CN102946670A

CN102946670A - 一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统

Info

Publication number: CN102946670A
Application number: CN2012104509365A
Authority: CN
Inventors: 张明; 邹志飞; 郑玮; 丁永华
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Shenzhen Liangqiang state Sheng Industrial Co. Ltd.
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102946670B

Abstract

本发明公开了一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统，包括主控制器，分别与主控制器连接的zigbee协调器和通信主模块，多个分别与通信主模块连接的终端控制模块以及多个分别与终端控制模块进行无线通信的zigbee定位器；主控制器将路灯控制指令发送给通信主模块，通信主模块将指令调制后传送给终端控制模块，终端控制模块对指令进行解调并对LED路灯实施相应操作，zigbee协调器建立zigbee通信子网，终端控制模块将监控的LED路灯电气状态及人员位置信息反馈给主控制器，主控制器将收到的数据进行存储和显示。本发明实现了对矿道LED路灯的实时有效控制，操作方便、维护简单、节约能源、可靠性高并能很好地实现无线组网，实施人员定位，保障安全。

Description

一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统

技术领域

本发明属于无线网络通信和电力线载波通信技术领域，更具体地，涉及一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统。

背景技术

由于节能问题的日益突出，节能型LED电源备受关注，因此对矿道路灯系统的集中控制具有极大的现实意义，可以即时处理故障，节约能源。另外，矿道人员安全问题也十分令人关注，能够对人员进行很好的实时定位也十分关键，可以监测人员行踪，保障工作安全。目前市场上的路灯系统都是具有单一的控制功能，无法结合矿道当前环境情况进行灯源调节控制，存在着功能单一、可靠性差和维护困难等缺点，也无法进行人员定位，无法保障人身安全，为了更好地解决上述问题，需要在现有技术的基础上有所创新，实现所需功能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统，旨在解决现有技术中LED路灯的功能单一、可靠性低、维护困难、安全性差的问题。

本发明提供了一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统，包括主控制器，分别与所述主控制器连接的zigbee协调器和通信主模块，多个分别与所述通信主模块连接的终端控制模块以及多个分别与所述终端控制模块进行无线通信的zigbee定位器；主控制器将路灯控制指令发送给通信主模块，通信主模块将指令调制后传送给终端控制模块，终端控制模块对指令进行解调并对LED路灯实施相应操作，zigbee协调器建立zigbee通信子网，终端控制模块将监控的LED路灯电气状态及人员位置信息反馈给主控制器，主控制器将收到的数据进行存储和显示。

更进一步地，所述通信主模块通过电力线分别与多个终端控制模块连接。

更进一步地，终端控制模块包括从控制器、分别与所述从控制器连接的zigbee路由器、LED驱动电源和通信从模块；通信从模块收发电力线载波数据，zigbee路由器传输无线数据并为所述zigbee定位器提供参考坐标，从控制器控制所述LED驱动电源调节LED路灯并监控LED路灯电气状态。

更进一步地，从控制器通过串口分别与zigbee路由器和LED驱动电源相连。

更进一步地，从控制器通过I/O端口与所述通信从模块相连。

更进一步地，通信主模块包括载波收发电路以及分别与所述载波收发电路连接的控制器接口、滤波电路和变压器耦合电路；控制器接口用于提供主控制器与通信主模块连接的接口，滤波电路对接收和发送的信号的进行滤波，变压器耦合电路将弱电信号与电力线进行耦合，载波收发电路对数据进行调制和解调处理并对功率进行放大处理。

更进一步地，LED驱动电源包括整流电路、反激电路、降压变换电路、电压控制芯片、处理器以及反馈补偿电路；整流电路和反激电路将220V交流电压转化为5V和36V直流电压并供给处理器和LED路灯使用；电压控制芯片、处理器以及反馈补偿电路共同实现了LED驱动电源输出电压的调节和控制。

本发明实现了对矿道LED路灯的实时有效控制，操作方便、维护简单、节约能源、可靠性高并能很好地实现无线组网，实施人员定位，保障安全，在技术上利用双重网络模型，发挥各自优点将路灯远程控制和人员安全定位功能相结合。

附图说明

图1是本发明提供的基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统的模块结构框图；

图2是本发明提供的基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统中终端控制模块的结构框图；

图3是本发明提供的基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统中通信主模块的结构框图；

图4是本发明提供的通信主模块中载波收发电路的具体电路图；

图5是本发明提供的基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统中LED驱动电源的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及无线网络通信和电力线载波通信技术领域，特别涉及一种zigbee和电力线载波控制的矿用多功能LED路灯系统。其中，zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

本发明提供的基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统包括主控制器、zigbee协调器、通信主模块、多个终端控制模块以及zigbee定位器；主控制器通过串口分别与zigbee协调器和通信主模块相连；通信主模块通过电力线与多个终端控制模块相连；zigbee定位器与终端控制模块之间进行无线通信。

