CN210629917U - 一种基于LoRa技术的LED无线控制模块及其组网系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于LoRa技术的LED无线控制模块及其组网系统，包括LoRa网关和若干个LED无线控制模块，LoRa网关通过无线网络与若干个LED无线控制模块进行数据传输，每个LED无线控制模块均与一LED灯电连接。LED无线控制模块包括单片机、隔离单元、电源单元、继电器单元、电量监测单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、LoRa无线单元和串行通信单元。采用无线组网方式灵活简单，远距离低功耗，LED无线控制模块内部含有电量监测单元，能够实时监测LED的电流、电压有效值，有功、无功、视在功率，功率因数等电量数据，通过LoRa无线传输至网关，有效避免现场安装额外的电量表，节省成本。

Description

一种基于LoRa技术的LED无线控制模块及其组网系统

技术领域

本实用新型涉及工业照明领域，尤其涉及一种基于LoRa技术的LED无线控制模块及其组网系统。

背景技术

现有传统的工厂LED一般有一灯一控制、分回路控制或分组分级有线调光的控制方式。其中一灯一控制及分回路的控制方式只能控制一盏或一组 LED回路电源的通断，不能对每盏灯进行调光控制；分组分级有线调光的控制方式则需要通过调光控制线缆将一组LED调光信号接口连接，同时调节一组LED的灯光亮度。

这些控制方式需要铺设较多的供电电缆及调光信号电缆，施工难度大，当一盏LED的调光信号接口短路时，将导致所在同组调光信号线路上的所有 LED工作异常，不能及时定位故障点，需要通过排查故障位置，增大维护难度。如果需要监测电能消耗，还需要单独连接电能仪器进行测量，又增加应用成本的布线难度。因此，研发一种基于LoRa技术的LED无线控制模块及其组网系统是个亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型要解决以上技术问题，提供一种基于LoRa技术的LED无线控制模块及其组网系统，能够以LoRa无线的连接方式，实现电能数据的实时监测、故障检测、LED灯光的精细调节功能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，包括单片机、隔离单元、电源单元、继电器单元、电量监测单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、 LoRa无线单元和串行通信单元，所述继电器单元和电量监测单元通过隔离单元与单片机电连接，所述单片机通过隔离单元分别与模拟量输入单元、模拟量输出单元、LoRa无线单元和串行通信单元电连接，所述电源单元为单片机和隔离单元供电。

进一步的，本LED无线控制模块还包括与单片机电连接的负载供电指示灯、系统指示灯、故障指示灯、无线状态指示灯、模拟量输出错误指示灯、模拟量输出正常指示灯、模拟量输入错误指示灯、模拟量输入正常指示灯和串行通信指示灯。

进一步的，所述电源单元包括220VAC转24VDC单元、24V转5V单元、 5V转3.3V单元，所述24V转5V单元、5V转3.3V单元为单片机和隔离单元供电。

进一步的，所述隔离单元包括电源隔离和信号隔离器件，保证处理器等内部核心器件不受外部信号的干扰，提高模块的稳定性与安全性，SPI隔离采用ADuM4152BRIZ芯片，串口隔离采用ADUM5401数字隔离器，普通IO通过光耦TLP291隔离。

进一步的，所述模拟量输入单元包括ADS8509IDB模数转换芯片，可配置采集0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V输入型号类型，经过ADS8509IDB 模数转换芯片输入到单片机。

进一步的，所述模拟量输出单元包括DAC60501数模转换芯片，DAC60501 数模转换芯片经过运放电路输出0-10V、-10-10V电压，即通过这些调光信号控制LED灯光亮度。

进一步的，所述串行通信单元通过线缆与上位机相连，实现模块功能配置，所述串行通信单元通过USB转串口芯片CH340B与单片机UART1管脚电连接。

进一步的，在LED无线控制模块的壳体上设有主供电接口、负载供电接口、模拟量输出(LED调光信号)接口、模拟量输入接口、串行通信接口、LoRa天线、负载供电指示灯、系统指示灯、故障指示灯、无线状态指示灯、模拟量输出错误指示灯、模拟量输出正常指示灯、模拟量输入错误指示灯、模拟量输入正常指示灯、串行通信指示灯。

