CN103796384A

CN103796384A - 一种环境自适应多场景复用半导体照明控制装置

Info

Publication number: CN103796384A
Application number: CN201410024740.9A
Authority: CN
Inventors: 陈雄; 张琦; 李曼萍; 丁方波; 夏辰
Original assignee: Shanghai Jiugao Energy-saving Technology Co Ltd; Fudan University
Current assignee: Shanghai Jiugao Energy-saving Technology Co Ltd; Fudan University
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明属于半导体照明技术领域，具体为一种环境自适应多场景复用半导体照明控制装置。其包括X20控制器、上位机、无线终端、安防系统、以太网络、IO接口、LED驱动控制器等；上位机或无线终端连接到路由器建立的控制网络中，与X20控制器进行网络通信，对其进行不同场景参数设置；X20根据上位机或者无线终端传输过来的场景控制信息，生成底层控制信息，通过X20总线发送给下层IO接口；IO接口通过CAN总线与LED驱动控制器通信；LED驱动控制器根据参数信息设置LED驱动的驱动电流，完成对LED灯具的恒流驱动及亮度调节。本发明解决了LED灯具网络化的控制需求及LED对于环境场景的智能化照明需求。

Description

一种环境自适应多场景复用半导体照明控制装置

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种网络化环境自适应灯光控制方法和半导体照明驱动装置。

背景技术

大型公共建筑物的能源消耗问题日益突出，随着LED照明应用愈发广泛，许多公共建筑物逐渐使用LED灯具来代替传统灯具对建筑物照明系统进行改进，来降低照明过程中所消耗的能量，最终降低建筑运营成本，提高能源使用效率。

目前，大型建筑物的LED照明控制方案较为单调，仅仅完成简单的灯具开关控制和远程控制，还远远达不到现代社会对于LED人性化照明控制的需求。

发明内容

本发明旨在解决LED灯具控制中网络化的控制需求和适应不同的网络控制特点，同时解决LED照明中对于环境场景的人性化智能化照明需求。

为此，本发明提出一种环境自适应多场景复用半导体照明控制装置。

具体内容包括：

1.高效恒流驱动控制技术，完成LED灯具的恒流驱动。LED电源管理芯片采用PT4107，控制方法为非隔离降压开关电源形式。驱动外接48V开关电源为其提供电力供应，具有350mA以及900mA两种输出模式，以适应不同功率LED的控制需求。

2.环境自适应多场景复用技术，实现照明场景的自适应转换。上位机通过网络（3G、WIFI或者以太网）将场景数据发送给下位机STC12C5A60S2微控制器，控制器发送不同的PWM信号给驱动，驱动根据接收到的PWM信号信息来调节恒流输出大小从而改变LED亮度。

具体而言，本发明提出的环境自适应多场景复用半导体照明控制装置，包括：贝加莱X20控制器A、上位机B、无线控制终端C、手持设备安防系统（短信猫）D、以太网络(路由器)E 、分布式IO接口F、终端LED驱动控制器G；其中，X20控制器A放置于机柜中导轨上，可根据需要布置多个控制器，上位机B负责通过网络对X20控制器A进行远程监测与控制，无线控制终端C作为辅助控制系统提升系统的人性化控制设计，手持设备安防系统D与X20控制器A通过串行总线相连，监测系统安全情况并通过GSM发送给手持终端,以太网络(路由器)E用于构建网络连接,分布式IO接口F、X20总线实现X20控制器A控制多台终端LED驱动控制器G,LED驱动控制器G用于完成LED的调光调色，以及实现对LED灯具恒流恒压驱动控制；上位机B或者无线终端C连接到路由器建立的控制网络中，与X20控制器A进行网络通信，对其进行不同场景参数设置；X20控制器A根据上位机B或者无线终端C传输过来的场景控制信息，生成相应的底层控制信息，通过X20总线发送给下层IO接口F；IO接口通过CAN总线与LED驱动控制器G通信，将X20控制器A传输来的控制信息发送给LED驱动控制器G；LED驱动控制器G接收控制信号后，根据参数信息设置LED驱动的驱动电流，从而完成对于LED灯具的恒流驱动以及亮度调节；LED驱动控制器G接收CAN总线传输来的信号，通过单片机进行分析处理，在相应的单片机IO口产生PWM控制信号，传输给底层LED驱动控制器G；LED驱动控制器G根据PWM信号的占空比来调整恒定电流的输出比例，实现调光功能；LED驱动控制器G可以作为整个控制系统的一个节点，通过与X20接口的通讯，将接受到的CAN信号转换成相应的PWM波信号，从而实现对4路LED灯的实时控制；每个照明驱动模块有自己唯一的ID号与之相对应，PLC可以通过设定CAN信号的ID位来和相对应的照明驱动模块进行相互通讯；

