CN203775460U - 一种面向路灯物联网的节点控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种面向路灯物联网的节点控制器，包括：控制主板、电源模块以及外壳，其中：控制主板包括主控单元、通信接口以及功能模块，主控单元通过通信接口与功能模块连接；功能模块包括：存储模块、调光模块、无线通信模块、PLC通信模块和电表功能模块以及继电器控制模块。该节点控制器不仅使LED路灯远程监控能力得到了很大程度的提升，能够实时监控每盏路灯的状态，以及时解决路灯故障，而且通过开放接口实现了与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，扩展了路灯网络的功能，使路灯物联网在监控路灯状态的同时，还能监控道路环境的其他状态，使路灯网络成为智慧城市物联网的基础网络平台，发挥了路灯物联网的最大效益。
Description
技术领域
本实用新型涉及智慧照明技术领域，更具体的说，是涉及一种面向路灯物联网的节点控制器。
背景技术
目前在世界范围研发的LED路灯控制器具有可控开关和调光功能，如图1所示，图1为现有技术中LED路灯控制系统结构示意图，每一盏路灯上安装一个节点控制器，节点控制器通过有线方式与集中控制器进行连接，集中控制器再通过无线网络与后台连接。有线方式传输距离通常从十几米到一百多米之间，数据传输速率低于100kbps，无线网络的传输距离可达到一千多米，数据传输速率从100kbps到7.2Mbps之间。在监控端，可以采用PC(PersonalComputer，个人计算机)、平板电脑或手机等进行监控。
但是，现有的路灯控制器等仅是针对路灯的单一管理，其他接口并不开放，虽然部署了大量的路灯专用监控网络，但是不能与智慧城市的其他智能网络进行有效的连接，未能发挥城市基础网络建设的最大效益。而且，采用单一的电压或电流调光方式，调光范围不够大，单一的调光方式不够稳定，节能效果不够明显，每个单一的节点控制器采用GPRS进行后台通信的方式往往要付出高昂的费用，并且GPRS与手机使用相同的网络，容易受到周围手机用户的干扰，可靠性和稳定性都不好，在信号差的地方经常会出现通信中断的情况，影响路灯的正常使用。此外，现有的路灯控制器仅仅为了路灯的管理，并难以与路灯物联网的其他节点进行组网通信，不利于部署智慧城市的无线传感网络。
基于上述现有技术存在的缺点，如何提供一种面向路灯物联网的节点控制器，在实现对LED路灯进行监控的同时，能够把无线传感网络中的其他传感器终端节点进行连接，是本领域技术人员急需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种面向路灯物联网的节点控制器，以克服现有技术中的节点控制器仅是针对路灯的单一管理，不能与其他智能网络有效连接导致不能发挥城市基础网络建设最大效益的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种面向路灯物联网的节点控制器，包括：控制主板、外壳和集成于所述控制主板上的电源模块，其中：
所述控制主板包括主控单元、通信接口以及各功能模块，所述主控单元通过所述通信接口与各功能模块连接；
所述各功能模块包括：存储模块、调光模块、无线通信模块、PLC通信模块和电表功能模块以及继电器控制模块。
优选的，还包括通过通信接口与所述主控单元连接的LED显示屏。
优选的，所述外壳为铝合金外壳。
优选的，所述主控单元包括具有PWM输出功能的基于8051内核的单片系统芯片和辅助电路。
优选的，所述无线通信模块包括6LoWPAN通信芯片和发射天线。
优选的，所述通信接口包括：SPI接口、UART接口、GPIO接口、PWM接口和I2C接口。
优选的，所述存储模块通过I2C接口与所述主控单元连接；
所述调光模块通过PWM接口与所述主控单元连接；
所述无线通信模块和PLC通信模块通过UART接口与所述主控单元连接；
所述电表功能模块通过SPI接口与所述主控单元连接；
所述继电器控制模块通过GPIO接口与所述主控单元连接。
优选的，所述电源模块包括：AC/DC模块和DC/DC模块。
优选的，所述电源模块包括：蓄电池和DC/DC模块。
优选的，所述调光模块采用大功率MOS管控制。
