CN108174500B - 基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，包括灯具、终端控制器、集中控制器、上位机和水流管TEG模块；其中，所述灯具和终端控制器有多个，每一个灯具上都安装了一个终端控制器，控制灯具的开关并向集中控制器反馈相应数据，集中控制器通过对隧道内部车流量数据、洞口内外亮度的采集，向上位机反馈采集的数据，并且将上位机的命令下达至终端控制器，完成对各个灯具的工作状态的设置，水流管TEG模块是整个系统的电源。本发明设计的照明控制系统可实现对隧道灯具的实时监测、控制和管理，对各设备运行数据的记录和分析，从而保证隧道照明灯具高效、准确的运行以及隧道的安全运营，具有良好的应用前景和市场价值。

Description

基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统

技术领域

本发明涉及照明控制领域，具体涉及一种基于自供电的隧道照明控制系统。

背景技术

现有技术中隧道照明控制系统通过电力线载波通信，英文简称PLC(Power LineCommunication)，是利用电力线载波实现信息传递的通信方式的统称。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传输，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备。但是存在只有有线载波，通信速度慢，可靠性差的缺点，并且隧道的地理位置多建在山区或海拔高的山脉地段，自然资源丰富，没有利用自然能源供电。

中国专利CN201310028843.8公开了一种隧道照明加安保系统，所述系统包括控制中心、照明系统、信号灯和指示警报器；构造简单，智能节能，照明系统分为长明灯加感应灯，有效的节约了电能，但是该系统的供电系统不能实现自供电，没有利用自然资源；专利CN201110175994.7公开了一种隧道交通的LED照明控制系统，该系统可根据实际情况，调整不同的照明模式，已达到最佳照明效果和最佳节能效果，但是并没有实现载波无线的双模通信。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，包括灯具、终端控制器、集中控制器、上位机和水流管TEG模块；其中，灯具和终端控制器有多个，每一个照明灯具的灯座上都安装了一个终端控制器，负责灯具的开关控制，同时向集中控制器反馈灯具的运行参数；集中控制器收集车流量、隧道内外亮度值的实时数据，并完成与上位机和终端控制器的信息交互；上位机为人机接口，完成整个系统的控制。

整个控制系统的电源均由被埋置在隧道路基下的集热管下方的水流管TEG模块供给，水流管TEG模块由多个TEG组成，水流管TEG模块应用的TEG型号为TGM-199-2.0-1.2，尺寸为62mm*62mm。上位机包括系统设置模块、数据通信模块和数据管理模块。集中控制器包括控制模块、双模通信模块和数据采集模块，通过电力线载波无线双模通信将各个终端控制器连接起来组成网络；集中控制器的控制模块采用STM32型号的数字信号处理器芯片，双模通信模块采用LME2981芯片实现电力线载波无线双模通信，数据采集模块采用车辆检测器和亮度传感器；集中控制器的车辆检测器是基于电磁线圈的传感器电路，包括耦合振荡电路、环行线圈以及调理整形电路，通过检测耦合电路的震荡频率来判断车流量信息。终端控制器包括控制模块、双模通信模块和监控模块；控制模块采用STM32型号的数字信号处理器芯片，双模通信模块采用LME2981芯片实现电力线载波无线双模通信，监控模块采用CS5460作为灯具的电参数测量芯片。

使用基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统的方法，其特征在于：

步骤一：上位机通过泵将隧道外部吸收太阳能的水传送至集热管中，间接将热量传递到水流管TEG模块的热端，水流管TEG模块的冷端接触温度较低的地下水，从而形成水流管TEG模块的冷端和热端的温差，根据Seebeck效应，产生电势；

步骤二：上位机通过对整个控制系统的参数和通信端口进行设置，对终端控制器进行管理，查看照明灯具控制系统的实时数据和历史数据，实现对各个灯具的监控，并向集中控制器发送指令，同时接受上传来的数据信息；

步骤三：集中控制器将数据采集模块采集到的数据送入控制模块，STM32处理器将信息传送至上位机，上位机按照事先设定好的方案将命令通过双模通信模块传送至终端控制器，并将相关数据存储在STM32处理器中，STM32处理器与上位机进行串口通信，上位机从而实现定时读取数据；

步骤四：若无事先设定好的方案，集中控制器则将采集的数据上传至上位机，由工作人员设定相应的方案并下传至终端控制器；

步骤五：终端控制器对灯具进行统一的控制或者对单个灯具进行单一控制，采集灯具运行的数据，根据采集的数据和系统设置可判断出灯具的运行状况和故障情况，在终端控制器因意外情况出现异常时，可接受上位机的远程复位命令，使终端控制程序初始化，重新运行，终端控制器通过双模通信技术，定时或者随机向上位机反馈灯具运行状况数据，当检测到停电或不符合灯具控制方案的严重故障时，自动向上位机发出警报，从而保证故障响应的实时性。

