CN108668405A - 遥控器和手机可控的游泳池激光投射和彩色led射频灯光系统 - Google Patents

Abstract

本发明“遥控器和手机可控的游泳池激光投射和彩色LED射频灯光系统”主要由水面投射激光器和水下彩色LED混合灯具组、腕戴式射频遥控器和Wifi/433MHz射频桥接器组成。其灯具采用12V交流电驱动，并具有433MHz射频收发功能。用户即可以直接使用带在手腕上的射频遥控器在岸上或在泳池中即时控制水下的LED和水面的激光灯光器具组合，也可以使用智能手机上的下载的App经由Wifi通过桥接器将2.4GHz的Wifi信号转换成433MHz的射频信号来控制水下的射频灯具。灯具还附带有一个具有水密封性的接线盒，让已有老式泳池灯具用户可以继续使用现成的地下电缆快速方便地实现泳池灯具的更新换代，腕戴式遥控器还具有常规手表的计时和运动时卡路里的消耗计算显示功能。

Description

遥控器和手机可控的游泳池激光投射和彩色LED射频灯光 系统

所属技术领域

该发明涵盖了微处理器应用、UHF射频电波在跨越空气水面界面和水下传播的数字通讯技术、彩色LED装饰照明和水面激光投射、微电子控制技术、射频信号调制解调、太阳能集电充电储能应用、手机App、塑料部件水密封设计、传感器应用、穿戴式微电子系统集成等领域。具体体现在使用手机自带的Wifi功能和通过下载的App，经由Wifi/433MHz 浮标式桥接器控制水下的彩色LED射频灯具组、或由腕戴式射频遥控器直接控制水下的灯光、和水下彩色LED射频灯具带有水密封接线盒等特色。

技术背景

游泳池或其它水下装饰光照系统目前已由传统的白炽灯过渡到了节能环保的彩色LED 灯，而且绝大部分LED灯体仍然从传统的12Vac输出的交流变压器得到电源，并通过埋在地底下的二芯电缆传给水下的灯体。对于LED灯光的控制，有的产品简单地利用12V交流电源断开/闭合时序脉冲来发送灯控命令，代表性的水下灯体产品有Pentair的GloBriteColor Changing Light、Hayward的Universal ColorLogic Light，和Savi的Melody&SolLight。这类控制器典型的代表有Pentair的IntelliBrite Controller和EasyTouchController，其电源开/闭时序脉冲是由微处理器控制的继电器来实现的。极个别的也有采用四芯电缆(R、G、B三色和直流地)直接用脉冲调宽(PWM)对LED发光体进行驱动并相应调色调光的控制产品，“控制器加灯体”，澳大利亚Nellson Electric Co.的PAL，PCR-1产品就属于此类。Hayward 的灯控产品把电力线调制解调器(AQL-COLOR-MODHV)作为附件连接到它的游泳池控制器PL-PS-4上，直接把灯控命令耦合到110Vac电源线后传递到水下110Vac供电的灯头。该电力线调制解调器用RS-485总线和游泳池控制器相连，用户即可以使用控制器面板上的按键来控制灯光，也可以另外再连接一个附加的RF模块用遥控器来控制。Zodiac International开发了一款游泳池灯光控制器“Zodiac iAquanLink”，它使用Wifi和手机相连，用户通过手机上的App和Wifi来把灯光控制命令从手机传到控制器，然后控制器用上述12V 交流电源断开/闭合时序脉冲通过继电器来发送灯控命令到水下的灯体。SRSmith LLC的 PoolLux Premier采用FSK调制12V的交流电波形并通过地下二线电缆来传递灯控命令，其水下的LED灯可以用控制器面板上的按键或无线遥控器来控制水下LED灯的调色和亮度。