本发明中，照明驱动模块设计为两类，分别用以驱动18W 及32W功率LED灯具；

本发明中，调光使用数字调光，控制信号由单片机发出，供电采用48V开关电源，用以提供稳定且安全的输出电压。

本发明的优势：

1.应用环境自适应与环境复用的传感器感知与智能照明控制技术，实现照明模式自适应调节。

2.能实现LED灯具 2700k-6500k色温精细调节。

3.充分考虑人性化照明场景和节能化效果，采用总线式、模块化、分布式的控制模式，通过Internet网络及无线网络实现对远程终端的智能控制，以及场景模式控制。

4.实现高效率恒流驱动控制。

附图说明

图1为系统结构图。

图2为LED驱动原理图。

图3为底层控制板原理图。

图中标号：A、X20控制器，B、上位机，C、无线控制终端，D、手持设备安防系统，E、以太网络，F、分布式IO接口，G、终端LED驱动控制器。

具体实施方式

系统使用解决方案总览

1、上位机或者无线终端连接到路由器建立的控制网络中，与X20控制器进行网络通信，对其进行不同场景参数设置。

2、X20根据上位机或者无线终端传输过来的场景控制信息，生成相应的底层控制信息，通过X20总线发送给下层IO接口。

3、IO接口通过CAN总线与LED驱动控制器通信，将X20传输来的控制信息发送给LED驱动控制器。

4、LED驱动控制器接收控制信号之后，根据参数信息设置LED驱动的驱动电流，从而完成对于LED灯具的恒流驱动以及亮度调节。

5、图2是恒流驱动开关电源解决方案电路原理图，采用降压恒流方案将48V电压降低到灯具合适的电压范围，并且提供恒定的电流输出。图3为底层控制模块，主要是作为控制信息的中转站使用。

具体可以分为如下几种情形：

第一部分：场景控制系统

方案总览

通过贝加莱公司的10寸触摸屏作为显示屏，显示系统状态，并进行操作。人机界面中有多种场景方案选项，可以进行相应的场景灯光控制方案选择。触摸屏具有CPU的作用，可以连接IO卡件进行采集各种传感器的信号，并且可以通过CAN总线连接LED灯光控制器来控制灯光的启闭和亮度。

IO采用贝加莱新一代的分布式IO，X20系列，体积小，密度高，扩展方便，传输速度快，接线、调试、维护都很方便，支持带电热插拔。

灯光启闭控制和亮度调节是通过CAN总线连接LED灯光控制器来实现的。CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，具有高可靠性和良好的错误检测能力，高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

大会议室控制

大会议室的灯光自动控制包括：欢迎模式、会议模式、演讲模式、全开模式。

会议开始前，前台通过电脑开启系统，使会议室的灯光进入欢迎模式，然后可以通过前台电脑，或者触摸屏，或者无线解决方案进行开会模式、演讲模式、全开模式的切换，并进行亮度的调节。

欢迎模式，开启所有灯光至50%亮度，亮度柔和，用于临时使用；

会议模式，主席台区域的灯光全亮，台下区域灯光开启至70%亮度；

演讲模式，主席台区域的灯光关闭，利于PPT的清晰投影，台下区域的灯光由前往后渐亮或开启50%亮度；

全开模式，所有灯光全亮。

每一个LED灯都可以单独进行开启关闭，另外还有展板灯光的亮度调节功能。

无线控制

在大会议室的主席台放置一台ipad，可通过wifi连接到主触摸屏，进行所有等同于触摸屏的操作，比如显示系统状态，灯光控制模式的切换，单个灯光的控制等等。

还可以通过其它设备，比如智能手机，连接到网络中，进行系统的状态监测，以及所有操作。

过道灯光控制

过道灯光自动控制，分为两个时段：上班时段，下班时段；并且时段的时间设置可调。

在上班时段，始终将灯光开启至30%亮度，此时，通过红外传感器若检测到有人走过，开启对应区域的灯光；当人走到下一个区域时，关闭第一区域的灯光，开启第二区域的灯光；以此类推；当人从走廊尽头向外走时，可以根据人的走向，进行方向判断，并进行相应的区域灯光控制。

在下班时段，所有灯光关闭。若红外传感器若检测到有人，开启所有灯光，并结合安防报警功能，发出短信给指定手机，提示有人闯入。

小会议室灯光控制

小会议室的灯光控制按照日期分为两个时段，夏季时段和其它时段。

在7-9月份，也就是夏季时段，气温很高，此时应避免太阳光照进会议室，则应关闭电动窗帘，并尽可能关闭所有灯光。此时，若通过红外传感器检测到有人在室内，则开启灯光至预设值。然后，则根据光照度传感器的信号，进行自动调节，使室内的亮度处于合适范围。若通过红外传感器检测到无人在会议室内，则进行一分钟延时，之后仍无人，则关闭所有灯光。