经由上述的技术方案可知，本实用新型公开了一种面向路灯物联网的节点控制器，该节点控制器是基于电力载波PLC通信以及6LoWPAN无线自主网络进行研发的路灯物联网节点控制器，采用6LoWPAN无线网络的路灯物联网节点控制器具有功耗低、通信速率高、网络稳定、自动联网等特点，同时其最大好处是易于连接互联网，并通过开放接口与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，把路灯物联网打造成为智慧城市中的基础网络平台。与现有技术中的控制器相比，首先是LED路灯远程监控能力的提升，能够实时监控每盏路灯的状态，一旦发生故障能及时得到解决；其次，通过开放接口实现了与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，扩展了路灯网络的功能，使路灯物联网在监控路灯状态的同时，还能监控道路环境的其他状态（如温度、湿度、空气质量，人流、车辆交通流量，或市政井盖等），使路灯网络成为智慧城市物联网的基础网络平台，发挥了路灯物联网的最大效益。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中LED路灯控制系统结构示意图；
图2为本实用新型公开的一种面向路灯物联网的节点控制器的结构示意图；
图3为本实用新型实施例一公开的一种控制主板的结构示意图；
图4为本实用新型实施例二公开的一种控制主板的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
现有的路灯控制器等仅是针对路灯的单一管理，而不能与智慧城市的其他智能网络进行有效的连接，未能发挥城市基础网络建设的最大效益。有鉴于此，本实用新型提供了一种面向路灯物联网的节点控制器以解决上述现有技术问题，具体实施方案如下所述。
实施例一
本实用新型提供了一种面向路灯物联网的节点控制器，如图2所示，图2为本实用新型公开的一种面向路灯物联网的节点控制器的结构示意图，该节点控制器包括：控制主板201、集成于控制主板201上的电源模块202以及用于封装控制主板201、电源模块202的外壳203。
需要说明的是，本实用新型使用的外壳203为铝合金外壳，全密封设计，具有防护等级达到IP67的防潮防尘功能，能够保证该节点控制器在外界环境下不易受损坏，保证了其使用寿命。
本实用新型使用的电源模块202集成在路灯物联网节点控制器主板上，其形式可以多样化，可以采用交流电源进行供电，也可以采用蓄电池进行供电，在此不作限制，可以根据具体情况进行选择。当采用交流电进行供电时，该电源模块包括AC/DC（Alternating current/Direct current，交流/直流）模块和DC/DC（Direct current/Direct current，直流/直流）模块两部分，用以将220V交流电源转化成5V和3.3V直流电源，来给控制器内部电路提供电源。通过对市用交流电进行整流输出稳定直流电压电流供LED路灯使用，使LED路灯发光稳定无闪烁。该电源模块能够在复杂的环境下正常工作，并输出稳定的直流电源，能够适应180V～270V交流的宽电压输入，并输出5V和3.3V的直流电源。当采用蓄电池进行供电时，该电源模块包括蓄电池和DC/DC模块，DC/DC模块将蓄电池输出的电流稳压为5V和3.3V直流电，来给控制器内部电路提供电源。
如图3所示，图3为本实用新型实施例一公开的一种控制主板的结构示意图，该控制主板包括主控单元301、通信接口以及功能模块，主控单元301通过通信接口与功能模块连接。
主控单元301包括具有PWM输出功能的基于8051内核的单片系统芯片和辅助电路，主要功能是处理后台发送过来的各种控制命令，通过GPIO接口输出控制信号，同时还可以输出PWM波形用于调节LED路灯亮度。其具有内部存储空间，能够接收后台数据并处理控制指令，具有PWM输出功能，控制LED路灯亮度，具有在线系统升级功能。进一步的，主控单元还具有数据处理和数据上报功能，能够将突发数据提高优先级进行上报处理。
主控单元通过UART接口接收到无线通信模块或PLC通信模块的数据时执行接收处理程序，首先对接收到的数据报文进行校验，如果校验出错则丢弃报文，如果报文校验正确则进行报文头部的地址码检验，如果不是本控制器对应的地址码则丢弃报文，否则进行报文头部功能代码的分析，如果是控制命令码则进行路灯物联网的控制操作，如果是调节命令则进行路灯物联网的调光操作，查询命令则返回相应的数据。
路灯物联网节点控制器产生的数据分为常规数据和突发数据两种，常规数据主要包括电压、电流、功率因素、电能表、灯具状态等，突发数据主要包括各种线路故障信息、灯具故障信息、内存错误信息、报警信号等各类故障信息。对于常规数据采用定时上报的方法，对于突发数据采用实时上报的方法。程序中采用两个发送缓冲队列，常规数据缓冲队列和突发数据缓冲队列，其中突发数据缓冲队列具有较高的优先级，数据上报处理程序会优先发送突发数据。
需要说明的是，通信接口包括SPI接口、UART接口、GPIO接口、PWM接口和I2C接口。
SPI（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为电路板的布局上节省空间，提供方便，因此，广泛应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送）接口作为异步串口通信协议的一种，是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上，多数是16550AFN芯片。
GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出)接口利用工业标准I2C、SMBusTM或SPITM接口简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO能够提供额外的控制和监视功能。
PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）接口技术是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
功能模块包括：存储模块302、调光模块303、无线通信模块304、PLC通信模块305和电表功能模块306以及继电器控制模块307。
存储模块302通过I2C接口与主控单元301连接，用于存储路灯的配置参数，包括路灯正常工作的电流、电压范围、额定功率等参数。
调光模块303通过PWM接口与主控单元301连接，采用大功率MOS管的控制来放大主控单元产生的PWM波形，产生适用于驱动LED灯的电流，用于驱动路灯物联网的亮度调节。电流最大可达65A，可用电压和电流结合方式来进行调光，实时调节路灯物联网的亮度，调控亮度范围为10%～100%。
LED路灯包括有亮灯和灭灯两种情况，白天路LED灯处于关闭状态，晚上路灯才会开启。在智慧照明系统中要求路灯能够根据周围环境的变化来实时调节亮度，从而达到节能环保的效果。当路上有行人或车辆行驶时路灯物联网会调节到设定的最大亮度，方便行人和车辆看清路况，保障行驶安全；当路段上没有行人和车辆行驶时路灯物联网会调节到设定的最小亮度，在保证基本的照明的同时节约电能。所有的这些调光与控制命令都由后台产生，可通过6LoWPAN无线网络或PLC通信模块来传输数据与命令。PLC通信模块也可以通过跳针转换成用于连接无线传感网络终端的接口，方便连接智慧城市无线传感网络。
无线通信模块304通过UART接口与主控单元301连接，由6LoWPAN通信芯片、发射天线组成，具有功耗小、速率高、通信稳定、自动联网、易于接入互联网等优点。其通过UART接口与主控单元连接，能够接收后台数据并将数据转发到主控单元进行处理，同时能够将主控单元产生的数据发送到后台。进一步的，该无线通信模块具有开放的通信接口，能够与其他无线传感网络的传感终端节点自动连接，扩展了路灯网络的功能，使路灯物联网在监控路灯状态的同时，还能监控道路环境的其他状态（如温度、湿度、空气质量，人流、车辆交通流量，或市政井盖等），为智慧城市提供网络平台。
未来的智慧城市会有多种多样应用的需求，比如市政井盖监测、车流量监测、温湿度传感器、PM2.5监测甚至交通信号灯监控数据都可以利用路灯的网络进行传输，本实用新型提供的该节点控制器能够充分利用路灯监控网络的其他设施，减少了重复建设，节约成本，体现了智慧城市的优势。
PLC通信模块305通过UART接口与主控单元301连接，具有电力载波通信功能，使得数据传输具有更高的可靠性，与无线通信模块304组成双通道通信与后台连接，一方面用于将接收后台发送过来的开/关等控制命令和调光命令通过UART接口传输到主控单元，进行LED路灯的控制，另一方面把主控单元中采集到的路灯物联网的状态信息和其他传感器的状态信息转发到后台，实现LED路灯的远程监控。同时还可以与手持终端进行无线通信，用于随时进行对路灯的监控，通过预留的接口可方便连接智慧城市其他应用的传感网络终端节点，可使路灯物联网实现更多的功能。
电表功能模块306通过SPI接口与主控单元301连接，通过采集电源模块输入的电流和电压，计算输入功率和功率因素，同时产生电能累计量。
电表功能模块能够将采集到的电流、电压信息上传到主控单元，主控单元能够调取存储模块中存储的电流、电压阈值范围与电表功能模块采集的电流、电压值进行对比，当路LED路灯出现故障造成电流或电压过大时，主控单元会发出信号控制该节点控制器会进入保护状态，避免产生更多的损坏。
继电器控制模块307通过GPIO接口与主控单元301连接，根据主控单元的驱动信号进行驱动的开关装置，主控单元根据后台发送的开关控制命令来驱动继电器控制模块来进行电源的接通与断开，使得路灯开启或关闭。
