CN211481547U - 一种多种通信模式的单灯控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多种通信模式的单灯控制器，包括外壳和安装在外壳内的电路板，所述电路板上集成有主控模块、无线通信模块、电量采集模块、本地通信模块、调光控制模块和电源模块；所述无线通信模块、本地通信模块、电量采集模块、调光控制模块、电源模块分别与主控模块连接。本实用新型优点是体积小，功能强，性能稳定，施工难度低，维护简单，能够提高城市路灯在实际应用中的安全性、节能高效性和管理实时性，同时满足多种环境下的通信方式，并可实现智慧城市中多种应用的扩展，可广泛应用于城市道路、广场、高速公路、车站、码头、机场等灯光照明系统，具有很重要的实际应用价值。

Description

一种多种通信模式的单灯控制器

技术领域

本实用新型属于灯光控制器技术领域，涉及一种多种通信模式的单灯控制器。

背景技术

据了解，LED照明产品以其高光效、高使用寿命等优点，正逐渐成为各行业大功率照明所必须的设备。其主要的应用环境包括码头、厂房等场所的设备照明，以及城市道路、广场、高速公路高杆照明等。由于工业照明LED灯具使用数量多、功耗高，在使用率非满载的情况下，持续的大功率照明必然带来资源浪费。因此，根据LED灯具实际使用场所,对灯具进行精确化、智能化调光控制，实现节能节电、绿色照明已成为目前的迫切需求。

单灯控制器顾名思义就是能实现对每一盏灯控制的控制器。现有的单灯控制器通信技术主要分为两大类：一是电力线载波，其缺点是需要在每个控制柜添加通信网关和耦合电流，增加了系统成本和复杂度，另外通信速度慢，通信质量容易受到线路用电设备干扰，二是工作于ISM频段的无线通信技术，主要有433MHz和2.4GHz两大类，例如ZigBee、Lora等，其缺点为需要通信网关，网络架设及维护困难，另外由于使用共用无线频段，极易被附近无线设备干扰，通信不稳定。

另外，现有的路灯在使用时存在一定的弊端，主要表现在以下几个方面：

1.当使用人员在使用路灯控制器控制路灯时，均需要维护本地网络，设计网络路由算法。若中间路由节点损坏，会导致后续节点的通信失联。

2.通过灯具配电箱内电路的通断来统一控制若干数量灯具的开关，不具备单灯控制功能，后台无法采集个体灯杆的状态信息，无法监管单灯是否出现故障，难以实现精细化管理，从而较为不便，在使用的过程中，带来了一定的影响。

3.传统单灯控制器的内部供电电路使用的元器件较多，电路结构复杂，硬件成本较高，不方便维护。另外，由于传统单灯控制器的内部供电电路缺少相应的电路保护功能，例如限流保护功能，造成电路的安全性和可靠性较差。

总之，现有的单灯控制器通信方式单一，不能适配各种环境下的通信模式。市场上常见的单灯控制器通信方式有传统的PLC控制通信方式、NB通信方式等，通信方式单一。

为此，迫切需要提出并设计一种4G/GPRS/NB-IOT等多种通信模式的单灯控制器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种4G/GPRS/NB-IOT等多种通信模式的单灯控制器。

本实用新型解决其技术问题的技术方案如下：

一种多种通信模式的单灯控制器，包括外壳和安装在外壳内的电路板，所述电路板上集成有主控模块、无线通信模块、电量采集模块、本地通信模块、调光控制模块和电源模块；所述无线通信模块、本地通信模块、电量采集模块、调光控制模块、电源模块分别与主控模块连接。

本实用新型解决多种通信方式于一体，提供内部协议转换机制和接口模式，并能通过内嵌软件实现未来通信方式的扩展，以适配各种环境下的通信处理。

优选地，所述主控模块由中央处理器、时钟模块、存储单元和JTAG接口组成，所述时钟模块、存储单元、JTAG接口分别与中央处理器连接。

上述的时钟模块用于给中央处理器提供时钟信号及实时时间；存储单元用于存储数据、预先设定的计算规则及运行方案；JTAG接口用于芯片内部测试。另外，存储单元与中央处理器直接通信连接，存储当前正在执行或使用的数据和程序，存储单元同时记录当前单灯控制器的名称、编号、电量参数和故障告警。