本发明的有益效果：

1、整个系统的电源均有水流管TEG模块供给，利用自然资源实现自供电，有效的节约了能源；

2、通信模块实现载波无线双模通信，使得通信的时效性和可靠性大大提升；

3、可实现对隧道灯具的实时监测、控制和管理，对各设备运行数据的记录和分析，从而保证隧道照明灯具高效、准确的运行以及隧道的安全运营；

4、照明控制系统可根据终端控制器收集到的车流量数据控制灯具的开关，即在有车辆进入隧道时，为车前进的部分照明，无车的隧道部分不进行照明，大大减少隧道灯具的电力消耗；

5、上位机直接可以监测所有灯具照明情况，以及后期检修工作的便利，省去人工的巡检，大大减少隧道工程运行的工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于自供电的隧道照明系统示意图；

图2是电源系统埋置的隧道侧截面示意图；

图3是水流管TEG模块发电示意图；

图4是控制系统的结构连接示意图；

附图标记：1、灯具；2、终端控制器；3、集中控制器；4、上位机；5、水流管TEG模块；11、隧道；12、路面；13、路基；14、集热管；15、地下水管道；21、水流管TEG模块的热端；22、水流管TEG模块的冷端；23、单个TEG；24、电流方向；31、耦合电路；32、载波无线收发电路；33、LME2981芯片；34、AT89C51存储器；35、检测电路；36、继电器控制电路；37、车辆检测器；38、光强度检测器。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的系统及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

本实施例主要介绍一种基于自供电的隧道照明系统的基本构成。

如图1所示的是一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，包括灯具1、终端控制器2、集中控制器3、上位机4、水流管TEG模块5；其中，灯具和终端控制器有多个，灯具和终端控制器相连，终端控制器和集中控制器相连，集中控制器和上位机相连；每一个照明灯具的灯座上都安装了一个终端控制器负责灯具的开关控制，同时向集中控制器反馈灯具的运行参数；集中控制器收集车流量、隧道内外亮度值的实时数据，并完成与上位机和终端控制器的信息交互；上位机为人机接口，完成整个系统的控制，水流管TEG模块提供整个系统的电源。

实施例二

本实施例是在前述实施例一的基础上进行的，主要介绍水流管TEG模块作为电源系统埋置的隧道侧截面示意图和水流管TEG模块自供电的原理以及技术方案。

隧道内部的水流管TEG模块的埋置方法如图2所示，11表示一段隧道，路基13埋在隧道路面12的正下方，集热管14埋在路基13下，15为路基下的地下水管道，5是水流管TEG模块埋置在集热管14和地下水管道15之间。

如图3所示即为水流管TEG模块5的内部结构，它是由很多对PN结23串联所得，利用Seebeck效应，产生电势，因此称其为TEG(Thermoelectric Generation)。水流管TEG模块的工作原理为：水流管TEG模块的热端21与图2所述集热管14相联，水流管TEG模块的冷端22与图2所述地下水管15相联；图3中右图为左图PN结23的放大图，24为水流管TEG模块的热端21与冷端22产生温差时内部电流的方向。图2中的水流管TEG模块5就相当于此段隧道的电源，为其照明控制系统提供工作电源。

集热管为热水流管，因为在没有光照的隧道中很难有显著的温差产生，集热管将隧道外部路段吸收的太阳能传导至比热容大的水中，上位机通过泵将吸收太阳能的热水传送至集热管中，温度平均可以达到200℃，间接将热量传递到水流管TEG模块的热端；对于水流管TEG模块的冷端，直接接触地下水管，地下水的温度只有几至十几摄氏度，温度常年处在非常低的水平，水流管TEG模块的热端和冷端的温差可达180℃；本设计应用的TEG型号为TGM-199-2.0-1.2，尺寸为62mm*62mm，其材料热端最高耐温260℃，当其冷端Tcool＝30℃，热端Thot＝200℃时，单个TEG产生的电压Uout＝4.10V，Iout＝2.80A，因此产生的功率P＝11.48W，热电输出由温差决定，温差稳定时，热电输出稳定。该TEG的发电效率很高，成本较低，适用大范围的应用。假设单个TEG一天8h持续产生11.4W的电力，如果每一平米埋设一个TEG，那么在一个长1km宽5米的双车道隧道中可产生电力约为456kWh，能够充分完成隧道的电力需求，而在照明控制系统中，各个模块的电力需求均为中低水平，其照明控制系统各模块工作参数表1所示：