在其它时段，根据每天的时间段，首先将电动窗帘打开至预设开度。此时，若通过红外传感器检测到有人在室内，则开启电动窗帘，使光照度达到所需的设定值，若窗帘全开，光照度仍低于设定值，则开启灯光至预设值。然后，则根据光照度传感器的信号，进行自动调节，使室内的亮度处于合适范围。若通过红外传感器检测到无人在会议室内，则进行一分钟延时，之后仍无人，则关闭所有灯光。

手动方案

为了演示的功能，或者在某些未设想到的情况下，可以通过修改系统的控制方式为手动方式，此时，可以操作所有的单回路灯光控制、亮度调节，电动窗帘的开启、关闭，以及各种测试功能。

安防报警功能

安防系统报警功能：当下班后或设定的时间段内，所有的灯光应处于关闭状态，当系统检测到有灯光开启，或红外传感器检测到有人走动，则认为有人闯入，此时应发出短信给相关人员进行报警。

能源监控

电量采集方案：贝加莱的IO中有电量采集模块，通过直接采集电压，以及电流互感器的电流信号，进行电量的采集、监视、分析，并可以在触摸屏上查看趋势曲线。

第二部分：LED恒流驱动系统

方案总览

LED驱动控制器接收CAN总线传输来的信号，通过单片机进行分析处理，在相应的单片机IO口产生PWM控制信号，传输给底层LED驱动。LED驱动根据PWM信号的占空比来调整恒定电流的输出比例，实现调光功能。

数字控制解决方案

LED驱动控制器可以作为整个控制系统的一个节点，通过与X20接口的通讯，将接受到的CAN信号转换成相应的PWM波信号，从而实现对4路LED灯的实时控制。整个控制模块可以分为两大部分：1由SJA1000和TJA1050组成的CAN协议通讯模块，该部分功能为接收X20发送的CAN信号。2以STC12C5A60S2为主控芯片的控制部分，该部分功能为将接收到的CAN信号传换成PWM信号并将其输出，从而实现控制LED亮暗的效果。

通信协议解决方案

每个照明控制模块有自己唯一的ID号与之相对应，PLC可以通过设定CAN信号的ID位来和相对应的照明控制模块进行相互通讯。PLC每次发送的CAN信号的数据位有16位，后8位代表PWM波的占空比（0—255分别代表0%到100%）。最高位第16位为1时，照明控制模块的4路PWM输出口全部打开，后8位数据为4路PWM波的占空比；最高位为0时，之后的4位分别和PWM波的输出口P5，P6，P7，P8相对应，这四位中有且仅有一位为1，当该位为1时，则打开与之对应的PWM端口，最后8位数据为PWM波占空比。

恒流驱动解决方案

驱动模块设计为两类，用以驱动18W 及32W功率LED灯具。调光使用数字调光，控制信号由单片机发出，供电采用48V开关电源，用以提供稳定且安全的输出电压。恒流恒压驱动电源部分采用BUCK降压结构，电路结构简单稳定。电源管理芯片采用POWTECH公司的PT4107，此芯片输入电压范围广并且MOS外置，有利于驱动较大功率的LED，并且可以通过频率抖动来降低EMI干扰。LED 的峰值电流通过CS 端的采样电阻来设定。在不同的输入和输出电压条件下，峰值电流将自动改变以获得稳定的平均电流。峰值电流为

Vref=275mV，D=VOUT/VIN 是控制电路的占空比。VIN 是经过整流的AC 电压，VDD=20V，R1 是连接在VIN 和VDD 之间的启动电阻。IDD 是工作电流，电流大小由工作频率和外部的MOSFET 共同决定。当工作频率和MOSFET 栅电容增大时，IDD 也会增加。改变峰值电流可以补偿在不同应用中电感纹波电流引起的LED 平均电流变化，这使得平均电流在大的输入输出电压变化时，得以稳定。在电感值、工作频率和启动电阻确定的情况下，通过补偿公式，LED 的平均电流可以很方便的设定。具体电路设计如图2所示。

当VIN 上的电压超过欠压闭锁阈值后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式来驱动外部的MOSFET，此处使用NCE0106R作为开关管。在外部MOSFET 的源端和地之间接入电流采样电阻。该电阻上的电压直接传递到PT4107 芯片的CS 端，当CS 端电压超过内部的电流采样阈值电压后，GATE 端的驱动信号终止，外部MOSFET 关断。阈值电压可以由内部设定，或者通过在LD 端施加电压来控制。如果要求软启动。可以在LD 端并联电容，以得到需要的电压上升速度，并和LED电流上升速度相一致。电路PCB版图设计如图3所示。

