灯智能控制系统。
背景技术
传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等优点；LED极易控制，通过改变PWM控制信号的占空比即可实现LED亮度的变化。
随着我国经济的快速、稳定发展，城市照明工程不断完善与美化。路灯作为城市照明的重要组成部分，直接关系到人民群众的生产生活和城市的形象。传统的路灯控制与维护手段已远远不能适应城市现代化发展的速度，主要体现在：(1)开关灯方式落后：当前路灯控制，还停留在手动、光控、时控方式。受季节、天气和人为因素影响，自动化管理水平低。从而会出现：开灯早、关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象；(2)数据传输方式：目前系统采用VHF和UHF无线电台，容易受到城市建设的干扰，导致调节操控能力不足；(3)不具备路灯状况监测：现有的照明设施管理工作主要采用人工巡查模式，不仅工作量大，还浪费人力、物力、财力。故障依据主要来源于巡视人员上报和市民投诉，缺乏主动性、及时性和可靠性，不能实时、准确、全面地监控全城的路灯运行状况，缺乏有效的故障预警机制；(4)监控层次：由于技术上的原因，大多数系统只做到了线路级，无法实现对单盏路灯进行有效控制，不能对故障路灯进行准确定位。(5)现有路灯系统的区域路灯控制器多采用8/16位单片机作为主控制芯片，控制方式和系统可扩展性差。因此，市场上急需高度信息化，网络化、高智能的区域路灯控制器。
为了解决上述问题，有人发明了一种照明网络控制系统及其控制方法(申请号：CN200410014626.4)，由照明控制中心、照明电力线、扩频电力载波通讯的中继器、交换机、路由器及照明控制客户端构成的照明网络控制系统，在此基础上提供了一种由用户根据不同需要和意愿而自行设定控制数据的控制方法，并以该通讯网络和控制方法构架成一种新型照明控制系统。该方案采用了电力载波来通讯和组网，解决了单点控制的问题。但是，在一个大的范围内，不可能所有路灯等都是同一条电力线路，不同电力线路之间是不能进行电力载波的通讯控制的；由于该专利采用的是PC机设置数据，无法在特殊的情况下和移动的状态下及时进行路灯控制的调整。
还有人发明了一种无线检测的控制系统(公开号：101389172A)，由路灯、监控中心，和检测及节能控制器组成，灯头检测及节能控制器通过GPRS无线通讯模块GPRS无线通讯网连接，再连接至INTERNET国际互联网，监控中心通过TCP/IP通讯协议连接INTERNET国际互联网。但是，它采用PIC12C508单片机作为主控制芯片，控制能力不足、系统的可扩展性差。因此，市场上急需高度信息化，网络化、高智能的区域路灯控制器。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于电力载波通信技术的LED控制系统，同时结合了GPRS无线通讯和Internet网络技术；采用高智能的ARM9芯片作为集中控制器的主控制芯片，不仅可以自动控制区域内的单灯控制器、进行远程监控和故障检测，同时支持在线编程，系统的扩展性也极大地提高。
本发明的技术方案是：一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，包括单灯控制器、集中控制器和管理中心三层网络结构，集中控制器与单灯控制器之间采用电力线载波技术进行数据传输，集中控制器与管理中心之间采用GPRS无线网络技术或者Internet有线网络技术进行数据传输。单灯控制器是以单片机为核心的数据采集和处理装置，安装在LED路灯的灯箱内，它直接实现路灯开关控制以及路灯工作参数的采集；集中控制器采用嵌入式系统设计，内置一整套完整的应用程序，使得它可以独立的工作而不需要PC机；运用电力线载波技术，按照预先设定好的照明策略对区域内路灯进行群组或单一控制；管理中心主要有一台PC机和路灯系统管理软件组成，路灯系统管理软件能够显示路灯状态(亮度、电压、电流、功率)信息，能够利用GPRS无线传输技术或者Internet网络来实现对路灯远距离管理，远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度，可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作，并且可以对历史数据进行查询。
本发明具有积极的效果：(1)本发明对路灯进行智能化的管理，通过合理设置开、关灯时间，并设置全夜灯、半夜灯运行方式，在保证照明质量的前提下具有明显的节能效果，缓解电力供应日趋紧张和道路照明设施不断增加之间的矛盾；(2)本发明采用电力线载波通信技术，利用原有照明线路，结构简单、通用、可靠、组网方便，节约了布线成本；(3)本发明具有在线巡测和自动告警功能，随时了解运行参数，及时发现故障，极大提高路灯系统的管理效率，从而进一步提高城市和市政服务形象；(4)本发明系统的传输容量，扩容性能好，系统支持单灯控制器的“即插即用”。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统总体结构图。
图2为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的集中控制器结构图。
