CN111194115B - 基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，步骤包括：获取单相交流220V电源，调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电；控制电路实时收集电路数据与参考值进行比较，将指令传输至PWM调制电路，控制切换电路输出；物联网模块将收集的电路数据通过无线和有线的通讯方式，上传给本地和远程的用户控制终端，并根据用户操作指令，控制灯具的状态。本发明具有电路、网路故障隔离、网状拓扑无线自组网、无线通信功能，并且具有短路、过流、过载、过压、过温等灯具本体及其控制电路故障隔离，和无线通信网络故障隔离功能。

Description

基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法

技术领域

本发明属于铁路隧道照明技术领域，具体涉及一种基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法。

背景技术

现有铁路隧道照明系统还是一直沿用以支线电缆控制为基础的分段控制方式，隧道内除照明干线电缆外，还根据照明分段控制的需求设有照明支线电缆，通过对照明支线的控制实现隧道照明的分段控制，照明干线长度一般在1500米以内，照明支线长度在750米以内。这种控制方式导致了低压配电系统比较复杂；在进行巡视或检修作业时由现场人员只能在各个支线首末段的控制箱进行开关灯具操作，这种照明控制方式不够便利，控制不够精细，一次开灯数量较多，电能消耗大。同时，单个灯具损坏时无法实现单灯故障隔离，故障信息上报等操作，且影响同一回路其它灯具使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，解决了原有铁路隧道照明控制系统操作不便、控制不精、能耗较大等问题和缺陷。

本发明所采用的技术方案为：

基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：

所述方法通过以下步骤实现：

步骤一：获取单相交流220V电源，经电源故障检测隔离模块隔离后，依次通过电磁滤波整流电路、PFC电路、切换电路、隔离变压器和整流滤波电路调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电；

步骤二：控制电路实时收集电路数据与参考值进行比较，将指令传输至PWM调制电路，PWM调制电路根据指令值控制切换电路输出，构成闭环反馈实时调节回路；

步骤三：电源监测隔离模块、功率因数校正电路、控制电路和PWM调制电路均接入物联网模块并通信，物联网模块将收集的电路数据通过无线和有线的通讯方式，上传给本地和远程的用户控制终端，并根据用户操作指令，控制灯具的状态。

步骤一具体为：

获取单相交流220V电源，经电源故障检测隔离模块隔离后，经过电磁滤波整流电路变为220V半波波形，通过PFC电路进行功率因数校正后输出稳定的380V直流，在PWM信号的控制下输出380V方波交流，经过隔离变压器降压至50V方波交流，整流滤波电路调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电。