使用说明

（1）烧写程序：对系统板进行供电之后，将程序烧写工具的GND和照明控制模块P3的GND相连，程序烧写工具的TX接口和照明控制模块的RX接口相连，程序烧写工具的RX接口和照明控制模块的TX口相连。打开烧写软件，点击下载后对照明控制模块重新上电即可。

（2）CAN信号的连接：P1从上到下的4个端口分别为VCC,GND,CAN_H,CAN_L。GND和PLC的GND相连，CAN_H和PLC的CAN高相连，CAN_L和PLC的CAN低相连。

（3）PWM输出端口：P5，P6，P7，P8为4路PWM波输出端口。与丝印层相对应的接口为PWM波输出口与LED驱动PWM+相连；剩下的端口为GND，与LED驱动的GND相连。

开关电源将市电引入转化为48V直流电，输入到LED驱动板的VIN端口（VIN标+号的为48V正电压端）。输出端口（LED端口，+端接LED正电压端）接入相应功率LED，其中黑色滤波电容对应的为32W功率驱动，棕色开关电容对应的为18W驱动。PWM端口接控制板输入的PWM调光信号，其中+端为PWM信号端，另外一端接地，此口与控制板四路PWM输出口相对应。控制板部分P1为CAN通信端口，从标有P1端的口开始，依次为：VCC; GND; CANH; CANL。CAN通信端口与B&R控制器的CAN通信组件相连。控制板U5为圆孔电源插头，P4为24V开关电源输入端（目前尚在设计完善中），P5~P8为四路PWM调光信号输出端口，端口标有字样（如：P5）端为PWM信号正端，另一端为地，对应驱动模块的PWM端口。

本发明具有如下优点：

1、本系统通过网络化控制可以及时根据不同的场景信息调整LED灯具的亮度情况，实现对于场景照明的多元化远程控制。

2、本系统具有实时监测功能，能够及时通过有线网络及GSM向上位机和手持终端反馈系统及LED灯具的工作情况。

3、系统稳定可靠，信息传输速度快，网络覆盖面广，控制方式多样化。

Claims

1.一种环境自适应多场景复用半导体照明控制装置，其特征在于包括：贝加莱X20控制器A、上位机B、无线控制终端C、手持设备安防系统D、以太网络E、分布式IO接口F、终端LED驱动控制器G；其中，X20控制器A放置于机柜中导轨上，可根据需要布置多个控制器，上位机B负责通过网络对X20控制器A进行远程监测与控制，无线控制终端C作为辅助控制系统提升系统的人性化控制设计，手持设备安防系统D与X20控制器A通过串行总线相连，监测系统安全情况并通过GSM发送给手持终端,以太网络E用于构建网络连接,分布式IO接口F、X20总线实现X20控制器A控制多台终端LED驱动控制器G,LED驱动控制器G用于完成LED的调光调色，以及实现对LED灯具恒流恒压驱动控制；上位机B或者无线终端C连接到路由器建立的控制网络中，与X20控制器A进行网络通信，对其进行不同场景参数设置；X20控制器A根据上位机B或者无线终端C传输过来的场景控制信息，生成相应的底层控制信息，通过X20总线发送给下层IO接口F；IO接口通过CAN总线与LED驱动控制器G通信，将X20控制器A传输来的控制信息发送给LED驱动控制器G；LED驱动控制器G接收控制信号后，根据参数信息设置LED驱动的驱动电流，从而完成对于LED灯具的恒流驱动以及亮度调节；LED驱动控制器G接收CAN总线传输来的信号，通过单片机进行分析处理，在相应的单片机IO口产生PWM控制信号，传输给底层LED驱动控制器G；LED驱动控制器G根据PWM信号的占空比来调整恒定电流的输出比例，实现调光功能；LED驱动控制器G可以作为整个控制系统的一个节点，通过与X20接口的通讯，将接受到的CAN信号转换成相应的PWM波信号，从而实现对4路LED灯的实时控制；每个照明驱动模块有自己唯一的ID号与之相对应，PLC可以通过设定CAN信号的ID位来和相对应的照明驱动模块进行相互通讯。

2.根据权利要求所述的环境自适应多场景复用半导体照明控制装置，其特征在于照明驱动模块设计为两类，分别用以驱动18W 及32W功率LED灯具。

3.根据权利要求所述的环境自适应多场景复用半导体照明控制装置，其特征在于调光使用数字调光，控制信号由单片机发出，供电采用48V开关电源，用以提供稳定且安全的输出电压。