表1照明控制系统各模块的工作参数表

隧道灯具的功率一般在150W-250W，地面的诱导灯的功率更小，只需要几瓦的电量，因此该热电系统完全可以实现隧道诱导灯持续照明。

实施例三

本实施例是在前述实施例一或二的基础上进行的，主要介绍照明控制系统的结构，以及它们的技术方案。

如图4是照明控制系统的结构连接示意图，水流管TEG模块5提供整个系统所需的电能；集中控制器的数据采集模块的车辆检测器37和光强度检测器38将采集到的数据送入控制模块的STM32型号的芯片AT89C51处理器34中，然后将信息通过载波无线收发电路32和耦合电路31传送到上位机4中，在这个过程中，使用LME2981芯片33实现双模通信；上位机4可以向各个继电器控制电路36发出指令，从而控制灯具1的开关，上位机也是通过载波无线收发电路32和耦合电路31传送信息，并且使用LME2981芯片33实现双模通信，AT89C51处理器34存储相关信息；终端控制器控制模块同样采用AT89C51处理器34存储检测电路35对每一个灯具1进行统一检测的数据从而控制灯具，终端控制器也是通过LME2981芯片33实现载波无线双模通信，通过载波无线双模收发电路32和耦合电路31将数据传输到集中控制器和上位机中。

上位机是一套能够发送单个或者全部照明灯具开关命令、对路灯故障情况进行报警和读取、显示各个照明灯具工作状态的设备。上位机包括系统设置模块、数据通信模块、数据管理模块；上位机可以实现对系统参数、通信端口的设置，对终端控制器进行管理，查看照明灯具控制系统的实时数据和历史数据，实现对各个灯具的监控，并通过信息传输接口向各集中器发送指令，同时接受上传来的数据信息。

集中控制器通过电力线载波无线双模通信技术将各个终端控制器连接起来组成网络，并通过信息传输接口与上位机相连，通过信息传输接口接受上位机的指令或者将终端控制器的数据上传给上位机；集中控制器的硬件包括控制模块、双模通信模块、数据采集模块；集中控制器的工作流程是：集中控制器将数据采集模块采集到的数据送入控制模块，STM32处理器将信息传送至上位机，上位机按照事先设定好的方案将命令通过双模通信模块传送至终端控制器，并将相关数据存储在STM32处理器中，STM32与上位机进行串口通信，上位机从而实现定时读取数据。

下面对集中控制器的三个模块进行详细说明：

控制模块拟采用意法半导体(ST)公司生产的STM32型号的芯片作为微处理器，STM32系列单片机是一款高性能的数字信号处理器芯片，硬件电路设计简单，通讯功能强，具有很高的性价比，由于该系列单片机丰富的资源、高速处理性能、优良的可靠性、稳定性和精确性等，所以优先选择该系列的单片机。该芯片的优越性能，可支持集中控制器实现传感器数据的采集及预处理、实时数据的存储、与上位机进行串口通信及与终端控制器进行电力线载波/无限双模通信的灵活切换。

双模通信模块包括采用力合微电子生产的LME2981芯片、载波无线收发电路和耦合电路，实现电力线载波/无线双模通信，该芯片为信息的传递提供了电力线与无线两种通信信道，可实现两种通信技术的混合使用，使得通信的时效性和可靠性得以最大程度的提升。

传感器数据采集模块该模块主要采用车辆检测器及亮度传感器，采集进入隧道的车流量、隧道内外光强亮度数据存储到LME2981芯片中，根据进入隧道的车流量及隧道内外光强亮度的数据，针对不同情况对照明灯具进行开关控制。利用基于电磁线圈的车辆检测传感器来采集车流量信息。该传感器电路包括耦合震荡电路、环形线圈和调理整形电路，通过检测耦合电路的振荡频率来判断车流量的信息。

终端控制器包括控制模块、双模通信模块、监控模块。其中，控制模块和双模通信模块同集中控制器的构造相同；监控模块拟采用CS5460作为灯具的电参数测量芯片，该芯片不仅可以精确测量和计算电流、电压有效值，还自带瞬时电流检测功能，可以通过监测灯具照明状态下的瞬间电流情况，进行灯具故障判断。终端控制器软件主要实现开关灯控制功能，即对所控制的灯具进行统一的控制或者对单个灯具进行统一控制；灯具运行数据采集功能，主要检测电流、电压、用电量等数据，根据采集的数据和系统设置可判断出灯具的运行状况和故障情况；复位功能，在终端控制器因意外情况出现异常时，可接受上位机的远程复位命令，终端控制程序初始化，重新运行，提高系统的可靠性；数据通信功能，终端控制器通过双模通信技术，定时或者随机向上位机返回灯具运行状况数据；故障自动上报功能，当检测到停电及不符合灯具控制方案等严重故障时，自动向上位机发出警报，从而保证故障响应的实时性。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。本发明中未进行特殊说明或限定的部分，均采用现有技术实施。