电源故障检测隔离模块输入端接入隧道照明干线，当发生短路、过载时断开回路，同时将故障信息通过物联网模块上传至远程监控中心。

本地和远程的用户控制终端给物联网模块发出开关灯指令，物联网模块收到命令后，通过PWM调制电路和切换电路控制灯具开、关。

步骤二中的电路数据通过电流、电压和温度检测元件采集；

电流检测元件串联在灯体的直流电源电路中；

电压检测元件并联在灯体的直流电源电路中；

温度检测元件所在的电阻回路则安装在灯体附近；电流、电压和温度检测元件均通过有线数据传输到控制电路。

PWM调制电路经光电耦合隔离模块将控制电路传输来的调制波，与物联网模块提供的三角载波进行调制，输出高低平脉冲给切换电路，控制其开通和关断时间即占空比。

切换电路根据PWM调制电路的控制指令，通过控制周期开关时间，得到调控后规律的单相380V交流方波电流。

物联网模块选用芯片PSoc，具有六个管脚：

5号管脚VCC接口与外部直流电源的正极相连，为物联网模块提供电源；

6号管脚GL接口与电源监测隔离模块相连，监控灯具故障并进行隔离和保护；

4号管脚AVDD接口与控制电路相连，实时接收控制电路采集到的各项电路数据，为后续数据实时上传给本地和远程的用户控制终端做准备；

3号管脚CX接口与PWM调制电路相连，输出开关灯命令；控制命令的来源包括：本地和远程用户控制终端的指令、物联网模块将采集的电路数据与参考阈值比较后的直接控制；

2号管脚P0接口与PWM调制电路相连，给PWM调制电路提供参考波形，即提供一个指定的三角载波，与调制电路输出的调制波进行比较；

1号管脚GND接口与接地线相连，使物联网模块形成一个闭合的回路，保障电气通路，同时将冲击电流导入大地，起到保护和工作接地的功能。

功率因数校正电路通过降压电路接入物联网模块，降低直流电压，为物联网模块提供可靠电源。

物联网模块设置有天线，通过无线射频信号与自组网内其它的物联网模块建立通信连接，完成数据和指令的中介和传输。

本发明具有以下优点：

本发明涉及一种新的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，具有电路、网路故障隔离、网状拓扑无线自组网、无线通信功能，并且具有短路、过流、过载、过压、过温等灯具本体及其控制电路故障隔离，和无线通信网络故障隔离功能。

铁路隧道内任意灯具间可以通过该分布式控制功能单元实现去中心化网状拓扑无线通信网络的自动组网，新增或更换灯具后，通过功能单元能够实现自动组网功能，现场无需进行网络设置。

本发明具有功能集成化、体积小、成本低等特点，与铁路隧道灯具一体化集成，直接接入隧道照明干线上，能够取消照明支线电缆及控制器，改进了低压配电系统结构，适用于铁路隧道单灯无线控制。

附图说明

图1是基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法结构示意图；

图2是调制电路及PWM切换电路原理图；

图3是物联网模块接口原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一：获取单相交流220V电源，经电源故障检测隔离模块隔离后，依次通过电磁滤波整流电路、PFC电路、切换电路、隔离变压器和整流滤波电路调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电；

步骤二：控制电路实时收集电路数据与参考值进行比较，将指令传输至PWM调制电路，PWM调制电路根据指令值控制切换电路输出，构成闭环反馈实时调节回路；

步骤三：电源监测隔离模块、功率因数校正电路、控制电路和PWM调制电路均接入物联网模块并通信，物联网模块将收集的电路数据通过无线和有线的通讯方式，上传给本地和远程的用户控制终端，并根据用户操作指令，控制灯具的状态。

步骤一具体为：获取单相交流220V电源，经电源故障检测隔离模块隔离后，经过电磁滤波整流电路变为220V半波波形，通过PFC电路进行功率因数校正后输出稳定的380V直流，在PWM信号的控制下输出380V方波交流，经过隔离变压器降压至50V方波交流，整流滤波电路调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电。

电源故障检测隔离模块输入端接入隧道照明干线，当发生短路、过载时断开回路，同时将故障信息通过物联网模块上传至远程监控中心。

本地和远程的用户控制终端给物联网模块发出开关灯指令，物联网模块收到命令后，通过PWM调制电路和切换电路控制灯具开、关。

步骤二中的电路数据通过电流、电压和温度检测元件采集，电流检测元件串联在灯体的直流电源电路中，电压检测元件并联在灯体的直流电源电路中，温度检测元件所在的电阻回路则安装在灯体附近。电流、电压和温度检测元件均通过有线数据传输到控制单元。