来自主控制器的控制指令通过RS232串口传到通信主模块或zigbee协调器，然后通过220V电力线或者zigbee无线网络下发数据，终端控制模块通过电力线载波通信网络或者zigbee无线通信网络接收信号后并解析指令，进而控制LED路灯；另外，zigbee定位器与终端控制模块进行无线数据交互，不断收集无线信号强度RSSI值，结合终端控制模块提供的参考坐标，计算出人员当前位置，与LED路灯电气状态一起通过无线网络或电力线载波通信网络传输到主控制器。

本发明在已有的通信技术基础上，结合了电力线载波通信和zigbee无线网络通信的优点，很好地将节能LED路灯控制和人员安全定位功能结合起来，实现矿道LED路灯的远程控制与人员安全定位功能。不仅提高了网络通信的可靠性，发挥了两种网络各自的优点，使LED路灯操作灵活、维护方便，节约能源，并且很好地实现人员安全定位，本系统在网络通信模型和控制系统技术上有所创新。

为了更进一步地说明本发明实施例提供的矿用多功能LED路灯系统，现在结合附图详述如下：

如图1所示，LED路灯系统包括主控制器11、zigbee协调器12、通信主模块13、多个终端控制模块2以及多个分别与终端控制模块2连接的zigbee定位器3；主控制器11通过串口分别与zigbee协调器12和通信主模块13相连；通信主模块13通过电力线与多个终端控制模块2相连；zigbee定位器3与终端控制模块之间进行无线通信。主控制器11控制整个系统的通信过程，包括电力线载波通信和zigbee无线通信，实现了对LED路灯的远程控制和人员安全定位，并且提供了良好的人机交互界面，zigbee协调器12实现了zigbee网络的建立，负责协调无线网络通信以及与主控制器11数据交互；通信主模块13实现了电力线载波收发过程，负责将主控制器11的指令通过电力线传输给终端控制模块以及将LED路灯电气状态返回给主控制器11；终端控制模块2实现了LED路灯的控制，并且与zigbee定位器3进行无线通信，进行人员安全定位，多个终端控制模块2通过电力线并联连接。zigbee定位器3由工作人员随身佩戴，主要用来定位人员实时的位置信息。LED路灯系统通过主控制器11将路灯控制指令发送给通信主模块12，通信主模块12将指令调制后通过电力线传送给终端控制模块2，终端控制模块2收到信号后，对指令进行解调并对LED路灯实施相应操作；zigbee协调器12将建立zigbee通信子网，zigbee定位器3与终端控制模块2进行无线交互，通过收集无线信号RSSI强度值，并结合参考坐标计算出人员实时位置信息；与此同时，终端控制模块2监控到LED路灯电气状态发生变化或收集到了附近人员位置信息后，通过电力线或者zigbee无线网络发送给主控制器11，主控制器11将收到的数据进行存储和显示，并提供良好的人机交互界面。

其中主控制器11一般可由ARM9控制器及其外围电路构成；一个主控制器11可以同时控制多个终端控制模块2。

如图2所示，终端控制模块2包括从控制器21、zigbee路由器24、LED驱动电源23以及通信从模块22；从控制器21通过串口分别与zigbee路由器24、LED驱动电源23相连，通过I/O端口与通信从模块22相连；从控制器21实现了对LED驱动电源23的控制以及对人员位置信息的获取，zigbee路由器22负责无线数据的传输，为zigbee定位器3提供参考坐标，在每隔一定距离，需重新建立zigbee子网时，zigbee路由器24则改成zigbee协调器；LED驱动电源23完成了LED路灯的调节以及电气状态的监控；通信从模块22负责电力线载波数据的收发。

其中，从控制器21可由单片机及其外围电路构成；实现了对LED驱动电源23的控制以及对人员位置信息的获取。

如图3所示，通信主模块13包括控制器接口131、载波收发电路132、滤波电路133、供电电路134以及变压器耦合电路135；通信主模块13中的各个部分之间通过电路信号线相连；其中，控制器接口131提供了控制器与通信主模块13的接口；载波收发电路132实现了数据的调制与解调以及功率放大等；滤波电路133对接收和发送的信号的进行滤波；变压器耦合电路135实现了弱电信号与电力线的耦合。

本发明提供了一种由MI200E芯片及其外围电路构成的载波收发电路，如图4所示，当该芯片收到载波信号时，载波信号从J2接口输入，并通过变压器感应到次级线圈，差分信号接入到MI200E芯片的RAI+端和RAI-端，接收信息并处理。发送信号时通过芯片的PA和PB端输出信号，发送滤波后经过变压器耦合到初级初级线圈，再把信号发送到电网上。

