CN108064109A - 一种基于物联网的4g照明路灯智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，包括主处理板和与主处理板连接的开关电源，通讯模块（4G/NB‑IoT/Wifi）、单灯集中管理模块、模拟信号变送模块、输入输出变送母板；所述主处理板包括：嵌入式ARM处理器，可编程逻辑器件（CPLD），程序复位IC，时钟IC，存储IC以及A/D转换电路，精密运算放大电路，线性整流电路，以及RS232/RS485/RJ45多种通讯接口，显示屏，操作按键。本发明基于移动物联网技术，采用模块化结构设计，即插即用，支持4G/NB‑IoT/Wifi通讯方式，实现照明路灯设施的智能化集中管控，实现照明用电的科学管理。

Description

一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器。

背景技术

现有的路灯控制器电路没有进行模块化分区结构设计，电路单元都在同一块电路板上，电路之间没有隔离保护设计和独立供电，无法采取有效的抗干扰保护设计，EMC电磁干扰严重，影响电路的稳定工作。如果电路某处发生损坏时，会造成整个电路板故障，从而影响城市正常亮灯。当遭受雷击、浪涌电压冲击时，极易损坏整个电路系统。

没有产品化结构设计的路灯控制器还具有以下缺点：所有东西都安装在密封的机箱内，体积大，散热不好，相互干扰，输入输出线路都接到机箱内，线路安装没有规范标准，连接线路凌乱，今后拆卸和维护困难。

现有的路灯控制器基本是单机板，不支持4G（全网通）、NB-IoT、Wifi无线上网通讯方式。而路灯监控系统通讯是依靠电信、移动网络实现，控制管理，一旦网络出现故障，现场无法修改参数，势必造成不能正常亮灯，影响市民生活

现有路灯控制器功能简单，无法进行运行状态监控和报警监控，也无法根据实际需要进行快速开关灯时间调整。

部分此类产品缺乏整体设计，没有专业传感器进行电压电流信号采集，采用外置电气元件进行信号转换、输出控制、输入取样。外部安装东西多，接线混乱复杂，维护困难，故障率高。

为了解决上述问题，本发明提出一种一种模块化结构设计，通讯上支持因特网远程监控管理，支持多种通讯模式，具备遥控、遥测、遥信和故障监测、分析和报警功能，具有运行状态显示，抗雷击、抗浪涌电压冲击保护、抗EMC电磁干扰的智能无线路灯控制器。

另外，中国专利号为：201120157123.8公开了一种基于物联网的智能无线路灯控制器，该发明支持GPRS、CDMA、3G等无线通讯方式，可通过因特网建立实时通讯,使监控中心可实时遥测、遥控、遥信、遥调分布在全城的路灯监控点的电压、电流、电气、开关灯等运行状态。但其无线通信方式带宽窄，时延大，面临被淘汰的风险。同时该发明缺少单灯集中管理模块，不利于路灯的集中管理。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，包括主处理板、开关电源、通讯模块（4G/NB-IoT/Wifi）、单灯集中管理模块、模拟信号变送模块、输入输出变送母板；

所述主处理板上有嵌入式ARM微处理器，与嵌入式ARM微处理器连接的有：复杂可编程逻辑器件CPLD和时钟IC，存储IC以及A/D转换电路，精密运算放大电路，线性整流电路，RS232/RS485/RJ45接口电路、显示屏、操作键盘；与嵌入式微处理器连接模块有：4G/NB-IoT/Wifi无线通讯模块，单灯集中管理模块、模拟信号变送模块，输入输出变送母板；

所述模拟信号变送板由电压、电流传感器构成的无源取样电路和抗浪涌、抗雷击保护电路、线性整流电路、滤波网络电路构成；经传感器变比出的0~20mA电流信号，经I/V变换电路和滤波电路，再经模拟信号变送板端口与主处理板上的D/A采集电路连接，所述采样电路由模拟切换，精密运算放大和线性整流电路，经滤波网络与A/D转换电路与ARM处理器相连；

