CN102724791A - 智能化led照明载波远程驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化LED照明载波远程驱动控制系统，它包括灯具端和信号控制端两部分以及三相四线电网，灯具端包括LED灯、载波驱动电源以及用来控制电源通断的开关，所述载波驱动电源包括LED灯驱动电源电路和载波信号处理电路，信号控制端包括数据集中控制器与主机，数据集中控制器通过三相四线电网与灯具端相连，数据集中控制器与主机相连并受主机控制。本发明可以实现远程遥控单个或多个灯具状态、控制LED灯开关、对LED灯输出功率的调整、提供节能量化数据、核算LED灯用电量合计电费的功能。

Description

智能化LED照明载波远程驱动控制系统

技术领域

本发明涉及照明电子领域的一种控制系统，具体涉及一种LED照明领域的载波远程控制驱动系统。

背景技术

目前，LED用于节能照明，已是一个不争的事实，在节约电能量化这一应用的关键问题的上存有分歧。

在传统照明灯具改造时，往往是逐步的、渐进的形式，改造过程中存在LED照明与传统照明混用的状态，即使是全部改造，因存在其他电器，也无法定量分析LED照明的节能电量，尤其是在运作EMC（合同能源管理）模式时，不能区分LED照明的节能价值，难以实施EMC模式运作；如能实现LED节约能源的定量问题，就能解决LED照明EMC运作模式的瓶颈。采用智能化LED照明载波远程驱动控制系统，就可以将每盏LED灯的开灯关灯状态发送到主控机，由此核算灯具用电量，达到节能定量的目的。

随着现代社会的发展，各种公共场合的照明越来越多的被进行集中式管理，很多公共场所照明被分时段、分情景的进行控制，这一控制手段多为传统的TRICK（双向可控硅）调光方式，然而这一调光方式，存在因斩波而引起的谐波含量高、对电网干扰严重、功率因数低、无功损耗高、电源利用率低的严重缺陷，应用到LED灯具进行调光依然存在调光范围缩短、调光一致性差、各种调光器输出性能差异大、对调光驱动电源调制困难、易产生低导通角闪烁现象。采用一种远程智能LED驱动控制系统可以解决TRICK（双向可控硅）调光存在所有问题，这个控制系统扼要地说就是控制信号通过电力线载波方式发送到灯具前端，利用LED驱动电源的PWM（某些应用方案采用电压控制）控制端口，实现对灯具输出功率的调整，从而达到调光目的。

目前已有的远程控制方式有：红外遥控方式、局域网布线方式、微波无线传输方式、wifi无线局域网等方式，对于红外遥控方式，存在着遥控距离受限制，对于公共区域的面积不适用；对于局域网方式存在布线问题，在传统灯具改造方面施工难度较大；对于微波无线传输组网方式，其存在成本较高，系统稳信差，遥控准确度不高的缺点；对于WIFI无线局域网方式存在硬件投入大，组网链路复杂，LED灯前端驱动配置成本高的缺陷；值得一提的是近年来比较前端的Zigbee网络技术，它提供了一个业界标准，但其在协议占带宽的开销量对信道带宽要求较高，影响通讯距离和环境适应性，Zigbee是一种协议，支援此协议的系统硬体成本很高，不利于大量推广；采用智能化LED照明载波远程驱动控制系统，相对于以上几种方式，利用现有电网线路，节省了大量布线成本；采用载波数据传输方式，能够实现高效实时的数据采集记录；选择简单的轮询制流程，轻松实现一点（主机）对多点（LED灯，可多达数万只）的监测遥控；电网线路每次只跑一帧数据，对电网干扰小，不存在数据串扰，数据传输稳定性高；在系统实施过程中采用定向选频、定制频点，适合的调制解调方法、软件容差纠错、点对点数据传输等方式，完全可以做到数据传输的稳定准确。这些优点都是前述几种组网方式不能兼顾具备的。