图3为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的单灯控制器结构图。
图4为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的路灯管理软件结构图。
图5为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的集中控制器的程序流程图
图6为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的集中控制器的照明控制策略流程图
图7为本发明提供的一种基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的单灯控制器的电力载波通信子程序流程图
具体实施方式
请参阅图1，本发明包括单灯控制器、集中控制器和管理中心三层网络结构，集中控制器与单灯控制器之间采用电力线载波技术进行数据传输，集中控制器与管理中心之间采用GPRS无线网络技术或者Internet有线网络技术进行数据传输。
请参阅图2，本发明的集中控制器包括电源部分、人机交互控制部分、时钟控制部分、ARM9中心控制部分、存储器部分、LCD显示部分、外部设备接口(如GPRS接口、Internet接口、USB接口、RS232串行接口)、继电器控制部分；ARM9中心控制部分负责控制和协调各模块实现预设的功能；存储器部分用于存储路灯控制器预设信息(所辖区域信息和控制决策等)、每盏路灯的工作参数和重要的历史运行数据(如故障发生情况、报警记录等)，它采用非易失性存储器件，不受掉电影响，这样才可以保证集中控制器在重新上电后能够恢复到正常的运行状态，集中控制器可以预先设置路灯开关时间表、路灯工作参数的采集时间，电流的上下限数值等进行自动报警；RX0和TX0连接S3C2440A与电力载波模块，RX1和TX1连接S3C2440A与GPRS模块，实现数据通信；电力模块用于开启/切断路灯控制器所管辖区域的供电。白天到来，路灯停止工作时，电力控制模块断开继电器，这样避免了通信线路长期带电引发的安全问题；人机交互接口提供现场操作功能，系统维护人员可以在现场通过触摸屏输入指令对集中控制器进行控制以及更改或查询照明区域控制设置信息，液晶显示模块同步显示操作过程和操作结果。
请参阅图3，本发明的单灯控制器包括电力载波通信模块，调光驱动电路，测量模块，电源模块和主控制板。每个单灯控制器都有一个固定的物理地址(UID)和系统分配的逻辑地址，可以通过集中控制器进行寻址，进一步完成控制和查询。
请参阅图4，本发明的路灯管理软件主要由开机运行界面、照明状态显示、历史曲线、数据报表等子画面组成。管理软件的功能包括：
(1)远程控制功能：
管理计算机可以远程控制区域内的道路照明状况，包括远程开关灯、调光等等。时段灯，半夜灯等照明策略可以有效较少能源消耗；
(2)远程采集功能：
结合GIS地理信息系统，可以远程查询区域内路灯的位置和其工作数据(电流、电压，功率、亮灯率等)。工作人员可以在管理计算机上实时查询路灯当前的工作状态(电流、电压)，将其存入硬盘，同时绘制出功率曲线，并可以通过功率查询功能来查看一个月、三个月或更长时间的能源消耗；
(3)数据统计功能：
建立数据库，来存储系统的工作情况，如线路在状态、报警信息、通信成功率等；
(4)报表功能：
统计数据经必要的计算处理后，按照指定格式、时间自动进行系统报表输出。报表种类主要包括实时报表、日报、月报等。
用户可以进行如下操作：(1)增加集中控制器及单灯控制器；(2)集中控制器配置单灯控制器；(3)发送开/关灯、调光和查询命令；(4)设置和修改照明控制策略；(5)集中控制器程序升级。
请参阅图5，本发明的集中控制器运行Linux操作系统，Linux操作系统可以更好的发挥ARM9的功能、同时支持更多的任务；集中控制器的应用程序设计主要包括系统Bootloader、照明控制任务、故障巡检任务、LCD显示任务、指令解析任务、故障报警任务和串行通信任务六个部分；系统上电后，首先对S3C2440A的内部资源进行初始化，包括设置堆栈指针、中断的禁止及优先级的决定、设置各个定时/计数器的工作方式等；然后对外部设备进行初始化，包括LCD、时钟芯片以及串口。初始化之后系统开始工作，S3C2440A要功能是控制和协调各个功能模块的工作顺序，各个功能模块采用中断形式触发，调用中断处理程序，处理完成后返回主程序；首先时钟芯片开始计时，在此过程中集中控制器等待命令(远程的控制命令或者触摸屏的命令输入)，根据相应的命令控制路灯的工作状态；利用LCD显示屏显示操作过程；若没有命令输入，适时读取时间芯片的时间值，并且根据不同的照明策略对路灯分等级调控；根据设定的采用时间读取每盏路灯的工作状态，并存储在EEPROM中；当采集到的电流超出设定值时，S3C2440A将产生一次中断，触发报警，记录发生故障的路灯编号和时间，并将数据上传给远程的路灯管理中心。
请参阅图6，集中控制器将每日控制策略时间表、季节划分时间表、季节控制策略时间表和节假日控制时间表存储在EEPROM中。完成RTC初始化后，区域路灯控制器接收来自远程路灯管理中心的控制命令或是来自触摸屏的命令，当收到更新照明控制策略的命令时，存储新的控制策略并执行；否则RTC计时，执行原有的控制策略；依次读取季节时间表、读取当前时间，根据预先设定的程序，确认当前季节的照明控制策略，发送相应的控制命令。