在以上所有的水下灯光控制系统中，有的灯光控制器必须依附于复杂笨重的游泳池控制设备，而这些设备往往又不能够提供对水下灯具友好方便的控制；有的灯光控制器必须使用不同于现行地下2芯电缆的4芯电缆、有的还要额外购买安装一个独立的灯光控制器等等。对于游泳池水下装饰照明灯具来说，目前市场上所有的灯具全部都带有一根几十英尺(最长的可达75英尺)长的电缆线，这不仅直接导致了单个灯具成本的飙升，而且也给灯具的换代升级带来昂贵和极为繁琐拆卸安装过程；虽然日常生活中激光的应用已经比较常见了，但是还没有加入到游泳池装饰性光学应用领域。本发明通过集成UHF波段中433MHz免执照的射频通讯电路到水下灯具，利用该波段能够从地面上穿透水面抵达水下2米深通讯节点的特点、结合Wifi通讯模块、太阳能面板、可充电锂电池、手机App和腕戴式射频遥控器，使水下灯光的控制随时垂手可得，并首次将激光集成到游泳池的装饰照明系统中。LED灯具上附加的电缆连接水密封盒可以有效地降低灯具升级换代的成本、还可以做到即换即装，免去了专业安装的需求，采用腕戴式遥控器和手机App控制的整个射频光照系统也极大地降低了控制单元的成本。

发明内容

本发明的水下装饰灯光系统如图1所示，主要由交流降压变压器10、地下2芯电缆11、安装在游泳池12边墙上的若干水下彩色LED灯具组14和水面装饰性激光投射器17、浮标式Wifi/433MHz射频桥接器15、下载有特定App的智能手机16和腕戴式射频遥控器13所组成，用户即可以用手机16、也可以用遥控器13发出射频信号对水下的射频彩色LED灯具14和漂浮在水面激光投射器17进行灯光调控。

以下结合附图来阐述该水下彩色LED射频灯光系统的工作原理。

图1是整个水下彩色LED射频光照体系的系统图。

图2是水下彩色LED射频灯具的机械结构图。

图3是腕戴式射频遥控器的电子系统框简图。

图4是浮标式Wifi/433MHz射频桥接器的电子系统框图。

图5是水下彩色LED射频灯的电子系统框图。

图6是腕戴式射频遥控器的电子系统框图。

图7是浮标式水面激光投射器的电子系统框图。

图8是浮标式水面激光投射器的结构简图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1显示了整个游泳池水下彩色LED射频灯光系统的组成。一般来讲，目前所有游泳池控制器都自带有12V交流电源的输出，对于已经安装了水下照明系统的用户来说，二芯地下电缆也是现成的。有鉴于此，本系统主要是由四个部分组成：一是水下彩色LED射频灯具组14、二是浮标式激光投射器17、三是Wifi/433MHz射频桥接器15、四是下载有特定 App的手机16和腕戴式射频遥控器13。用户即可以单独使用手机的专用App通过手机的触摸屏将光控信号通过Wifi送到漂浮或安装在游泳池12旁边的桥接器15。在桥接器15收到来自Wifi通道的控制信号后，它把信号频率降低成具有较强水穿透性的433MHz频率传给水下的LED射频灯具组14和浮标式激光投射器17。为了提高控制信号传递的可靠性和避免近邻的同频干扰，整个一点对多点的信号传递链是双向的。每个灯具都有一个唯一的标识码。在整个水下LED灯具组14和浮标式水面激光投射器17安装好后的第一次上电启动时，用户可以通过手机16或遥控器13输入系统灯具的总数“N”。然后手机16会发出一个局域组网的命令通过桥接器15或由遥控器13直接传给所有在433MHz射频范围内灯具。这些灯具不但包括用户自己池内的所有射频发光体(灯具组14和激光投射器17)，也可能包含了邻居家中相同的射频灯具。在所有射频范围内的灯具收到该命令后，它们会将自己的标识码和所收到的射频信号强度(本发明所使用的射频收发芯片具有“射频接收信号强度”探测功能和相关寄存器)通过桥接器传回给手机16，或直接传给遥控器13。手机16 或遥控器13只会将送回最强射频信号的“N”个灯具纳入组网，这样就过滤掉了较远的不相干的近邻灯具，从而有效地避免对近邻相同灯具的干扰。当用户需要从已经组网的灯具组中加装或减少灯具时，只要重复启动该组网命令就可。