PWM调制电路经光电耦合隔离模块将控制电路传输来的调制波，与物联网模块提供的三角载波进行调制，输出高低平脉冲给切换电路，控制其开通和关断时间即占空比。

切换电路根据PWM调制电路的控制指令，通过控制周期开关时间，得到调控后规律的单相380V交流方波电流。

物联网模块具有六个管脚：

5号管脚VCC接口与外部直流电源的正极相连，为物联网模块提供电源；中间环节降压电路的作用是降低电压满足物联网模块的需求。

6号管脚GL接口与电源监测隔离模块相连，监控灯具故障并进行隔离和保护；

4号管脚AVDD接口与控制电路相连，实时接收控制电路采集到的各项电路数据，为后续数据实时上传给本地和远程的用户控制终端做准备；

3号管脚CX接口与PWM调制电路相连，输出开关灯命令；控制命令的来源包括：本地和远程用户控制终端的指令、物联网模块将采集的电路数据与参考阈值比较后的直接控制；

2号管脚P0接口与PWM调制电路相连，给PWM调制电路提供参考波形，即提供一个指定的三角载波，与调制电路输出的调制波进行比较；

1号管脚GND接口与接地线相连，使物联网模块形成一个闭合的回路，保障电气通路，同时将冲击电流导入大地，起到保护和工作接地的功能。

降压电路的作用是将降低直流电压，为物联网模块提供可靠电源。

物联网模块设置有天线，通过无线射频信号与自组网内其它的物联网模块建立通信连接，完成数据和指令的中介和传输。

本发明涉及的控制方法具有以下特点：

1、铁路隧道照明灯具间距最大可达30m，这种灯具分布式控制功能单元能够避免星型或半星型网络拓扑结构由于中心节点故障而产生网络崩溃的问题，这种方法可以避免个别功能单元出现故障而造成整个网络的瘫痪，传输距离可以达到20km左右。

2、任一该功能单元均可作为中心节点实现局域网与远程控制中心的通信。任意灯具间均可通过其控制功能单元实现隧道内网状拓扑无线通信网络内的通信。

3、该功能单元能够对灯具通过检测电流、电压、温度等信号，通过计算与判断，通过闭环控制回路实现对灯具电源的自动调整，当超过设定阈值时，也可直接切断弱电回路，实现对弱电回路的故障隔离。

4、灯具通过该功能单元能够对AC220V电源电流进行监测，当灯具整体短路、过流时，通过电源监测隔离模块实现对故障的隔离。

5、灯具通过该功能单元能够实现网络监测和网络故障隔离功能。

6、灯具通过该功能单元能够对电路和网络故障实现告警信号的自动上传。功能单元自带微型电源模块，能够确保即使电源断电，也能实现对故障告警信号的上传，及时通知监控中心，尽快排除故障。

7、灯具通过该功能单元能够具有唯一的地址码，从而方便对故障的精准定位和故障排除。

8、该功能单元具备灯具状态记忆和状态设定功能，以方便外部电源故障断电后，当电源恢复时能够使灯具维持断电前工作状态或使灯具保持在设定状态。

9、功能单元配有降压电路，向物联网模块提供直流电源。

10、功能单元能检测灯具电压、电流、温度等参数并对灯具运行状态评估，向远程监控中心和数据库上传信息，便于检修人员进行日常操作，故障维护和健康状态诊断。

11、功能单元具有闭环控制反馈调节的功能，稳定性高，能实现灯具电流的恒定供应。

参见附图对本发明的方法进行进一步的具体说明：

参见图1，本发明构建的控制系统包括电源监测隔离模块、电磁滤波整流电路、功率因数校正(PFC)电路、切换电路、隔离变压器、整流滤波电路、物联网模块、PWM调制电路、电压、电流及温度检测电路、控制电路、光电耦合隔离模块。

与隧道照明干线相连接口处的电源监测隔离模块作用是当电源或整个灯具发生短路、过载等故障时，断开灯具及功能单元回路，保护照明干线的安全。同时将故障信息通过物联网模块上传至远程监控中心。电源监测隔离模块可以选用基于微型断路器原理的自恢复保险丝或继电器，具有高分段能力。

电磁滤波整流电路的作用是获取铁路隧道照明干线中的单相220V交流电，经过桥式整流后变成规律的正半周期的半波电流，同时滤除谐波，输出至PFC电路。可以选用具有LC滤波器的单相IGBT桥式电路。

PFC电路的作用是根据其控制电路的指令，将半波电流变换成稳定可靠的380V直流电流，给切换电路供电。PFC电源可以选用L6562芯片。

切换电路的作用是根据PWM调制电路的调节和指令，通过调节电压后稳定电流，输出稳定规律的单相380V交流方波电流至隔离变压器的一次侧。可以选用单相IGBT桥式电路。