所述嵌入式ARM微处理器,通过数据总线与多个复杂可编程逻辑器件CPLD连接，用于显示屏驱动、操作按键连接、输入输入输出变送母板端口连接；

所述无线通讯模块通过通讯接口与主处理板连接；

作为优选，所述操作按键为手工输入按键，与所述显示屏配合使用，能够查询电压、时间、编号等状态信息和修改控制器时钟、日期、开关灯时间等参数。

作为优选，所述精密运算放大电路、线性整流电路、A/D转换电路，由输入电压DC5V，输出电压正负DC12V独立地线隔离电源供电。

作为优选，所述输入输出变送母板上包含输出控制模块，包括光耦、二级管、三极管、继电器、压敏电阻、电阻；

作为优选，所述输入输出变送母板上包含输入开关量模块，包括包括光耦、二极管、稳压二级管、电阻、电解电容、三极管、压敏电阻、发光二级管；

作为优选，所述通讯接口为RS232、RS485和RJ45通讯接口。

作为优选，所述RS232通讯接口、RS485通讯接口设有保护集成电路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用模块化结构设计，可根据用户的每台配电箱实际情况配置采集、控制、开关量模块数量，迅速组网。路灯控制器采用低功耗，无铅封装的集成电路。设备环保，低功耗。

智能无线路灯控制器内部实现软件编程，实现多功能组合显示逻辑结构关系，可先布电路板线路，后定义管脚功能，有效降低EMC电磁干扰，增强了硬件系统的可靠性，有效的减小PCB板的面积，减少、简化了繁琐布线工作，也有效避免了选用专用集成电路，因为断货、停产而造成的危机，降低了各种成本。

模拟量采集电路单元，即模拟开关、整形滤波器、线性整流器、A/D转换器采用输入电压DC5V，输出正负DC12V的DC/DC地线隔离电源供电，可有效避免，采集通道遭受瞬变电压和雷击损坏时，影响主板正常工作。

程序抗死机安全保护设计：智能无线路灯控制器的MCU，采用程序复位和抗死机保护的集成电路构成的看门复位保护芯片。当工作电压，低于设定的工作电压时, 程序运行会出现死机或跑飞时，复位保护电路会主动向MCU发出复位信号，强迫MCU进入复位状态，以避免程序出现误动作。另外如果程序运行中出现死机或跑飞时，复位保护电路在等待固定的1.6秒的时间情况下，如果再得不到MCU应答，会主动发出复位信号，强迫MCU程序复位，避免程序死机。

该智能控制器具有易实施，免布线，工作可靠，易于维护等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的通信模块连接示意图；

图3为本发明实施例的模拟量采样电路、供电结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

参见图1，基于物联网的4G照明路灯智能控制器，包括主处理板、开关电源、通讯模块（4G/NB-IoT/Wifi）、单灯集中管理模块、模拟信号变送模块、输入输出变送母板；

所述的开关电源为DC/DC电源；

所述模拟信号变送板为输入电压电流变送板，具有3相电压信号变换，13路电流信号变换；

所述输入输出变送母板，用于安插输出控制模块和输入开关量模块。通过配置不同的母板，来实现安插不同数量的输入、输出模块。

所述输出控制模块和输入开关量模块均为8路；

所述通讯模块为4G/NB-IoT/Wifi无线通讯模块；

所述主处理板上设有嵌入式ARM微处理器，总线驱动器，复杂可编程逻辑器件1（CPLD1），复杂可编程逻辑器件2（CPLD2），复杂可编程逻辑器件3（CPLD3），与嵌入式ARM微处理器连接的程序复位芯片，译码器，时钟芯片，存储器，A/D转换电路，精密运算放大电路，线性整流电路，16路模拟开关，16路模拟信号变送板端口，输入输出变送母板端口，与嵌入式ARM微处理器相连接的通讯接口，显示屏，操作按键；