图2是带有电缆连接的水密封盒的水下彩色LED射频灯具的结构图。相对于目前带有几十英尺长地下电缆的游泳池水下灯具，这种结构会极大地降低单个灯具的成本。其中20 是锁紧螺栓，用于在完成现成地下电缆2B和灯具自己的电缆29连接后(2A是连接点)拧紧密封盒塑料外套22防止外部的水渗入盒内造成电气上短路。21是外套22和灯体塑料圆筒体23之间的橡胶密封圈、28是灯具的电路总成、27是用于LED铝基板25的散热铝柱体、24是塑料灯头座、26是RGB混色镜片。图2中的下图展示了锁紧螺栓20和外套22 相对位置关系。

图3是腕戴式射频遥控器的结构和主控界面图，它由腕带33、嵌入腕带33里面的柔性太阳能集电带34和39、表盘35、可充电锂电池3C、脉搏传感器3D、触摸显示屏3A和电路总成3B组成。它的表盘整体是一个像三明治的迭层结构，表盘上显示的主控界面中的 31是进入主页的“Home”虚拟按钮、32是色彩模式选择虚拟按钮、30是灯具电源关/开虚拟按钮、35是页面右切换虚拟按钮、37是选色的调色板、35是页面左切换虚拟按钮。该遥控器有常规手表的计时功能，可当手表使用。它嵌入的脉搏传感器3D可以探测到手腕上的即时脉搏，然后由电路中微处理器根据使用者从触摸屏上输入储存的体重、性别、身高、游泳锻炼的时间长度计算出运动烧掉了多少卡路里，并将此数据显示在表盘的屏幕上。遥控器平时处于极其省电的休眠状态，当用户点击触摸屏时才会唤醒电路中的微处理器进入工作模式。

图4是Wifi/433MHz射频桥接器的电子系统框图，它日常由太阳能电池板45集电，然后通过充电管理器46对可充电锂电池47充电。来自电池4的电压经过直流电压转换电路48提供稳定的3.3伏直流电压给433MHz的射频电路41、Wifi模块43、和微处理器44供电。40和42分别是433MHz射频和2.4GHz频率Wifi的天线。桥接器的主要作用是双向转换Wifi和433MHz的无线电信号，这主要是因为2.4GHz的无线电波在水中转播衰减太大，在符合美国联邦无线通讯委员会(FCC)规定的Wifi发射功率下不可能穿透到1米深的水下，而波长较长的433MHz频率的无线电波穿透水的能力远超2.4GHz的Wifi频率，在符合FCC发射功率的标准下可达到2米的深度，这才为本发明提供了基础。该桥接器既可以绑上浮标和锚锭浮在游泳池的水面上，也可以固定在游泳池旁边的地面，或挂接在水面上游泳池的边墙上。桥接器里面的非晶硅的太阳能电池板即使在阴雨天也可以提供有效的电力让其正常工作。

图5是水下彩色LED射频灯的电子系统框图，它由地下二芯电缆供给12伏特的交流电，经过整流滤波55后供给大约13伏左右的直流电压，通过PWM(脉冲调宽)恒流驱动器 54来驱动三路RGB(红绿蓝)LED发光管53。DC/DC电压转换电路56把整流后的直流电压变成3.3伏的直流电压，供微处理器52和433MHz射频电路51使用，50是433MHz的射频天线。

