CN102461335B - 照明系统中光传感器的唤醒装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种作为照明系统的一部分的无线光传感器具有产生光测量信号的传感器元件、耦合至传感器元件的微控制器以及耦合至微控制器的无线电通信装置。该微控制器具有活动模式和睡眠模式。该光传感器进一步包括唤醒电路，该唤醒电路在微控制器处于睡眠模式时确定光测量信号的改变速率。在光测量信号的改变速率超过预定阈值时，该唤醒电路使微控制器从睡眠模式进入活动模式。

Description

照明系统中光传感器的唤醒装置及方法

技术领域

本发明涉及光传感器领域，更具体地涉及如用于照明系统中的无线光传感器领域。

背景技术

全世界范围内都认为节能对我们的环境至关重要。北美洲和欧洲的立法正对节能措施做出要求。

在楼宇自动化领域内，由传感器控制的楼宇自动化设备是实现节能的重要促成者。特别是在照明系统领域中，用于日光采集的占用传感器和光传感器广泛用于节能。日光采集使用光传感器来根据环境光或日光控制人造光的光输出，以使得房间内的光照水平能保持恒定。在白天，当日光进入房间并对房间内的光照水平作出贡献时，人造光的光输出可以随着环境光的增加而减少，由此节约了能源。

尽管传感器可以通过导线耦合到楼宇自动化设备的楼宇自动化控制器，但是通过使用无线传感器可以实现安装的灵活性以及用于装配和改装的安装成本的减少，这是因为它们不需要（新）导线。至少所述低安装成本证明了无线传感器的任何额外成本。对于真正的无线传感器，不仅传感器和楼宇自动化设备之间的通信或不同传感器之间的通信是无线的，而且传感器的电源供给也是无线的。这可以通过使用电池或通过能量采集/收集（scavenging）（例如通过光伏太阳能电池板）来实现。

无线传感器包括至少用于测量量级（quantitylevel）的传感器元件、至少用于获取和处理来自传感器元件的测量值的微控制器装置以及用于传输数据信号的通信装置。

无线传感器通过适当的无线通信传输（例如基于ZigBee标准（IEEE802.15.4））将测量信号提供给楼宇自动化设备的控制器。无线传感器的通信消耗了大量电力，因此通信占空比应当保持尽可能低。此外，传感器在不使用时应当被置于睡眠模式。根据Zigbee标准，这是经由ZigBee网络中的所谓“睡眠终端装置”支持的。

对于监控光照水平的无线光传感器，基于由Chipcon/TexasInstruments制造的CC2430装置，电力消耗在微控制器处于活动模式中时可以平均为40μA。光传感器的微控制器每秒均对传感器元件进行取样以测量光照水平并且经由光传感器的通信装置将相应的无线测量信号提供给光系统控制器，以便将人造光调暗到所需水平。然而，在诸如办公室应用之类的大多数楼宇应用中，在一整天的24个小时期间人造光不是必需的。因此，不需要通过光传感器对房间内的光照水平进行一天24小时的监控。如果例如仅需要在每周5天、一天8小时期间测量光照水平，则平均电力消耗将大约为10μA。以1000mAh的电池作为参考，于是电池寿命可能长于11年。

尽管光传感器的这种操作有利于节能以及延长电池寿命，但是当光传感器（其微控制器）处于睡眠模式时，通信装置以很低的占空比活动且因此在大多数时间是关闭的。当通信装置组件关闭时，光电传感器无法与其他装置通信。所述光传感器只能在其自身发送消息后不久接收消息。

这阻碍了光传感器检索灯状态的可能性，这是因为当光传感器（其微控制器）处于睡眠模式时通信是不可能的。如果光传感器将每分钟均被唤醒以检查光照水平，那么这将仍然会耗费相当大的能量（例如平均电流8μA）。在每分钟均检查光照水平的情况下，照明系统控制器的光控制回路中的平均等待时间将为30秒，这被认为是不可接受的。对于光控制回路而言，当前实际的光照水平也将是未知的。因此，光控制回路将在固定点开始并将来自该固定点的人造光的调光改变到恰当的光照水平。这是所不希望的。