优选地，所述无线通信模块通过通信适配单元与中央处理器连接，且所述无线通信模块与控制中心通讯连接。

上述的无线通信模块用于与远程平台进行数据通信，主要是利用 4G/GPRS/NB-IOT公网实现了控制设备和监控中心的无线互联，实现了“遥控”、“遥测”、“遥信”、“遥调”的灯联网“四遥”功能。

优选地，所述本地通信模块与中央处理器连接。上述的RS485本地通信模块用于现场信号的调试和控制，并通过RS485本地维护接口来设置单灯控制器参数、本地测试灯具，同时可进行软件升级等。所述电量采集模块与中央处理器连接。上述的电量采集模块用于控制器实时采集LED灯具的电能参数(如：电流、电压等)并进行相应的逻辑分析，计算得出LED灯具的有功功率、无功功率、功率因数等电量参数和LED灯的运行状态。所述调光控制模块与中央处理器连接。上述的调光控制模块用于控制LED驱动电源的电压输出值，以达到调节路灯的开关状态及光照强度。所述电源模块与中央处理器连接。上述的电源模块用于通过继电器模块将接入的市电转换为直流电，为所需的供电模块提供直流电。

优选地，所述电量采集模块与LED驱动电源的信号输出端口连接，所述 LED驱动电源的电源输出端口与LED灯具连接，所述LED驱动电源的控制输入端口与调光控制模块连接。

优选地，所述电源模块的输入端与AC电源连接，输出端通过继电器模块分别与电量采集模块、LED驱动电源连接。

优选地，所述外壳由下盖和旋扣在下盖上的上盖组成，所述上盖为一端封口和一端开口的桶状结构，所述下盖为一圆片状结构，所述电路板设于下盖内侧。

优选地，所述下盖安装在LED灯具的底端。

优选地，所述中央处理器为高性能的STM32F103芯片。

本实用新型的单灯控制器可有效地监测每一盏灯具的运行状态，能够直观、精准、有效地记录当前灯具的电能参数及开关状态，同时可以定时、定刻、定点的开关灯具，调整灯具的照明亮度；本实用新型的单灯控制器能有效适配各种通信方式并存的环境；且4G/GPRS/NB-IOT单灯控制器电路结构较为简单，成本较低、方便维护，电路的安全性和可靠性较高，为路灯的平稳高效运行，节约灯具维护成本，具有很重要的实际应用价值。

本实用新型优点是体积小，功能强，性能稳定，施工难度低，维护简单，能够提高城市路灯在实际应用中的安全性、节能高效性和管理实时性，同时满足多种环境下的通信方式，并可实现智慧城市中多种应用的扩展，可广泛应用于城市道路、广场、高速公路、车站、码头、机场等灯光照明系统，具有很重要的实际应用价值。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型中电路板上集成的各模块的连接示意图。

图2为本实用新型中外壳上盖的结构示意图。

图3为图2的仰视图。

图4为本实用新型中外壳下盖的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为本实用新型实际应用中下盖底座的接线示意图。

图7为本实用新型中实际应用场景示意图。

图8为本实用新型中主控模块的电路图。

图9为本实用新型中4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块的电路图。

图10为本实用新型中RS485本地通信模块的电路图。

图11为本实用新型中电量采集模块的电路图。

图12为本实用新型中电源模块的电路图。

图13为本实用新型中调光控制模块的电路图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本实用新型作进一步详细描述。但是本实用新型不限于所给出的例子。

实施例1

如图1所示，一种多种通信模式的单灯控制器，包括外壳和安装在外壳内的电路板，电路板上集成有主控模块、4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块、电量采集模块、RS485本地通信模块、调光控制模块和电源模块。4G/GPRS/NB-IOT 无线通信模块、RS485本地通信模块、电量采集模块、调光控制模块、电源模块分别与主控模块连接，电量采集模块与LED驱动电源的信号输出端口连接， LED驱动电源的电源输出端口与LED灯具连接，LED驱动电源的控制输入端口与调光控制模块连接。其中，主控模块由中央处理器、时钟模块、存储单元和JTAG接口组成，中央处理器采用高性能的STM32F103芯片，时钟模块、存储单元、JTAG接口分别与中央处理器连接。时钟模块用于给中央处理器提供时钟信号及实时时间；存储单元用于存储数据、预先设定的计算规则及运行方案；JTAG接口用于芯片内部测试。