发明内容

本发明目的在于提供一种智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其通过获取台变下每个LED灯的工作时间，计算功率电费，提供节能量化数据；并能够遥控单个或多个LED灯具状态，实现远程调光控制，进而实现相对优良的组网形态。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种智能化LED照明载波远程驱动控制系统，它包括灯具端和信号控制端两部分以及三相四线电网，灯具端包括LED灯、载波驱动电源以及用来控制电源通断的开关，所述载波驱动电源包括LED灯驱动电源电路和载波信号处理电路，信号控制端包括数据集中控制器与主机，数据集中控制器通过三相四线电网与灯具端相连，数据集中控制器与主机相连并受主机控制。

对于上述技术方案，我们还有进一步的具体优化方案。

进一步，所述LED灯驱动电路包括电磁兼容电路、输入电流检测电路、电流驱动电路、电源管理单元、电网电压过零检测电路，三相四线电网上的交流电经输入电流检测电路检测后再接入电磁兼容电路进行EMI处理，电流驱动电路将经EMI处理后的市电转换为驱动LED灯工作的电能。

进一步，载波信号处理电路包括载波信号耦合电路、载波信号发射驱动电路、载波信号接收电路、载波接受信号放大解调电路、载波信号控制微处理器电路，电网载波信号依次通过载波信号耦合电路、载波信号接收电路、载波信号放大解调电路，然后被送到载波信号控制微处理器电路进行处理，载波信号控制微处理器电路所发出数据信号经载波信号发射驱动电路进行调制，调制好的信号经载波信号耦合电路传送电网上。

更进一步，电源管理单元输出三个电压信号分别给电流驱动电路中的DIRVER IC、载波信号控制微处理器电路的MCU、载波信号耦合电路供电。

进一步，所述数据集中控制器包括三相耦合电路、载波信号接收电路、载波放大解调电路、微处理器，由载波驱动电源发出的载波信号经由电网发送至数据集中控制器，载波信号经由三相耦合电路传送到载波信号接收电路，再经过载波放大解调电路转为数据信号，数据信号再送只微处理器进行处理。

更进一步，所述数据集中控制器中还设有载波信号发射驱动电路，与数据集中控制器相连的主机可发出操作信号，所述操作信号发给数据集中控制器的微处理器并由微处理器转换成载波数据，所述载波数据送到数据信号经载波信号发射驱动电路进行调制，调制好的信号经载波信号耦合电路传送电网上。

进一步，所述数据集中控制器上设有电网端口，用于数据集中控制器与三相四线电网间的连接。

进一步，所述数据集中控制器上设有主机端口，所述主机上设有主机连接端口，两端口用于数据集中控制器与主机的数据传输。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1.    本发明所描述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，它在LED照明系统中引入电力载波远程智能控制技术，在控制终端与LED灯具之间建立实时数据联系。系统的重要组成是LED模组载波驱动电源、数据集中控制器以及作为主机的计算机，电脑主机通过串口连接数据集中控制器，数据集中控制器再连接市电电网，载波数据信号通过电网线路被传送到LED灯一端。LED灯具端包含有LED发光模组、载波驱动电源两大部分，所设置的载波驱动电源，一方面输出恒流信号驱动LED模组发光，另一方面接收电网指令，控制LED调光或开关，还可以发送开灯状态信息；系统中在电网台变附近一侧接入数据集中控制器，作用是发出对LED灯的轮询指令，接收LED灯回应信号、实时功率值数据，并实时上传电脑主机，进行计时等处理；另外数据集中控制器可以接受电脑主机发来的调光、开关灯指令，并发送到电网上，由指定的LED灯对这类信号做响应；

2.    系统同时具备一套用户应用程序被安装在电脑主机上，用于显示灯具当前状态、发送用户指令给数据集中控制器，同时还可通过电脑主机进行以下操作：查询用电量、查看单个LED灯功率、对1个或多个LED灯实时调光、关闭/打开1个或多个指定的LED灯、系统设置、打印等。能够实现远程监控灯具开光状态、实时获取灯具功率、计算用电量与电费、对灯具实时远程调光开关控制、大容量的LED灯数量等特点。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中载波驱动电源的电路结构图；