发明内容

希望能够提供一种无线光传感器，该无线传感器消耗很低的电力却在照明系统中提供充分的控制。

为了更好地解决上述一个或多个问题，在本发明的第一方面，提供了一种无线光传感器，其包括：

用于产生光测量信号的传感器元件；

耦合至该传感器元件的微控制器，该微控制器具有活动模式和睡眠模式；以及

耦合至所述微控制器的无线电通信装置，

其中所述光传感器进一步包括唤醒电路，该唤醒电路被配置用于

当所述微控制器处于睡眠模式时，确定所述光测量信号的改变速率，以及

当所述光测量信号的改变速率超过预定阈值时，使所述微控制器从睡眠模式进入活动模式。

本发明的另一方面，提供了一种操作无线光传感器的方法，该光传感器包括：

用于产生光测量信号的传感器元件；

耦合至该传感器元件的微控制器，该微控制器具有活动模式和睡眠模式；以及

耦合至所述微控制器的无线电通信装置，

其中所述方法包括：

当所述微控制器处于睡眠模式时，确定所述光测量信号的改变速率，以及

当所述光测量信号的改变速率超过预定阈值时，使所述微控制器从睡眠模式进入活动模式。

在本发明的又一方面，提供了一种照明系统，该照明系统包括：

至少一个光源；

用于控制该光源的控制器；以及

根据本发明所述的光传感器。

通过参考以下详细描述且结合附图（其中相同的附图标记指示相同的部件）来考虑，本发明的这些和其他方面将会更容易领会，同时也变得更好理解。

附图说明

图1示意性地描绘了办公室房间。

图2为根据本发明的包括唤醒电路的无线光传感器的框图。

图3描绘了本发明实施例中的唤醒电路的电路图，该唤醒电路用于检测在超过预定阈值速率的速率下的光照水平的升高。

具体实施方式

图1示意性示出了办公室房间1的侧视图，该办公室房间具有天花板2及墙壁3且在至少一个墙壁3（本例中为左侧墙壁）中具有至少一个窗4。在5处示意性地示出了办公桌。该房间设有光照系统（或照明系统）10，该光照系统包括至少一个光源11以及用于控制光源的控制器。该控制器12例如可以被实现为适当编程的微处理器或类似物。每个光源11例如都可以被实现为白炽灯、气体放电灯、LED或任何其他光产生结构。每个光源都可以设有专用控制器，或者多个光源可以共享公共控制器。在任何情况下，光源都是可控的，其是可调光的，能够产生在控制器中确定的不同光强度。由于可控光源以及用于控制这些光源的控制器本身是已知的，因此在这里不需要进一步解释。举例来说，如本领域技术人员所知，可以通过控制占空比来实现对光源的光输出的控制。在下文中，光源同样被简单地指示为灯，该灯包括LED。

系统10可以被适于使桌5的位置处的光强度（或光照水平）保持基本恒定。例如，如果太阳Z开始照耀且日光进入房间使得光照水平增加，控制器12调适用于灯11的其控制信号以便减少至少一个灯的光输出。控制器12需要接收指示实际光照水平的输入信号，并且为此目的，系统10包括至少一个光传感器16。该光传感器16例如可以抵靠天花板2或墙壁3安装，但在图1的实例中，传感器16被定位于桌5上。光传感器16适于将其测量信号无线地传送到控制器12。这种无线通信的一个适当的实例为ZigBee，但也可以使用任何其他类型的无线通信，这对本领域技术人员而言将会是清楚明白的。无线光传感器16本身是已知的，并且每个无线光传感器都包括传感器元件、微控制器以及通信装置。