如图5所示，LED驱动电源23包括整流电路231、反激电路232、降压变换电路233、电压控制芯片234、处理器235以及反馈补偿电路236；LED驱动电源23中的各部分通过电路信号线相连；其中，整流电路231和反激电路232将220V交流电压AC转化为5V和36V直流电压，既可以给处理器235使用，也可满足LED路灯供电；降压变换电路233实现LED驱动电源23的恒流控制；电压控制芯片234产生了调节输出电压所需的PWM信号；处理器235对输出电流进行AD采样以及通过串口接收从控制器21的电流控制信号，进而对输出电流进行闭环控制；反馈补偿电路236通过模拟补偿的方法提高了控制系统的相位裕度，增强了系统的稳定性。其中，处理器235可由MSP430单片机及其外围电路构成。

本发明通讯流程如下所述：首先，主控制器11通过通信主模块13发送灯控指令，控制信号通过电力线载波通信传输到终端控制模块2，每个终端控制模块2通过ID识别是否为自身控制信号后，对接收信号其进行解调并执行相应操作；主控制器11还可以通过zigbee协调器12建立无线通信网络，依据所要发送数据的类型，选择合适的通信方式。其次，终端控制模块2时刻监听电力线和zigbee网络上的信号变化，根据信号类型(电力线载波信号和zigbee无线信号)选择相应的接收方式，将接收到的信号解析后存在缓冲区内，并作相应处理。最后，zigbee定位器3与终端控制模块2不断地进行无线数据交互的同时，当LED路灯电气状态或矿道中人员位置变化时，终端控制模块2将数据通过无线网络传给zigbee协调器12或者利用电力线载波发送机制传输给通信主模块13，进而通过串口传输给主控制器11。总之，本系统的通讯流程是建立在电力线通信和zigbee无线通信双重网络的基础上的，将它们进行有效结合，从而实现了矿用LED路灯的远程控制和人员安全定位。

本发明在通信方式上采用电力线载波通信和zigbee通信双重网络模型，在功能上实现了LED电源节能控制与人员安全定位。各终端控制模块2之间既可以通过电力线传输数据，也可以通过zigbee无线网络传输数据，因此可以在不需要重新布线的情况下，提高了网络的通信距离，扩大了网络的覆盖面积，同时也提高了网络的可靠性。本发明中终端控制模块2的布置需要视矿道的实际环境而定，一般在每隔一定距离后需要布置zigbee协调器模块12，以便在有效小区域内组成子网，各个子网之间可以进行电力线载波通信，这样可以尽量减少障碍物对无线网络信号强度的影响，提高通信的可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于zigbee和电力线载波的矿用多功能LED路灯系统，其特征在于，包括主控制器，分别与所述主控制器连接的zigbee协调器和通信主模块，多个分别与所述通信主模块连接的终端控制模块以及多个分别与所述终端控制模块进行无线通信的zigbee定位器；

主控制器将路灯控制指令发送给通信主模块，通信主模块将指令调制后传送给终端控制模块，终端控制模块对指令进行解调并对LED路灯实施相应操作，zigbee协调器建立zigbee通信子网，终端控制模块将监控的LED路灯电气状态及人员位置信息反馈给主控制器，主控制器将收到的数据进行存储和显示。

2.如权利要求1所述的LED路灯系统，其特征在于，所述通信主模块通过电力线分别与多个终端控制模块连接。

3.如权利要求1所述的LED路灯系统，其特征在于，终端控制模块包括从控制器、分别与所述从控制器连接的zigbee路由器、LED驱动电源和通信从模块；

通信从模块收发电力线载波数据，zigbee路由器传输无线数据并为所述zigbee定位器提供参考坐标，从控制器控制所述LED驱动电源调节LED路灯并监控LED路灯电气状态。

4.如权利要求3所述的LED路灯系统，其特征在于，从控制器通过串口分别与zigbee路由器和LED驱动电源相连。

5.如权利要求3所述的LED路灯系统，其特征在于，从控制器通过I/O端口与所述通信从模块相连。

6.如权利要求1所述的LED路灯系统，其特征在于，通信主模块包括载波收发电路以及分别与所述载波收发电路连接的控制器接口、滤波电路和变压器耦合电路；

控制器接口用于提供主控制器与通信主模块连接的接口，滤波电路对接收和发送的信号的进行滤波，变压器耦合电路将弱电信号与电力线进行耦合，载波收发电路对数据进行调制和解调处理并对功率进行放大处理。

7.如权利要求1所述的LED路灯系统，其特征在于，LED驱动电源包括整流电路、反激电路、降压变换电路、电压控制芯片、处理器以及反馈补偿电路；

整流电路和反激电路将220V交流电压转化为5V和36V直流电压并供给处理器和LED路灯使用；电压控制芯片、处理器以及反馈补偿电路共同实现了LED驱动电源输出电压的调节和控制。