本发明所述控制器能够实现如下功能：1、自动控制，可以自动进行开关灯、调光、查询路灯工作状态等操作；2、根据季节的变化自动调整路灯的开关灯时间，夏季晚开灯、早关灯，冬季早开灯、晚关灯；3、节假日及特殊要求控制，例如十一或五一等节日，控制控制路灯长亮，以加强城市节日亮化，烘托节假日的喜庆气氛。
请参阅图7，本发明的单灯控制器在系统上电后等待集中控制器的控制命令，考虑到电力线上的数据是双向的，因此首先判断单灯控制器是否为接收状态，若是，单灯控制器接收数据，接收完毕后与本机地址进行比较，地址相同时解析命令，地址不同时，丢弃所接收的数据；解析命令为读命令时将单灯控制器置为发送状态，发送路灯的工作参数；解析的命令不是读命令时，单灯控制器将执行相应的开关灯或是调光命令。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；凡基于上述基本思路，不脱离本创作精神和范围内所做的各种更动和修饰，都应属于本发明所公开的范围。

Claims (14)

1.一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，它包括单灯控制器(1)、集中控制器(2)和管理中心(3)三层网络结构，集中控制器与单灯控制器之间采用电力线载波技术进行数据传输，集中控制器与管理中心之间采用GPRS无线网络技术或者Internet有线网络技术进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，集中控制器(2)采用ARM9芯片S3C2440A作为主控制芯片，该芯片具有多种功能输入接口，以及与该芯片相连的人机交互控制部分、时钟控制部分、外部设备接口部分、光探测器、存储器部分和地址设定单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，单灯控制器(1)采用单片机芯片STC12C5020PWM作为主控制芯片，该芯片具有RS232串口以及PWM信号输出引脚。
4.根据权利要求1所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，管理中心的路灯管理软件利用Visual C#语言设计，采用C/S模式开发。
5.根据权利要求1所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，集中控制器自动完成对区域内路灯的群组控制或单一控制，包括开关、亮度调节、查询并存储路灯的工作状态、故障报警。
6.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，集中控制器采用S3C2440A的RTC报警中断功能，自动判断季节以及昼夜的变化，不同的时间中断执行不同的控制任务。
7.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，所述存储器部分存储每日控制策略时间表、季节划分时间表、季节控制策略时间表和节假日控制时间表。
8.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，采用串行接口RX1和TX1实现S3C2440A与电力线载波模块的通信；采用串行接口RX2和TX2实现S3C2440A与GPRS模块的通信。
9.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，采用网卡芯片DM9000实现S3C2440A与Internet网络的数据交换。
10.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，S3C2440A微处理器上运行Linux操作系统，充分发挥arm9的强大功能。
11.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，S3C2440A芯片连接一块液晶显示器，采用Qtopia 2.2.0开发应用程序管理界面，并通过触摸屏实现人机交互，完成工作人员对控制器的在线编程。
12.根据权利要求2所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，采用光探测器探测环境的亮度，并将采集到的信号送给S3C2440A，只有在当前开关灯时间的前后一小时内有效，当测量值小于设定的开灯值时，通知单灯控制器开灯，当测量值大于设定的关灯值时，通知单灯控制器关灯。
13.根据权利要求3所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，单灯控制器采用STC单片机，采用利用其内部的48bit的全球唯一编码，方便集中控制器对单灯控制器进行寻址和组网控制。
14.根据权利要求3所述的一种基于电力载波通信技术的LED路灯控制系统，其特征在于，采用可编程占空比的PWM输出信号调节LED路灯的亮度。
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