隔离变压器的作用是将一次侧单相380V交流电源降低至50V交流方波电流，为后续整流滤波电路做准备。同时实现与一次侧380V电源的隔离。可以选用PQ2620变压器。

整流滤波电路是将单相交流的方波电流变换成30~50V的恒定直流电流源，为灯具进行供电。同时电路中通过串联电感和并联电容，起到滤除谐波，减小系统波动的作用。可以选用具有LC滤波器的单相IGBT桥式整流器。

控制电路是功能单元维持平稳运行的核心组件，其作用是将实时收集到的电路数据与参考值进行比较，将指令传输至PWM控制电路。PWM控制电路根据指令值控制切换电路输出。因此构成了闭环反馈实时调节回路，维持系统稳定运行，平抑扰动和波动。控制电路可以选用LM2904芯片。

控制电路及PWM切换电路原理图如图2所示。具体控制步骤为：

本地或远程的用户控制设备给物联网模块发出开关灯指令，物联网模块收到命令后，通过PWM调制电路、切换电路控制灯具开、关；

功能单元中电流、电压、功率和温度检测电路实时采集电路和灯具功能单元的各项参数，同时将数据传输给控制电路。控制电路将实时数据与设置的参考值进行比较，经过控制电路得到高频状态下的方波调制波，输出给PWM调制电路。可以选用SY5882芯片。

PWM调制电路经光电耦合隔离模块将控制电路传输来的调制波，与物联网模块提供的三角载波进行调制，输出高低平脉冲给切换电路，控制其开通和关断时间即占空比。

切换电路根据PWM电路的控制指令，通过控制周期开关时间，得到调控后规律的单相380V交流方波电流。由此，实现了功能单元对LED恒流的闭环反馈实时调节功能。

电压、电流、功率、温度检测电路等均是高精度的互感器和检测器，实时采集电路中的数据并传输至调制电路。

隔离变压器和光电耦合隔离模块均能在灯具和功能单元发生故障时，起到强电与弱电之间的隔离功能，保护电路。光电耦合隔离模块可以选用EL817芯片。

物联网模块是整个功能单元的核心组件，是整个功能单元的控制器。它将收集的电路数据通过无线和有线的通讯方式，上传给本地和远程的用户控制终端。并根据用户操作指令，控制灯具的状态。同时，还具有电路系统的稳定性调节，以及故障和健康诊断的信息上传功能。物联网模块可以选用超低功耗射频可编程芯片PSoc。

上述物联网模块的接口原理图如图3所示。其具体的管脚功能为：

5号管脚VCC接口与外部直流电源的正极相连，作用是为通信模块提供电源。

6号管脚GL接口与灯具功能单元的电源进线侧的电源监测隔离模块相连，作用是在监控灯具故障，起到隔离和保护的功能。

4号管脚AVDD接口与控制电路相连，作用是实时接收控制电路采集到的各项电路数据，为后续数据实时上传给本地和远程的用户控制终端做准备。

3号管脚CX接口与PWM调制电路相连，输出开关灯命令。控制命令的来源包括：本地和远程用户控制终端的指令、物联网模块将采集的电路数据与参考阈值比较后的直接控制。

2号管脚P0接口与PWM调制电路相连，作用是给PWM调制电路提供参考波形，即提供一个指定的三角载波，与调制电路输出的调制波进行比较。三角载波由控制终端设定，若后期需要调光时，仅需改变三角载波的幅值即可。

1号管脚GND接口与接地线相连，作用是使芯片形成一个闭合的回路，保障电气通路。同时，可将一定范围内的冲击电流导入大地，起到保护和工作接地的功能。

此外，天线的作用是通过无线射频信号与自组网内其它的物联网模块建立通信连接，完成数据和指令的中介和传输。同时，通过无线通讯方式与网关建立可靠连接，进而实现与远程监控中心和移动终端的数据通信和控制指令传输，运行参数和故障信息上传，为检修人员进行日常操作，故障维护和健康状态诊断提供基础。