经由上述的技术方案可知，本实用新型公开了一种面向路灯物联网的节点控制器，该节点控制器是基于电力载波PLC通信以及6LoWPAN无线自主网络进行研发的路灯物联网节点控制器，采用6LoWPAN无线网络的路灯物联网节点控制器具有功耗低、通信速率高、网络稳定、自动联网等特点，同时其最大好处是易于连接互联网，并通过开放接口与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，把路灯物联网打造成为智慧城市中的基础网络平台。与现有技术中的控制器相比，首先是LED路灯远程监控能力的提升，能够实时监控每盏路灯的状态，一旦发生故障能及时得到解决；其次，通过开放接口实现了与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，扩展了路灯网络的功能，使路灯物联网在监控路灯状态的同时，还能监控道路环境的其他状态（如温度、湿度、空气质量，人流、车辆交通流量，或市政井盖等），使路灯网络成为智慧城市物联网的基础网络平台，发挥了路灯物联网的最大效益。
实施例二
在实施例一的基础上，本实用新型有提供了另一种面向路灯物联网的节点控制器，该节点控制器包括：控制主板、电源模块以及外壳。
其中，该节点控制器使用的外壳为铝合金外壳，全密封设计，具有防护等级达到IP67的防潮防尘功能，能够保证该节点控制器在外界环境下不易受损坏，保证了其使用寿命。
电源模块集成在路灯物联网节点控制器主板上，其形式可以多样化，可以采用交流电源进行供电，也可以采用蓄电池进行供电，在此不作限制，可以根据具体情况进行选择。
当采用交流电进行供电时，该电源模块包括AC/DC模块和DC/DC模块两部分，用以将220V交流电源转化成5V和3.3V直流电源，来给控制器内部电路提供电源。通过对市用交流电进行整流输出稳定直流电压电流供LED路灯使用，使LED路灯发光稳定无闪烁。该电源模块能够在复杂的环境下正常工作，并输出稳定的直流电源，能够适应180V～270V交流的宽电压输入。当采用蓄电池进行供电时，该电源模块包括蓄电池和DC/DC模块，DC/DC模块将蓄电池输出的电流稳压为5V和3.3V直流电，来给控制器内部电路提供电源。
需要说明的是，本实施例与实施例一的不同点在于控制主板的设置，如图4所示，图4为本实用新型实施例二公开的一种控制主板的结构示意图，该控制主板包括：主控单元401、通信接口以及存储模块402、调光模块403、无线通信模块404、PLC通信模块405和电表功能模块406、继电器控制模块407以及LED显示屏408。
主控单元401包括具有PWM输出功能的基于8051内核的单片系统芯片和辅助电路，主要功能是处理后台发送过来的各种控制命令，通过GPIO接口输出控制信号，同时还可以输出PWM波形用于调节LED路灯亮度。其具有内部存储空间，能够接收后台数据并处理控制指令，具有PWM输出功能，控制LED路灯亮度，具有在线系统升级功能。进一步的，主控单元还具有数据处理和数据上报功能，能够将突发数据提高优先级进行上报处理。
主控单元通过UART接口接收到无线通信模块或PLC通信模块的数据时执行接收处理程序，首先对接收到的数据报文进行校验，如果校验出错则丢弃报文，如果报文校验正确则进行报文头部的地址码检验，如果不是本控制器对应的地址码则丢弃报文，否则进行报文头部功能代码的分析，如果是控制命令码则进行路灯物联网的控制操作，如果是调节命令则进行路灯物联网的调光操作，查询命令则返回相应的数据。
路灯物联网节点控制器产生的数据分为常规数据和突发数据两种，常规数据主要包括电压、电流、功率因素、电能表、灯具状态等，突发数据主要包括各种线路故障信息、灯具故障信息、内存错误信息、报警信号等各类故障信息。对于常规数据采用定时上报的方法，对于突发数据采用实时上报的方法。程序中采用两个发送缓冲队列，常规数据缓冲队列和突发数据缓冲队列，其中突发数据缓冲队列具有较高的优先级，数据上报处理程序会优先发送突发数据。
需要说明的是，通信接口包括SPI接口、UART接口、GPIO接口、PWM接口和I2C接口。
存储模块402通过I2C接口与主控单元401连接，用于存储路灯的配置参数，包括路灯正常工作的电流、电压范围、额定功率等参数。
调光模块403通过PWM接口与主控单元401连接，采用大功率MOS管的控制来放大主控单元产生的PWM波形，产生适用于驱动LED灯的电流，用于驱动路灯物联网的亮度调节。电流最大可达65A，可用电压和电流结合方式来进行调光，实时调节路灯物联网的亮度，调控亮度范围为10%～100%。
无线通信模块404通过UART接口与主控单元401连接，由6LoWPAN通信芯片、发射天线组成，具有功耗小、速率高、通信稳定、自动联网、易于接入互联网等优点。其通过UART接口与主控单元连接，能够接收后台数据并将数据转发到主控单元进行处理，同时能够将主控单元产生的数据发送到后台。进一步的，该无线通信模块具有开放的通信接口，能够与其他无线传感网络的传感终端节点自动连接，扩展了路灯网络的功能，使路灯物联网在监控路灯状态的同时，还能监控道路环境的其他状态（如温度、湿度、空气质量，人流、车辆交通流量，或市政井盖等）为智慧城市提供网络平台。