所述模拟信号变送板由电压、电流传感器构成的无源取样电路和浪涌、雷击保护电路、线性电压调节电路，RC滤波网络构成；经传感器变比出的电压、电流信号，经保护、调节、滤波电路和模拟信号变送板端口与主处理板上的采样电路连接，所述采样电路由依次连接的模拟开关，精密运算放大电路，线性整流电路，精密线性可调电阻、RC滤波网络，A/D转换电路构成，其中，模拟开关通过模拟信号变送板端口与模拟信号变送板连接，A/D转换电路与嵌入式ARM微处理器连接；

所述采样电路的工作流程如下：变送出的AC0~5的电压、电流模拟信号经模拟开关，4片CD4051构成的16路采集通道，连接至精密运放AD620构成的放大、整形和滤波、调节电路，放大倍数1~100倍可调，滤波电路滤除50Hz以外的谐波分量后,信号送至LM358构成的线性整流电路（绝对值电路），整流出的线性脉动直流信号经精密线性可调电阻和RC网络构成的调节、滤波网络，送至A/D TL1549采样电路，通过A/D转换电路转换成数字信号送至嵌入式ARM微处理器，16路采集端口，接100K下偏电阻,用于防止采集通道不使用，管脚悬空而形成的漂移信号，影响其它通道采集精度。此电路结构简单、可靠，采集精度高（11位转换精度），适合50Hz工频电，采集通道可扩展性强，调试方便，简单（设有两个调节点）；

所述嵌入式ARM微处理器通过总线驱动器与复杂可编程逻辑器件1（CPLD1）连接，复杂可编程逻辑器件1（CPLD1）通过译码器与模拟开关连接，所述复杂可编程逻辑器件1（CPLD1）还连接时钟芯片和存储器，嵌入式ARM微处理器还通过控制总线和地址总线与复杂可编程逻辑器件1（CPLD1）直接连接，嵌入式ARM微处理器还通过地址总线与存储器连接；

所述复杂可编程逻辑器件1（CPLD1）还分别通过数据总线和控制总线与复杂可编程逻辑器件2（CPLD2）、复杂可编程逻辑器件3（CPLD3）连接，其中，复杂可编程逻辑器件2（CPLD2）与显示屏和操作按键连接，所述显示屏为LCD或是LED显示屏，通过复杂可编程逻辑器件2（CPLD2）编程实现多功能组合显示和键盘逻辑结构关系，显示内容如：三相电压、系统时钟、开关灯时间、站点编号、通讯状态显示和开关灯时间设置；

复杂可编程逻辑器件3（CPLD3）通过输入和输出电路、输入输出变送母板端口与输入输出变送母板连接，输出控制模块和输入开关量模块插拔安装在输入输出变送母板上；

所述无线通讯模块通过通讯接口与主处理板连接。

所述通讯接口为为RS232、RS485和RJ45通讯接口。

上述的的智能无线路灯控制器，软件采用KEIL公司的C51开发平台编写，支持实时多任务操作系统RTX51，复杂可编程逻辑器件（CPLD）采用美国XILINX公司的超大规模可编程逻辑器件XC9536,通过软件编程对硬件的结构和工作方式进行重构,使硬件设计如同软件设计一样方便快捷，程序复位芯片采用IMP813芯片，IMP813看门复位电路具有实时、稳定、易于修改等特点。同时控制软件也具有故障诊断功能，当程序死机、运行跑飞时，具有纠错、恢复功能的强大功能。路灯控制器硬件设计上，采用双重死机等故障诊断和恢复功能，并可靠的保证程序恢复后运行数据不丢失。

如图2所示，所述通讯模块为4G/NB-IoT/Wifi通讯模块，通讯模块有SIM卡插口，通讯模块与主处理板采用RS232接口通讯。所述通讯支持移动、电信和联通的无线网络及物联网连接，也能通过WiFi无线路由系统进行系统接入。监控中心服务器具有公网固定IP ，移动、电信和联通基站网络进入路灯监控中心服务器，是通过因特网（Internet）相连。智能无线路灯控制器，通过通讯设备登录移动网络后，通过网关与因特网接入，获得监控中心IP，建立访问因特网的通道。路灯监控中心通过因特网，与分布在全城的各智能路灯控制器，建立实时通讯, 监控中心可实时遥测、遥控、遥信、遥调分布在全城的路灯监控点的电压、电流、电气、开关灯等运行状态。监控软件根据遥测的数据自动分析当前路灯配电设备运行状况和亮灯情况,及时分析、预测故障。当发生故障时,监控主动发出声光报警，并发送报警短信到相关领导和工作人员的手机。监控中心可根据当天的天气状况和实际情况开关全城路灯。