另外，4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块通过通信适配单元与中央处理器连接，且4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块与控制中心通讯连接。上述的 4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块用于与远程平台进行数据通信，主要是利用 4G/GPRS/NB-IOT公网实现了控制设备和控制中心的无线互联，实现了“遥控”、“遥测”、“遥信”、“遥调”的灯联网“四遥”功能。RS485本地通信模块与中央处理器连接，并且RS485本地通信模块用于现场信号的调试和控制，并通过RS485本地维护接口来设置单灯控制器参数、本地测试灯具，同时可进行软件升级等。电量采集模块与中央处理器连接，并且电量采集模块用于控制器实时采集LED灯具的电能参数(如电流、电压等)并进行相应的逻辑分析，计算得出LED灯具的有功功率、无功功率、功率因数等电量参数和LED灯的运行状态。调光控制模块与中央处理器连接，并且调光控制模块用于控制LED 驱动电源的电压输出值，以达到调节路灯的开关状态及光照强度。电源模块与中央处理器连接，并且电源模块用于通过继电器模块将接入的市电转换为直流电，为所需的供电模块提供直流电。存储单元与中央处理器直接通信连接，存储当前正在执行或使用的数据和程序，存储单元同时记录当前单灯控制器的名称、编号、电量参数和故障告警。

本实施例设计的4G/GPRS/NB-IOT单灯控制器，中央处理器选用STM32F103 系列芯片，其时钟模块和A/D模块相互配合，与电量采集模块共同完成对于灯具的电流、电压等的数据采集，实时监测灯具的工作状态，并通过异常状态字记录过载、过压、欠压等异常状态，对于产生的异常进行智能分析，将灯具在各时段的工作状态数据和数据异常告警存储在单灯控制器的内部存储单元，并定时向控制中心上报数据。

本实施例设计的4G/GPRS/NB-IOT单灯控制器，电量采集模块能完成路灯的电量采集和电能计量，单灯控制器具备交流模拟量采集功能，测量电压、电流、有功功率和功率因数，基本误差±1％；有功电能计量准确度不低于2.0 级，并符合GB/T17215.22-2006,GB/T17215.321-2008的有关规定。

本实施例设计的4G/GPRS/NB-IOT单灯控制器，单灯控制器具备远程和本地参数设置的功能(通过本地通信模块接口来实现单灯控制器本地参数设置，通过无线通信模块实现单灯控制器远程控制)，可随时查询其工作参数，单灯控制器设有计时单元(RTC)，可接收基站(例如控制中心)的时钟对时，对时误差不超过5s。

本实施例设计的4G/GPRS/NB-IOT单灯控制器，单灯控制器具备一路开关灯和调光的控制功能，通过调光控制模块按设定的时段方案控制策略进行灯具的开关或调光控制功能，具备多种控制模式的组合，随时响应远程控制命令；单灯控制器可按需产生0-10V之间的任意一个电压值调节LED驱动电源的工作电压或根据需要在某个固定频率下任意改变占空比的PWM波，用于调整灯具的亮度。

如图2至图5所示，外壳由下盖和旋扣在下盖上的上盖组成，上盖与下盖之间采用旋扣方式连接，安装简单、方便、快捷。这样，外壳整体结构有效保护了单灯控制器的内部电路结构，为所单灯控制器的运行提供保障。其中，上盖为一端封口和一端开口的桶状结构，上盖采用PC材质，其外壳材料通过UL认证，防水耐腐蚀，适用于户外，抗紫外线程度高，使用年限长；下盖为一种7线基座，呈圆片状，cRUus认证，符合单灯控制器的功能要求，电路板设于下盖的内侧面上。如图4中，下盖设有连接旋钮1、铜插脚2、信号针3和防水垫圈4，下盖通过连接旋钮1与上盖相旋接，防水垫圈4设置于下盖内部，起到防水和防灰尘的作用。