图3为本发明实施例中数据集中控制器的电路结构图；

图4为本发明实施例的主机进行系统控制的工作流程图；

图5为本发明实施例中的数据集中控制器的工作流程图；

图6为本发明实施例中的载波驱动电源的工作流程图；

其中：1、LED灯；2、载波驱动电源；3、开关；4、三相四线电网；5、数据集中控制器；6、数据集中控制器电网端口；7、数据集中控制器主机端口；8、主机连接端口；9、主机；10、监视器；11、载波信号耦合电路；12、载波信号发射驱动电路；13、载波信号接收电路；14、载波接受信号放大解调电路；15、载波信号控制微处理器电路；16、电磁兼容电路；17、电流驱动电路；18、电源管理单元；19、电网电压过零检测电路；20、LED灯组；21、电流驱动IC使能EN引脚；22、输入电压电流检测电路；23、三相耦合电路；24、电源管理电源；25、载波信号接收电路；26、载波放大解调电路；27、载波信号发射驱动电路；28、微处理器。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本发明实施例描述了一种智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其整体结构如图1所示。在同一台变压器电网即三相四线电网4下，分别有A、B、C三相电，照明用电存在于 ABC中的任一相线对零线N。由LED灯1、载波驱动电源2以及灯具线路上的开关3组成LED灯具前端部分。当开关3接通，载波驱动电源2上电工作，LED灯1被点亮。在电网台变附近一侧接入数据集中控制器5，在数据集中控制器5上有数据集中控制器电网端口6，数据集中控制器电网端口6用于数据集中控制器5与三相四线电网4间的数据连接；数据集中控制器5上还有数据集中控制器主机端口7，其通过主机9上的主机连接端口8连接主机9与数据集中控制器。

正常工作状态下，数据集中控制器5会向三相四线电网4发出轮询信号，要求标号为n的那盏灯回复，如果第n盏灯相关的开关3是断开的，那么第n盏灯的载波驱动电源2不工作，数据集中控制器5在等待合理的时间后没有第n盏灯载波驱动电源3的答复，即确定第n盏灯处于关闭状态；如灯具线路上的开关3接通，载波驱动电源2有电正常工作，那么第n盏灯上的载波驱动电源2在收到针对自己的轮询信号后，就会回复发送状态信息给数据集中控制器5，接收到这个状态信息，就证明第n盏灯工作正常；数据集中控制器5通过数据集中控制器连接端口7、主机连接端口8将第n盏灯工作的状态发送给主机9，主机将记录第n盏灯工作对应的时间，由此核算第n盏灯的用电量，并通过监视器10显示出来。

在这个系统中，除了利用上述方法可以确定单个LED灯的用电量之外，还可以利用数据集中控制器5发送指令，要求LED灯1按照一定比例调整输出功率或者实现关灯的目的。具体的实现方法如后节。

载波驱动电源2由两部分组成，一是由电磁兼容电路16、输入电流检测电路22、电流驱动电路17（包括驱动IC及其使能EN引脚21）、电源管理单元18、电网电压过零检测电路19组成的LED灯驱动电源电路，二是由载波信号耦合电路11、波信号发射驱动电路12、载波信号接收电路13、载波接受信号放大解调电路14、载波信号控制微处理器电路15组成的载波信号处理电路。载波驱动电源2的电路结构如图2所示，这两部分连接在电网线路与LED模组之间。