进一步的，所述主供电接口与电源单元电连接，所述负载供电接口与LED 灯电连接，所述模拟量输出接口与模拟量输出单元电连接，所述模拟量输入接口与模拟量输入单元电连接，所述串行通信接口与串行通信单元电连接，所述LoRa天线与LoRa无线单元电连接。

一种采用上述LED无线控制模块组成的组网系统，包括LoRa网关和若干个LED无线控制模块，所述LoRa网关通过无线网络与LED无线控制模块进行数据传输，每个所述LED无线控制模块内的电量监测单元和模拟量输出单元与一LED灯电连接。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

1.无线组网方式灵活简单，远距离低功耗，根据客户需求对LED控制

LED无线控制模块能够与LED通过电源线及调光信号控制线连接，利用 LORA无线特性进行组网，可以将多个或一个LED归为一组，通过上层无线网关对LED进行开关、调光控制，极大减少现场布线难度。

2.LED能量损耗监测

模块内部含有电量监测单元，能够实时监测LED的电流、电压有效值，有功、无功、视在功率，功率因数等电量数据，通过LoRa无线传输至网关，有效避免现场安装额外的电量表，节省成本。

3.模块定位功能

每个控制模块均有自己的可编程地址，可以通过网关快速定位模块，这样能够在模块故障时快速定位故障点，减少人工排查的工作量，减小维护难度。

4.模拟量信号的多样性及精准性，LED灯光的精细调节

控制模块搭载一个模拟量输入单元和一个模拟量输出单元，模拟量输入单元可以配置为0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V输入类型，模拟量输出 0-10V、-10-10V电压信号，支持多种传感器连接，能够对LED灯光进行更加精细的调节。

5.串口调试功能

控制模块搭载一个串行接口，能够在无网关或无线失效的条件下，通过有线串口对模块进行功能配置及升级。

附图说明

图1是本实用新型的实物图；

图2是本实用新型中LED无线控制模块原理框图；

图3是本实用新型的原理框图。

图中：

1、主供电接口：即电源单元220VAC供电接口；

2、负载供电接口：即LED灯具220VAC供电接口

3、模拟量输出接口：0-10V、-10-10V输出；

4、模拟量输入接口：0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V输入；

5、串行通信接口；

6、LoRa天线；

7、负载供电指示灯：当继电器吸合时，负载供电接口通电，该指示灯常亮；

8、系统指示灯：模块正常工作时，该灯常亮；

9、故障指示灯：当电量计单元监测数据异常(过压、过流)，或发生致命错误时该灯常亮；

10、无线状态指示灯：当LORA无线单元处于忙状态，即正在收发数据时该灯亮起，空闲状态熄灭

11、模拟量输出错误指示灯：当输出值超出模块配置的输出范围时，该灯亮起，如配置输出范围为0-10V，此时模块由无线接收到需要输出11V电压时，该灯亮起；

12、模拟量输出正常指示灯：与模拟量输出错误指示灯对应，当输出值在模块配置的输出范围时，该灯亮起；

13、模拟量输入错误指示灯：当检测到模拟量信号值超出模块配置的输入范围时，该灯亮起，如配置输入类型为4-20mA，实际检测到2mA的输入时，该灯亮起；

14、模拟量输入正常指示灯：与模拟量输入错误指示灯对应，当输入值在模块配置的输入范围时，该灯亮起；

15、串行通信指示灯：当串行通信接口与上位机连接时，该灯亮起。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。

如图1-3所示，一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，包括单片机、隔离单元、电源单元、继电器单元、电量监测单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、LoRa无线单元和串行通信单元，所述继电器单元和电量监测单元通过隔离单元与单片机电连接，所述单片机通过隔离单元分别与模拟量输入单元、模拟量输出单元、LoRa无线单元和串行通信单元电连接，所述电源单元为单片机和隔离单元供电。所述电源单元包括220VAC转24VDC单元、24V转5V单元、5V转3.3V单元，所述24V转5V单元、5V转3.3V单元为单片机和隔离单元供电。所述隔离单元包括电源隔离和信号隔离器件，保证处理器等内部核心器件不受外部信号的干扰，提高模块的稳定性与安全性，SPI 隔离采用ADuM4152BRIZ芯片，串口隔离采用ADUM5401数字隔离器，普通IO 通过光耦TLP291隔离。所述模拟量输入单元包括ADS8509IDB模数转换芯片，可配置采集0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V输入型号类型，经过ADS8509IDB模数转换芯片输入到单片机。所述模拟量输出单元包括DAC60501数模转换芯片，DAC60501数模转换芯片经过运放电路输出0-10V、-10-10V电压，即通过这些调光信号控制LED灯光亮度。所述串行通信单元通过线缆与上位机相连，实现模块功能配置，所述串行通信单元通过USB转串口芯片CH340B 与单片机UART1管脚电连接。