如图3所示，所述模拟开关、精密运算放大电路、线性整流电路、A/D转换电路，采用输入电压DC5V，输出正负DC12V的DC/DC地线隔离电源供电；采用隔离电源可有效避免，采集电路遭受浪涌和雷电损坏时，影响主处理板工作。

本发明采用标准化安装，拆卸和维护简便，其中，输入输出变送母板和模拟信号变送板，安装在控制器机壳内，板上的接插端子从控制器开孔伸出，在机箱外部，机壳上详细标注了输入输出关系、接线符号。模拟信号变送板、输入输出变送母板采用PCB电路板专用的焊接式、密封型电气接插排端子。耐压AC 500V/10A，管脚间距5.08mm，符合国标电气标准。接插端子即具有端子和插接件两种特点，插座、插头可分离，具有良好的电气接触性能、密封性和绝缘强度。接插端子具有方向性，同时输入、输出和不同功能的端子采用不同位数，防止插错便于规范标注，安装、拆卸、维护时极为方便。可避免安装端子排，带来的安装麻烦如：接线凌乱，体积大等缺点。同时，路灯控制器外部采集和控制线多达有36根，如果采用外置端子排，因其不具备接插功能，安装和维修时要拆出所有接线，极易出错，时间久了很难理清线路，极易出线路故障。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：包括开关电源、主处理板、无线通讯模块、单灯集中管理模块、模拟信号变送模块、输入输出变送母板；

与主处理板连接的模块有：无线通讯模块、单灯集中管理模块、模拟信号变送模块、输入输出变送母板；

所述主处理板上有嵌入式ARM微处理器，与嵌入式ARM微处理器连接的有：复杂可编程逻辑器件CPLD、时钟IC、存储IC、A/D转换电路、精密运算放大电路、线性整流电路、RS232/RS485/RJ45接口电路、显示屏、操作键盘；

所述模拟信号变送模块由无源取样电路、抗浪涌抗雷击保护电路、线性整流电路、滤波网络电路构成；无源取样电路由电压、电流传感器构成；无源取样电路变比出的0~20mA电流信号，经I/V变换电路和滤波电路，再经模拟信号变送模块端口与主处理板上的采集电路连接，经滤波网络电路滤波后与ARM处理器相连；所述主板上的采集电路由模拟切换开关，精密运算放大电路和线性整流电路构成；

所述嵌入式ARM微处理器，通过数据总线与多个复杂可编程逻辑器件CPLD连接，该多个复杂可编程逻辑器件CPLD用于显示屏驱动、操作按键控制、输入输出变送母板端口控制；

所述无线通讯模块通过通讯接口与主处理板连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：所述操作按键为手工输入按键，与所述显示屏配合使用，能够查询电压、时间、编号状态信息和修改控制器时钟、日期、开关灯时间参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：所述精密运算放大电路、线性整流电路、A/D转换电路，由输入电压为DC5V，输出电压为正负DC12V的独立地线隔离电源供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：所述输入输出变送母板上包含输出控制模块，该输出控制模块包括光耦、二级管、三极管、继电器、压敏电阻、电阻。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：所述输入输出变送母板上包含输入开关量模块，该输入开关量模块包括光耦、二极管、稳压二级管、电阻、电解电容、三极管、压敏电阻、发光二级管。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：所述通讯接口为RS232、RS485、RJ45通讯接口。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的4G照明路灯智能控制器，其特征在于：所述RS232通讯接口、RS485通讯接口设有保护集成电路。