电网线路L、N有电后，首先经电磁兼容电路16进行EMI处理，使整个电源的接入特性符合EMI的电磁兼容要求；电流驱动电路17的作用就是转换电能，将市电转换为LED模组20所需要的驱动电能，并实现过欠压、短路、过温度等各种保护措施；一般来讲这是一个恒流输出型的驱动电源，由驱动IC（图中标识DIRVER IC）控制变压器原边能量，经变压器副边整流滤波输出给LED模组合适的电能。为了实现高功率因素，电流驱动电路17一般还应有PFC校正电路，但也可采用如图2中所示的DIRVER IC内置PFC功能的应用方案。电源管理单元18是由变压器偏置绕组供电，输出三个电压信号分别给电流驱动电路17中的DIRVER IC、载波信号处理电路的MCU15、载波信号耦合电路11供电;这个偏置绕组同时也可以直接提供DIRVER IC所需要的电源电压，在一些采用原边恒流的电路中，偏置绕组也会被用来提供副边的恒流反馈信号。电源管理单元18是由变压器偏置绕组供电，输出三个电压信号分别给电流驱动电路17中的DIRVER IC、载波信号处理电路的MCU15、载波信号耦合电路11供电;这个偏置绕组同时也可以直接提供DIRVER IC所需要的电源电压，在一些采用原边恒流的电路中，偏置绕组也会被用来提供副边的恒流反馈信号。电流驱动电路11还有一个重要作用，将由使能引脚22接受从载波信号处理电路的MCU15发出的调光比例（或者是关灯）信号，控制对LED模组的输出功率，达到调光直至关灯的功能。

载波信号处理电路的工作原理是：电网载波信号通过信号耦合电路11、信号接收电路13、信号放大解调电路14，被送到控制微处理器15中，在控制微处理器15中首先对这一数据进行判断，是否是针对自己的指令，如不是，就将这条指令废除，等待下一条指令，如果这条指令是发给这个微处理器的，那么这个微处理器就会根据指令来执行下一步操作。从电网传来的呼叫指令会分几种情况，在呼叫指令末端，会设置指令完结标志位，呼叫指令完结表示本指令仅为呼叫指令,MCU做应答处理就好了；指令不完结，表示后面还有指令发过来，请MCU等候处理，后面的指令分为回应功率指令、调光指令、关灯指令三种。呼叫指令数据将包含特定的MCU的ID号码，用于MCU计算是否与自身ID号码相符，如果相符,并且标志指令结束，MCU进行呼叫应答；如果标志指令未结束，后面跟回应功率指令，由输入电压检测电路22将交流电压电流检测型号传送到MCU,经过内部处理计算得出功率数据，MCU将调用功率值，编制好发送数据，由指定的I/O口发出一组脉冲族数据信号，送到载波信号发射驱动电路12中进行调制，调制好的信号经载波信号耦合电路11传送到市电电网上；如果后面跟的是调光指令、关灯指令，MCU将调光比例数据对应成PWM信号，对指定I/O口进行输出，输出信号到电流驱动电路17的驱动IC使能EN引脚21,之后，MCU发出操作完毕的载波信号到市电电网上。以上是对载波驱动电源工作描述。

数据集中控制器5的系统结构如图3所示，数据集中控制器接收来自电网4的载波信号，这一载波信号是由本系统的LED灯具载波驱动电源15发出的载波信号，可以是ABC三相电中的任何一相电中的载波信号，经由三相耦合电路23，传送到载波信号接收电路25，再经过载波放大解调电路26，变为数据信号送到微处理器28中，如前所述，这个数据有三种类型，一是应答信号，二是功率数值数据信号，三是调光（关灯）操作处理完毕信号，无论是哪种数据，都会被微处理器28编译成485协议数据经数据集中控制器主机端口7、主机连接端口8输出到主机9进行相应处理，处理的方法这个在后面进行具体阐述。当数据集中控制器5上电工作后，微处理器28首先运行自检程序，确定各端口初始状态、与上位机主机9连接是否正常等，如果是系统首次上电应该由主机发出ID号码段指令，数据集中控制器按照这个号码段进行轮询，简单概括就是由数据集中控制器微处理器28发出呼叫指令，接收应答数据，传送上位机主机9，进行灯具状态操作，显示用电量。上位机主机9还将提供用用户实时操作功能，这个实时操作的功能主要有两个一是提供调光操作功能,二是关灯开灯操作功能，主机9把这个操作信号发给数据集中控制器的微控制器MCU28，微控制器MCU28将调光比例数值、开灯信号、关灯信号转换成载波数据，经指定I/O端口输出发出一组脉冲族数据信号，送到载波信号发射驱动电路27中进行调制，调制好的信号经载波信号耦合电路23传送到三相电力网上,这个信号数据被载波驱动电源接收，载波驱动电源的微控制器15按照图2原理进行操作，如前所述。