PLC通信模块405通过UART接口与主控单元401连接，具有电力载波通信功能，使得数据传输具有更高的可靠性，与无线通信模块304组成双通道通信与后台连接，一方面用于将接收后台发送过来的开/关等控制命令和调光命令通过UART接口传输到主控单元，进行LED路灯的控制，另一方面把主控单元中采集到的路灯物联网的状态信息和其他传感器的状态信息转发到后台，实现LED路灯的远程监控。同时还可以与手持终端进行无线通信，用于随时随地的路灯监控，通过预留的接口可方便连接智慧城市其他应用的传感网络终端节点，可使路灯物联网实现更多的功能。
电表功能模块406通过SPI接口与主控单元401连接，通过采集电源模块输入的电流和电压，计算输入功率和功率因素，同时产生电能累计量。
继电器控制模块407通过GPIO接口与主控单元401连接，根据主控单元的驱动信号进行驱动的开关装置，主控单元根据后台发送的开关控制命令来驱动继电器控制模块来进行电源的接通与断开，使得路灯开启或关闭。
LED显示屏通过GPIO接口与主控单元401连接，用于显示主控单元输出的电流、电压信息，以及节点控制器的运行状态代码，过压指示等。
经由上述的技术方案可知，本实用新型公开了一种面向路灯物联网的节点控制器，该节点控制器是基于电力载波PLC通信以及6LoWPAN无线自主网络进行研发的路灯物联网节点控制器，采用6LoWPAN无线网络的路灯物联网节点控制器具有功耗低、通信速率高、网络稳定、自动联网等特点，同时其最大好处是易于连接互联网，并通过开放接口与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，把路灯物联网打造成为智慧城市中的基础网络平台。与现有技术中的控制器相比，首先是LED路灯远程监控能力的提升，能够实时监控每盏路灯的状态，一旦发生故障能及时得到解决；其次，通过开放接口实现了与智慧城市其他无线传感网络终端节点进行无缝连接，扩展了路灯网络的功能，使路灯物联网在监控路灯状态的同时，还能监控道路环境的其他状态（如温度、湿度、空气质量，人流、车辆交通流量，或市政井盖等），使路灯网络成为智慧城市物联网的基础网络平台，发挥了路灯物联网的最大效益。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种面向路灯物联网的节点控制器，其特征在于，包括：控制主板、外壳和集成于所述控制主板上的电源模块，其中：
所述控制主板包括主控单元、通信接口以及功能模块，所述主控单元通过所述通信接口与功能模块连接；
所述功能模块包括：存储模块、调光模块、无线通信模块、PLC通信模块和电表功能模块以及继电器控制模块。
2.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，还包括通过通信接口与所述主控单元连接的LED显示屏。
3.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述外壳为铝合金外壳。
4.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述主控单元包括具有PWM输出功能的基于8051内核的单片系统芯片和辅助电路。
5.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述无线通信模块包括6LoWPAN通信芯片和发射天线。
6.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述通信接口包括：SPI接口、UART接口、GPIO接口、PWM接口和I2C接口。
7.根据权利要求6所述的节点控制器，其特征在于，所述存储模块通过I2C接口与所述主控单元连接；
所述调光模块通过PWM接口与所述主控单元连接；
所述无线通信模块和PLC通信模块通过UART接口与所述主控单元连接；
所述电表功能模块通过SPI接口与所述主控单元连接；
所述继电器控制模块通过GPIO接口与所述主控单元连接。
8.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述电源模块包括：AC/DC模块和DC/DC模块。
9.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述电源模块包括：蓄电池和DC/DC模块。
10.根据权利要求1所述的节点控制器，其特征在于，所述调光模块采用大功率MOS管控制。
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2013
- 2013-12-25 CN CN201320875054.3U patent/CN203775460U/zh not_active Expired - Lifetime
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