图2示出了无线光传感器50的框图，该无线光传感器包括光传感器元件52，提供表示光照水平的测量信号。微控制器装置54具有第一输入端“ADC”和第二输入端“中断”，所述第一输入端用于输入来自光传感器元件52的测量信号，而所述第二输入端用于改变光传感器50及其微控制器装置54的操作模式，特别是用于使光传感器50及其微控制器装置54离开睡眠模式而进入活动模式进行操作。微控制器装置54处理光传感器元件52输出的测量信号并控制耦合于其上的通信装置56。该通信装置56具有天线58用来无线传输数据信号。唤醒电路60（其实施例将在下文中参照图3详细解释）耦合至光传感器元件52并耦合至微控制器装置54以便在要在下文中参照图3更详细地描述的情况下向微控制器装置54的第二输入端“中断”提供触发信号，以用于使光传感器50离开睡眠模式而进入活动模式进行操作。光传感器50由电池、光伏电池或类似装置供电。

图3描绘了唤醒电路的实施例，该唤醒电路在本实施例以及其他实施例中都是根据本发明的光传感器的一部份。（跨阻）放大器20具有“+”输入端和“-”输入端。光电二极管22连接在放大器20的“+”输入端与“-”输入端之间。第一电容器24及第一电阻器26的并联电路连接在放大器20的“-”输入端和输出端之间。放大器20的“+”输入端连接到公共电极（例如接地）。

比较器30具有“+”输入端和“-”输入端。第二电阻器32及第三电阻器34的串联电路连接在比较器30的“+”输入端和“-”输入端之间。第二电阻器32和第三电阻器34具有连接到放大器20的输出端的公共节点33。第二电容器36连接在比较器30的“-”输入端和公共电极之间。第四电阻器38连接在比较器30的“+”输入端和公共电极之间。

在操作中，光电二极管22连续地测量光照水平并提供相应的测量信号。通过光电二极管22的电流在放大器20的输入端处被转换成放大器20的输出端处的相应电压。第一电容器24和第一电阻器26的RC电路根据需要提供测量信号的过滤。

在比较器30处，将在比较器30的“-”输入端输入的放大器20的输出信号的平均值与在比较器30的“+”输入端输入的放大器20的输出信号的瞬时值相比较。

测量信号相对较慢的改变导致放大器20的输出信号的改变相应较慢，并且不会引起比较器30在其输出端产生触发信号。然而，光电二极管22提供的测量信号的相对较快的改变导致放大器20的输出信号的显著改变，这进而将会引起比较器30输出触发信号。该触发信号被输入到无线光传感器的微控制器的中断（interrupt）输入端，从而将微控制器的睡眠模式转换成其活动模式。同时，将由放大器20放大的测量信号被输入到无线光传感器的微控制器的模拟/数字转换器（ADC）输入端。

通过开启房间（图1）中的一个或多个灯可以引起测量信号的改变，该改变具有超过由第二电容器36和第三电阻器34的值确定的阈值的改变速率并且使微控制器进入活动模式，并且因此所述测量信号的改变可以充当灯状态的指示（即所述一个或多个灯是否已确实被开启以引起测量信号的所述改变速率）。实际的灯状态可以由与照明系统的控制器进行通信的光传感器（处于活动模式中）来验证，该通信借助光传感器的通信装置实现。如果所述一个或多个灯被确认是活动的，例如被用户或传感器（例如房间占用传感器）激活（开启），则控制器12（图1）将使用来自光传感器的数据开始光控制。

为了确定在微控制器从其睡眠模式被唤醒时的初始光照水平测量，将微控制器配置如下。当光传感器（其微控制器）处于睡眠模式时，使其周期性（例如每5分钟一次）地进入活动模式以测量当前光照水平并将其发送到照明系统10的控制器12（图1）。然后，当唤醒电路触发时，该光照水平可以被控制器12用作初始值。由于光传感器可能会很快速地活动，因此控制器12的光控制回路可以非常快地被调适成使初始效果最小化。当所述一个或多个灯被关闭时，测量和传输当前光照水平的电力消耗将耗费很少的电力（例如0.85μA）。