图6是腕戴式射频遥控器的电子系统框图，它由柔性太阳能电池薄膜带64集电，然后由充电管理器65对可充电锂电池67充电，经由DC/DC电压转换电路68提供3.3伏的直流电压供应给微处理器66、OLED触摸显示屏62和433MHz射频电路61，60是芯片式433MHz 的射频天线，63是探测使用者脉搏的传感器。整个遥控器制造成全密封的、不可拆卸的、一次性消费电子产品。此遥控器除了可以对水下的彩色LED射频灯任意选色、调亮度、转换预先储存在灯具里的十几种光照模式和对灯光电源的开和关遥控操作外，还具有像普通手表一样的计时功能，也具有基于脉冲传感器的感应和预先输入的身体数据计算显示出用户游泳运动时消耗了多少卡路里的能力。

图7是浮标式水面激光投射器的电子系统框图，它由太阳能集电板74、充电管理电路 75、可充电锂电池76、DC/DC转换电路77、433MHz射频电路71，微处理器73、激光发光二极管阵列72和射频天线70组成。该装置所用的电力全部来自太阳能板74，通过充电管理器75对锂电池76充电，DC/DC转换电路77把电池的电压稳定成3.3V的直流电压提供给其它所有的电子元器件。该装置在使用时是漂浮在游泳池的水面上的，一来便于太阳能电池板集电，二是让该投射器有一定的距离和更好的角度可以把产生的激光图案从水面投射到池底。系统中的MCU73可以控制多个激光二极管阵列72，不同的发光管结合不同的光学镜片的折射，可以把非常丰富多彩的图案投射到游泳池的底部，这样朝向池底的投射角也在很大的程度上可以避免激光束直射到游泳者的眼睛的危险。

图8是浮标式水面激光投射器的结构简图，它也是一个迭层结构，分别由塑料外壳80、太阳能电池板85、可充电锂电池81、电子电路总成84、激光发光二极管阵列83和镜片组82构成。它可以漂浮在水面上，可以锚定在池中水面的某个地方。

Claims (9)

1.一个采用低于1GHz射频通讯技术的水下彩色LED灯光控制系统，其特征在于通过下载App的手机经由太阳能驱动的Wifi/433MHz射频桥接器、或通过腕戴式433MHz射频遥控器就可以直接控制带有相同频率射频电路的水下彩色LED灯具组和装饰性水面激光投射器。

2.根据权利要求1所述的任何双频或多频的无线电波频率桥接装置把高于1GHz的无线电频率转换成低于1GHz以下的无线电频率，其目的是为了取得更大的水下穿透深度，从而和水下的彩色或白色LED、装饰性激光器具或其它类型的射频发光灯具进行通讯，最终达到从地上、水面上或水下控制水下射频灯具的目的。

3.根据权利要求1和2所述的桥接器或类似装置可以锚定漂浮在游泳池的水面、挂在水面上的游泳池边墙或固定在游泳池旁边的地面上来对水下射频灯具进行降频转换。

4.根据权利要求所述的装饰性水面激光投射器或类似带有射频的发光装置可以锚定漂浮在游泳池的水面、采用太阳能供电、并把装饰性图案-无论是静态或动态的图案、投射到游泳池底以获得灯光照射的装饰性效果。

5.根据权利要求1所述的腕戴式遥控器工作于1GHz以下无线电频率，集传统手表计时功能、水下射频灯具的控制和卡路里消耗计算显示功能于一体，并采用柔性太阳能薄膜带提供遥控器所需要的电源。

6.根据权利要求1中所述的游泳池水下射频灯具或灯具组采用低于1GHz的频率的射频和水面上的遥控装置交换灯光控制信号。

7.根据权利要求1中所述的水下灯具附属带有电缆接线水密封盒，从而使水下灯具能够跟现有地下电缆连接。

8.根据权利要求1和4中所述的水面激光投射器和水下彩色LED灯具组构成一个可以互动的整体，以每个射频光源唯一的ID为节点，使遥控器或手机可以依据预先编好的程序让各个节点的光源可以有序地互动，特别是在激光投射和LED灯具组之间的互动。

9.根据权利要求1和5中所述的腕戴式遥控器集成了所有元器件，并最后注塑形成一次性的游泳池领域的消费电子产品。