本LED无线控制模块还包括与单片机电连接的负载供电指示灯7、系统指示灯8、故障指示灯9、无线状态指示灯10、模拟量输出错误指示灯11、模拟量输出正常指示灯12、模拟量输入错误指示灯13、模拟量输入正常指示灯14和串行通信指示灯15。在LED无线控制模块的壳体上设有主供电接口1、负载供电接口2、模拟量输出(LED调光信号)接口3、模拟量输入接口4、串行通信接口5、LoRa天线6、负载供电指示灯7、系统指示灯8、故障指示灯9、无线状态指示灯10、模拟量输出错误指示灯11、模拟量输出正常指示灯12、模拟量输入错误指示灯13、模拟量输入正常指示灯14、串行通信指示灯15。所述主供电接口与电源单元电连接，所述负载供电接口与 LED灯电连接，所述模拟量输出接口与模拟量输出单元电连接，所述模拟量输入接口与模拟量输入单元电连接，所述串行通信接口与串行通信单元电连接，所述LoRa天线与LoRa无线单元电连接。

一种采用上述LED无线控制模块组成的组网系统，包括LoRa网关和若干个LED无线控制模块，所述LoRa网关通过LoRa无线网络与LED无线控制模块进行数据传输，每个所述LED无线控制模块内的电量监测单元和模拟量输出单元与一LED灯电连接。所述无线网关型号为GXEN20-IoT-L，所述LED 灯型号为BLT32W250-AC。

下面具体介绍控制模块内部各单元功能：

电源单元：220VAC转24VDC单元采用SCM1710A电源芯片，24V转5V单元采用LM2596芯片，5V转3.3V单元采用LT8609芯片。这三部分组成电源单元，给模块内部单片机、隔离电源、信号隔离等器件提供电源。

继电器单元：继电器的吸断控制负载供电的开启与关闭，从而能控制LED 的开关，继电器的控制端通过单片机输出引脚控制继电器的吸合与分离。

电量监测单元：负责检测单相电能，包括电流、电压有效值，有功、无功、视在功率，功率因数等电量数据，采用ADE7953计量IC，通过单片机的SPI1接口控制。

单片机：模块数据处理的核心，采用STM32F1微处理器，拥有丰富的外设(SPI,TIM,UART等)与IO引脚。

串行通信单元：通过线缆与上位机相连，实现模块功能配置，采用USB 转串口芯片CH340B,通过单片机UART1控制。

LORA无线单元：负责与无线网关数据交互，可配置切换为接收、发送、睡眠的模式,采用SX1272芯片，通过单片机UART2控制。

模拟量输入单元：可配置采集0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V输入型号类型，经过模数转换交由单片机处理，采用ADS8509IDB模数转换芯片，通过单片机的SPI2接口控制

模拟量输出单元：可通过数模转换配置输出0-10V、-10-10V电压，即调光信号控制LED灯光亮度，采用DAC60501数模转换芯片，通过单片机的 SPI3接口控制。

隔离单元：包括电源隔离、信号隔离器件，保证处理器等内部核心器件不受外部信号的干扰，提高模块的稳定性与安全性，SPI隔离采用 ADuM4152BRIZ芯片，串口隔离采用，ADUM5401数字隔离器，普通IO通过光耦TLP291隔离。

如图3所示，通过无线网关将相同信道不同地址的LED控制模块编制在同一网络中进行控制。网关将控制数据通过无线发送至控制模块的LORA无线单元，再传给单片机，单片机将处理过的数据发给模拟量输出单元，从而控制LED灯光亮度。同样的，可以通过继电器控制LED的开关。

本控制模块接线为：将交流220V供电线缆连接至模块主供电接口1。将 LED的电源线与模块负载供电接口2，将LED的调光信号线与模块模拟量输出接口3连接。参见附图3，控制模块与控制模块之间、控制模块与无线网关之间通过LORA无线协议连接通讯，控制模块与LED之间通过电源线和调光信号线进行有线连接。