根据以上内容，作为照明系统一部分的无线光传感器具有产生光测量信号的传感器元件、耦合到传感器元件的微控制器以及耦合到微控制器的无线电通信装置。该微控制器具有活动模式和睡眠模式。该光传感器还具有唤醒电路，该唤醒电路在微控制器处于睡眠模式时确定光测量信号的改变速率。当光测量信号的改变速率超过预定阈值时，唤醒电路使微控制器从睡眠模式进入活动模式。所述照明系统具有至少一个光源、用于控制该光源的控制器以及至少一个光传感器。在使微控制器从睡眠模式进入到活动模式后，光传感器被配置成与控制器通信以验证光源状态，以便确认光传感器的活动模式。

根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，要理解的是所公开的实施例仅仅是本发明的示范，而本发明可以以各种形式体现。因此，本文中公开的特定的结构和功能细节不能被解释为限制，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为代表性基础用于教导本领域技术人员在几乎任何适当的详细结构中以不同的方式运用本发明。此外，本文中使用的术语和措词并非旨在限制，而是旨在提供对本发明的可理解的描述。

本文中使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。本文中使用的术语“多个”被定义为两个或多于两个。本文中使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多。本文中使用的术语“包括”和/或“具有”被定义为包含（即开放性语言，不排除其他元件或步骤）。权利要求中的任何附图标记都不应被理解为对本发明或其权利要求范围的限制。

记载在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不表示使用这些措施的组合不能被有利地使用。

本文中使用的术语“耦合”被定义为连接，但是并非必需直接连接，也并非必需通过导线或以机械方式连接。

单个处理器或其他单元可以实现权利要求中叙述的若干项目的功能。

Claims (9)

1.一种无线光传感器，包括

用于产生光测量信号的传感器元件；

耦合至该传感器元件的微控制器，该微控制器具有活动模式和睡眠模式；以及

耦合至所述微控制器的无线电通信装置，

其中所述光传感器进一步包括唤醒电路，该唤醒电路被配置用于

当所述微控制器处于睡眠模式时，确定光测量信号的改变速率，以及

当光测量信号的改变速率超过预定阈值时，使所述微控制器从睡眠模式进入活动模式。

2.根据权利要求1的光传感器，其中所述唤醒电路包括比较器，该比较器将所述光测量信号的瞬时值与所述光测量信号的平均值相比较。

3.根据权利要求1的光传感器，其中当所述微控制器处于睡眠模式时，所述光传感器被配置用于周期性地使该微控制器进入活动模式并且通过所述无线电通信装置传输表示所述光测量信号的数据，以及再次使所述微控制器进入睡眠模式。

4.根据权利要求1的光传感器，其中所述微控制器的后续活动模式之间的时段至少为1分钟。

5.根据权利要求1的光传感器，其中所述微控制器的后续活动模式之间的时段至少为5分钟。

6.一种用于操作无线光传感器的方法，所述光传感器包括

用于产生光测量信号的传感器元件；

耦合至该传感器元件的微控制器，该微控制器具有活动模式和睡眠模式；以及

耦合至所述微控制器的无线电通信装置，

以及其中所述方法包括

当所述微控制器处于睡眠模式时，确定光测量信号的改变速率，以及

如果光测量信号的改变速率超过预定阈值，使所述微控制器从睡眠模式进入活动模式。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括，当所述微控制器处于睡眠模式时，周期性地使该微控制器进入活动模式并且传输表示所述光测量信号的数据，以及再次使所述微控制器进入睡眠模式。

8.一种照明系统，包括：

至少一个光源；

用于控制该光源的控制器；以及

权利要求1所述的光传感器。

9.根据权利要求8的照明系统，其中在使所述微控制器从睡眠模式进入到活动模式后，所述光传感器被配置成与所述控制器通信以验证所述光源的状态，以便确认该光传感器的活动模式。