上述为整个系统的硬件构成及其工作原理，下面对系统的工作流程进行说明。

图4为本实施例主机的应用程序流程图，主机应用程序提供直接应用的用户界面，可实现的功能有查询用电量、查看单个LED灯功率、对1个或多个LED灯实时调光、关闭/打开1个或多个指定的LED灯、系统设置、打印等，其中调光、开关灯的操作是实时的。系统首次上电工作，需要进行一些手动设置，LED灯ID段码设置、分时电价设置、调光比例上下限设置、功率代码设置，LED灯类型代码设置等；应该注意的是有关时间、用电量、计费等数据的计算,如下：

W=P*H

H=(Toff-Ton)/60

E=P*H*Up

P：LED灯功率，单位：W(瓦特)；

Ton: LED灯开灯时刻，单位：年月日时分秒；

Toff: LED灯关灯时刻；单位：年月日时分秒

H:LED灯工作时间；单位：分钟；

Up：电费单价可分时设定，单位：元/度*（时段）；

W:用电量，单位KWh(度)；

E:电费,单位：元；

图5为载波集中控制器5的工作程序流程图，主机9发出的指令以中断方式接入程序，在没有主机指令时，载波集中控制器将轮询采集设定ID段的LED灯状态，并将每盏LED灯的反馈数据编译成485协议数据，实时发送主机9进行计时处理；对于发送轮询信号没有回应的LED灯，重复三次询问，仍无应答的，程序视为关灯状态，送关灯状态数据到主机9进行及时处理；当用户指令到来时，将触发程序中断，程序译码后得到指令类型，共有四种指令类型，分别是查看单个LED灯功率指令、对1个或多个LED灯实时调光、关闭/打开指定的LED灯（1个或多个）、首次上电ID段号；接收到的ID段号，会被放在存储器中，这个号段就是载波集中控制器实施轮询操作的LED灯ID号地址段；但接收到要对LED灯进行调光、开关灯操作的指令时，程序首先转译对应指令的载波数据，并指定端口输出载波数据；当接收到LED灯具载波驱动电源2发来的应答或处理信号数据，载波集中控制器5编译对应数据上传主机9 。载波集中控制器程序按照指令不同实时对应操作，并上传处理数据给主机9。

图6为本实施例载波驱动电源的工作程序流程图，上电自检后，程序处于等待状态，当截获载波数据后程序首先进行指令关系识别，判断这条指令是否与自己有关系，无关就废弃指令，继续进入等待状态；指令与己有关，立即进行指令译码，指令类型有：呼叫指令、查看功率指令、关闭/打开指定的LED灯（1个或多个）指令、对1个或多个LED灯实时调光指令；收到呼叫指令或查看功率指令，程序调用指定状态数据，转译为载波数据，输出到端口；收到开关灯指令，对相应输出端口进行操作，并锁存，在下一个开关灯指令未到来之前，不再进行该端口操作，始终保持一种状态；当收到调光指令后，将接收到的调光比例数值存入暂存器中，调光比例数值，在这里被编译为PWM脉宽调制信号的占空比值，这个数值将被写入载波驱动电源微控制器MCU15的输出暂态寄存器中，对应I/O端口将按此占空比输出脉宽调制波形给恒流驱动电路的DIRVER IC使能EN引脚21；当执行完开关灯指令或调光指令后，程序调用指定操作完毕数据，转译为载波数据，输出到端口。