LED控制说明如下：

1.开机初始化、自检

接线完成后，开启电源，控制模块进入开机自检模式，继电器默认吸合，负载供电正常，LORA无线单元工作在接收模式，等待接收无线网关命令，模拟量输出默认为0V，模拟量输入类型默认为4-20mA输入，初始化成功系统指示灯亮起，表明模块将正常工作。

2.LED开关控制

参考附图2，当LORA无线单元接收到无线网关数据包后，交由单片机拆包解析，得到该数据包为关闭LED电源指令，单片机将发送关闭信号给继电器单元，控制继电器断开，模块负载供电接口释放，LED断电。同样的，能够控制继电器吸合，LED开启。

3.LED调光控制

参见附图2，根据LED调光信号类型，可以通过LORA无线单元或串行通行单元控制单片机将模拟量输出单元配置为-10-10V或0-10V电压输出的一种。

当LORA无线单元接收到无线网关数据包后，交由单片机拆包解析，得到模拟量输出值，经由DAC处理后输出相应电压值控制LED的灯光亮度。

4.模拟量输入配置

可以在模块模拟量输入接口安装一个光线传感器，根据传感器输出信号类型，通过LORA无线单元或串行通行单元控制单片机将模拟量输入单元配置为0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V的一种。

输入传感器的输出值传入模块模拟量输入单元，经由ADC处理后将数值送入单片机处理，单片机将数据打包处理完成后，将模块配置为发送模式，同时将数据包送入LORA无线单元发给无线网关。

5.模块配置

控制模块可以LORA无线或串行通信接口进行配置，能够配置模块的地址，信道，模拟量输入输出类型灯信息。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：包括单片机、隔离单元、电源单元、继电器单元、电量监测单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、LoRa无线单元和串行通信单元，所述继电器单元和电量监测单元通过隔离单元与单片机电连接，所述单片机通过隔离单元分别与模拟量输入单元、模拟量输出单元、LoRa无线单元和串行通信单元电连接，所述电源单元为单片机和隔离单元供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：本LED无线控制模块还包括与单片机电连接的负载供电指示灯、系统指示灯、故障指示灯、无线状态指示灯、模拟量输出错误指示灯、模拟量输出正常指示灯、模拟量输入错误指示灯、模拟量输入正常指示灯和串行通信指示灯。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：所述电源单元包括220VAC转24VDC单元、24V转5V单元、5V转3.3V单元，所述24V转5V单元、5V转3.3V单元为单片机和隔离单元供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：所述隔离单元包括采用ADuM4152BRIZ芯片的SPI隔离、采用ADUM5401数字隔离器的串口隔离、采用光耦TLP291的IO隔离。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：所述模拟量输入单元包括ADS8509IDB模数转换芯片，可采集0-20mA、4-20mA、0-10V、-10-10V输入信号，经过ADS8509IDB模数转换芯片输入到单片机。

6.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：所述模拟量输出单元包括DAC60501数模转换芯片，DAC60501数模转换芯片经过运放电路输出0-10V、-10-10V电压，控制LED灯光亮度。

7.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：所述串行通信单元通过线缆与上位机相连，所述串行通信单元通过USB转串口芯片CH340B与单片机UART1管脚电连接。

8.根据权利要求2所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：在LED无线控制模块的壳体上设有主供电接口、负载供电接口、模拟量输出接口、模拟量输入接口、串行通信接口、LoRa天线、负载供电指示灯、系统指示灯、故障指示灯、无线状态指示灯、模拟量输出错误指示灯、模拟量输出正常指示灯、模拟量输入错误指示灯、模拟量输入正常指示灯、串行通信指示灯。

9.根据权利要求8所述的一种基于LoRa技术的LED无线控制模块，其特征在于：所述主供电接口与电源单元电连接，所述负载供电接口与LED灯电连接，所述模拟量输出接口与模拟量输出单元电连接，所述模拟量输入接口与模拟量输入单元电连接，所述串行通信接口与串行通信单元电连接，所述LoRa天线与LoRa无线单元电连接。

10.一种组网系统，其特征在于：包括LoRa网关和若干个上述权利要求1-9所述的LED无线控制模块，所述LoRa网关通过无线网络与LED无线控制模块进行数据传输，每个所述LED无线控制模块内的电量监测单元和模拟量输出单元与一LED灯电连接。

Images