Claims (8)

1.一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：包括灯具（1）、终端控制器（2）、集中控制器（3）、上位机（4）和水流管TEG模块（5）；其中，所述灯具和终端控制器有多个，每一个照明灯具（1）的灯座上都安装了一个终端控制器（2），负责灯具的开关控制，同时向集中控制器反馈灯具的运行参数；所述集中控制器（3）收集车流量、隧道内外亮度值的实时数据，并完成与上位机（4）和终端控制器（2）的信息交互；所述上位机（4），为人机接口，完成整个系统的控制；

在隧道的隧道路面（12）正下方埋设有路基（13），所述水流管TEG模块（5）埋置于隧道路基（13）下的集热管（14）与隧道路基（13）下的地下水管道（15）之间，所述水流管TEG模块（5）的内部结构是由多对PN结（23）串联所得，所述水流管TEG模块（5）具有热端（21） 和冷端（22），所述水流管TEG模块的热端（21）与所述集热管（14）相联，所述水流管TEG模块的冷端（22）与所述地下水管道（15）相联，所述水流管TEG模块（5）能够为其隧道照明控制系统提供工作电源。

2.根据权利要求1的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：整个控制系统的电源均由被埋置在隧道路基下的集热管（14）下方的水流管TEG模块（5）供给，水流管TEG模块（5）由多个TEG组成，水流管TEG模块（5）应用的TEG型号为TGM-199-2.0-1.2，尺寸为62mm*62mm。

3.根据权利要求2的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：所述上位机（4）包括系统设置模块、数据通信模块和数据管理模块。

4.根据权利要求3的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：所述集中控制器（3）包括控制模块、双模通信模块和数据采集模块，通过电力线载波无线双模通信将各个终端控制器（2）连接起来组成网络。

5.根据权利要求4的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：所述集中控制器（3）的控制模块采用STM32型号的数字信号处理器芯片，双模通信模块采用LME2981芯片实现电力线载波无线双模通信，数据采集模块采用车辆检测器和亮度传感器。

6.根据权利要求5的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：所述集中控制器（3）的车辆检测器是基于电磁线圈的传感器电路，包括耦合振荡电路、环行线圈以及调理整形电路，通过检测耦合电路的震荡频率来判断车流量信息。

7.根据权利要求6的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统，其特征是：所述终端控制器（2）包括控制模块、双模通信模块和监控模块；控制模块采用STM32型号的数字信号处理器芯片，双模通信模块采用LME2981芯片实现电力线载波无线双模通信，监控模块采用CS5460作为灯具的电参数测量芯片。

8.使用权利要求7的一种基于自供电的载波无线双模通信的隧道照明控制系统的方法，其特征是：

步骤一：所述上位机（4）通过泵将隧道外部吸收太阳能的水传送至集热管中，间接将热量传递到水流管TEG模块的热端（21），水流管TEG模块的冷端（22）接触温度较低的地下水，从而形成水流管TEG模块的冷端和热端的温差，根据Seebeck效应，产生电势；

步骤二：所述上位机（4）通过对整个控制系统的参数和通信端口进行设置，对终端控制器进行管理，查看照明灯具控制系统的实时数据和历史数据，实现对各个灯具（1）的监控，并向集中控制器（3）发送指令，同时接受上传来的数据信息；

步骤三：所述集中控制器（3）将数据采集模块采集到的数据送入控制模块，STM32处理器将信息传送至上位机（4），上位机（4）按照事先设定好的方案将命令通过双模通信模块传送至终端控制器（2），并将相关数据存储在STM32处理器中，STM32处理器与上位机进行串口通信，上位机从而实现定时读取数据；

步骤四：若无事先设定好的方案，集中控制器（3）则将采集的数据上传至上位机，由工作人员设定相应的方案并下传至终端控制器（2）；

步骤五：所述终端控制器（2）对灯具（1）进行统一的控制或者对单个灯具进行单一控制，采集灯具运行的数据，根据采集的数据和系统设置可判断出灯具的运行状况和故障情况，在终端控制器（2）因意外情况出现异常时，可接受上位机（4）的远程复位命令，使终端控制程序初始化，重新运行，终端控制器（2）通过双模通信技术，定时或者随机向上位机反馈灯具（1）运行状况数据，当检测到停电或不符合灯具控制方案的严重故障时，自动向上位机发出警报，从而保证故障响应的实时性。