综上所述，系统完全可以实现远程遥控单个灯具状态、控制LED灯开关、对LED灯输出功率的调整、提供节能量化数据、核算LED灯用电量合计电费的功能。

按照发明内容进行了样机试制，载波驱动电源微控制器选用Microchip 的PIC16F1947，恒流驱动芯片使用恒流驱动IC是SILERGY的SY5800，LED模组由3颗1W大功率白光颗粒组成，LED灯珠选择EVERLIGHT的ELSW-J31C1-0VPGS-C6500，灯具类型MR16-LED, 载波驱动电源外置。在传统灯具改造项目中，替换白炽灯MR16，将老式低压MR16的电子变压器拆除，在MR16-LED灯具内置整流桥，安装时无需进行正负极检查校验。MR16-LED载波驱动电源外置的优点是，拆除原有电子变压器采用市电高压直接进载波驱动电源，省去老式电子变压器损耗，更有利于节能；载波驱动电源与LED灯体分离，相互热量影响小，对两者的运行稳定性、使用寿命都有提升。

基本设计定义：ASK载波调制解调模式，载波中心频率450KHz，带宽±5KHz；LED灯模组恒定电流0.32A±5%、电压9～10.8VDC；载波驱动电源效率81%，LED灯输入功率4.0±0.3W；

实测安装点频谱(连续监测48小时)，台变侧数据集中控制器最佳选频范围440-460KHz,远端节点最远距离500米, 最佳选频330-470Hz，确定载波中心频点450KHz，带宽±5KHz。中心频点最远端信号最大衰减-57dB,线路阻抗10.7～745.3Ω，调制接入耦合器输出阻抗10Ω。

单灯最远端测试1.1Km(线路距离)，接收灵敏度10mV。容量测试状态：LED灯节点共8430只，数据集中控制器一台，电脑主机1台，布控LED灯点为某酒店3层-8层楼面顶棚灯，与负一楼数据集中器最远端距离约500米，实验测的轮询时间196秒。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，它包括灯具端和信号控制端两部分以及三相四线电网，灯具端包括LED灯、载波驱动电源以及用来控制电源通断的开关，所述载波驱动电源包括LED灯驱动电源电路和载波信号处理电路，信号控制端包括数据集中控制器与主机，数据集中控制器通过三相四线电网与灯具端相连，数据集中控制器与主机相连并受主机控制。

2.根据权利要求1所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，所述LED灯驱动电路包括电磁兼容电路、输入电流检测电路、电流驱动电路、电源管理单元、电网电压过零检测电路，三相四线电网上的交流电经输入电流检测电路检测后再接入电磁兼容电路进行EMI处理，电流驱动电路将经EMI处理后的市电转换为驱动LED灯工作的电能。

3.根据权利要求1所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，载波信号处理电路包括载波信号耦合电路、载波信号发射驱动电路、载波信号接收电路、载波接受信号放大解调电路、载波信号控制微处理器电路，电网载波信号依次通过载波信号耦合电路、载波信号接收电路、载波信号放大解调电路，然后被送到载波信号控制微处理器电路进行处理，载波信号控制微处理器电路所发出数据信号经载波信号发射驱动电路进行调制，调制好的信号经载波信号耦合电路传送电网上。

4.根据权利要求2或3所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，电源管理单元输出三个电压信号分别给电流驱动电路中的DIRVER IC、载波信号控制微处理器电路的MCU、载波信号耦合电路供电。

5.根据权利要求1所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，所述数据集中控制器包括三相耦合电路、载波信号接收电路、载波放大解调电路、微处理器，由载波驱动电源发出的载波信号经由电网发送至数据集中控制器，载波信号经由三相耦合电路传送到载波信号接收电路，再经过载波放大解调电路转为数据信号，数据信号再送只微处理器进行处理。

6.根据权利要求5所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，所述数据集中控制器中还设有载波信号发射驱动电路，与数据集中控制器相连的主机可发出操作信号，所述操作信号发给数据集中控制器的微处理器并由微处理器转换成载波数据，所述载波数据送到数据信号经载波信号发射驱动电路进行调制，调制好的信号经载波信号耦合电路传送电网上。

7.根据权利要求1所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，所述数据集中控制器上设有电网端口，用于数据集中控制器与三相四线电网间的连接。

8.根据权利要求1所述的智能化LED照明载波远程驱动控制系统，其特征在于，所述数据集中控制器上设有主机端口，所述主机上设有主机连接端口，两端口用于数据集中控制器与主机的数据传输。

Images