本发明应用于铁路隧道的应用场景，一体化集成后的灯具满足隧道照明特殊环境高效率、防腐蚀、防潮、防震、抗风压的要求，并通过风洞效应测试。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：

所述方法通过以下步骤实现：

步骤一：在铁路隧道内布设灯具，组成网状拓扑无线通信网络；获取单相交流220V电源，经灯具故障监测隔离模块隔离后，依次通过电磁滤波整流电路、PFC电路、切换电路、隔离变压器和整流滤波电路调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电；

步骤二：控制电路实时收集电路数据与参考值进行比较，将指令传输至PWM调制电路，PWM调制电路根据指令值控制切换电路输出，构成闭环反馈实时调节回路；

步骤三：灯具故障监测隔离模块、PFC电路、控制电路和PWM调制电路均接入物联网模块并通信，物联网模块将收集的电路数据通过无线和有线的通讯方式，上传给本地和远程的用户控制终端，并根据用户操作指令，控制灯具的状态；灯具故障监测隔离模块输入端接入隧道照明干线，当发生短路、过载时断开回路，同时将故障信息通过物联网模块上传至远程监控中心；

物联网模块选用芯片Psoc，具有六个管脚：5号管脚VCC接口与外部直流电源的正极相连，为物联网模块提供电源；6号管脚GL接口与灯具故障监测隔离模块相连，监控灯具故障并进行隔离和保护；4号管脚AVDD接口与控制电路相连，实时接收控制电路采集到的各项电路数据，为后续数据实时上传给本地和远程的用户控制终端做准备；3号管脚CX接口与PWM调制电路相连，输出开关灯命令；控制命令的来源包括：本地和远程用户控制终端的指令、物联网模块将采集的电路数据与参考阈值比较后的直接控制；2号管脚P0接口与PWM调制电路相连，给PWM调制电路提供参考波形，即提供一个指定的三角载波，与调制电路输出的调制波进行比较；1号管脚GND接口与接地线相连，使物联网模块形成一个闭合的回路，保障电气通路，同时将冲击电流导入大地，起到保护和工作接地的功能。

2.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：步骤一具体为：获取单相交流220V电源，经灯具故障监测隔离模块隔离后，经过电磁滤波整流电路变为220V半波波形，通过PFC电路进行功率因数校正后输出稳定的380V直流，在PWM信号的控制下输出380V方波交流，经过隔离变压器降压至50V方波交流，整流滤波电路调整为电压30V至50V可调的直流恒流源，向灯具供电。

3.根据权利要求2所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：本地和远程的用户控制终端给物联网模块发出开关灯指令，物联网模块收到命令后，通过PWM调制电路和切换电路控制灯具开、关。

4.根据权利要求3所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：步骤二中的电路数据通过电流、电压和温度检测元件采集；电流检测元件串联在灯体的直流电源电路中；电压检测元件并联在灯体的直流电源电路中；温度检测元件所在的电阻回路则安装在灯体附近；电流、电压和温度检测元件均通过有线数据传输到控制电路。

5.根据权利要求4所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：PWM调制电路经光电耦合隔离模块将控制电路传输来的调制波，与物联网模块提供的三角载波进行调制，输出高低平脉冲给切换电路，控制其开通和关断时间即占空比。

6.根据权利要求5所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：切换电路根据PWM调制电路的控制指令，通过控制周期开关时间，得到调控后规律的单相380V交流方波电流。

7.根据权利要求6所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：PFC电路通过降压电路接入物联网模块，降低直流电压，为物联网模块提供可靠电源。

8.根据权利要求7所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明灯具分布式控制方法，其特征在于：物联网模块设置有天线，通过无线射频信号与自组网内其它的物联网模块建立通信连接，完成数据和指令的中介和传输。

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