如图6所示，实际应用中，将上述7线基座安装在LED灯具的底端，该基座采用7线制光控器底座，其主体材质为PBT，底座内配有防水、防灰尘的垫圈。底座安装在所控路灯的底端，其7线与路灯内部线路连接，其中黑线连接总电源的火线；红线连接路灯电源的火线；白线同时连接总电源和路灯电源的零线；紫线和灰线连接调光线；橙线和棕线连接RS485通讯线。其中，黑线、白线和红线为单灯控制器提供电源保障；紫线和灰线使单灯控制器能够控制调节路灯的开关和照明亮度；橙线和棕线使单灯控制器和路灯通过 RS485本地通信模块连接，具有本地状态指示，可以设置路灯的参数，实时接收路灯运行数据，进行本地软件升级。

如图8所示，主控模块包括中央处理器、时钟模块、存储单元、JTAG接口。中央处理器采用ST公司的STM32F103C8T6型单片机，其脚3、脚4、脚5、脚6连接时钟模块；脚23、脚35、脚47连接存储单元；脚34、脚37连接 JTAG接口。时钟模块采用8MHz和32.768KHz晶振，以保证稳定、精确的单频震荡，为系统提供基本的时钟信号；主控模块电路图中C8、C9、C6、C7采用 0603型贴片电容，用于储存电场能量，保证电路稳定性；存储单元采用 M24256-BW芯片，以存储电量信息，电路中R13、R14采用0603型电阻转化 3.3V电压给M24256-BW芯片供电。主控模块电路中元器件清单见下表1。

表1

如图9所示，4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块包括具有IPEX接口的FPC软板天线，可支持移动、联通、电信GSM/4G、WCDMA、CDMA、TDSCDMA多种频段，增益2dBi，实现与控制中心的远程通信。另外，4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块支持4G/GPRS/NB-IOT等多种通信网络、音频功能、蓝牙功能，电路板上放置有SIM卡槽，可使用具有4G/GPRS/NB-IOT等多种通信功能的SIM卡，支持多种通信方式，内部实现多种通信方式及协议转换机制，以适配各种环境下的通信模式，通过协议适配单元进行多种通信方式的无缝转换，将所述控制器采集到的数据信息传输到控制中心，同时接收控制中心的远程指令，完成对路灯的控制。4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块电路中元器件清单见下表2。

表2

如图10所示，RS485本地通信模块包括1接口、2接口和3接口，其中1 接口连接有485-A信号线，2接口连接有485-B信号线，3接口连接有接地线， 1接口、2接口、3接口的电路均由滤波电容及瞬态抑制二极管组成，电路组成简单，防雷效果明显，增加了本地通信的抗干扰能力。RS485本地通信模块电路中元器件清单见下表3。

表3

如图11所示，电量采集模块主要由高精度光偶、高速二极管和高精度电阻组成，电量采集模块配合中央处理器的模数转换功能，可采集到有高精度、低误差的路灯驱动电源电压、电流的实时数据并传输至中央处理器。电量采集模块采集到灯具的电参量信息传输至中央处理器后，通过RS485本地通信模块的接口使用ModBus通信协议来实现本地的信息接收和存储；通过 4G/GPRS/NB-IOT公网完成与控制中心的电参量信息数据传输。电量采集模块的电路中元器件清单见下表4。

表4

电源模块的输入端与AC电源连接，输出端通过继电器模块分别与电量采集模块、LED驱动电源连接。如图12所示，电源模块包括依次连接的变压器、整流电路、稳压电路和滤波电路，电源模块用于将50赫兹交流电转化为多路不同电压的稳定的直流电，为需供电的模块提供直流电源。电源模块的电路中元器件清单见下表5。

表5

如图13所示，调光控制模块包括灯具亮度控制和定时开关，通过所述 4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块，控制中心可远程向所述控制器发送指令控制 LED灯具的当前状态。灯具亮度控制和定时开关根据季节性变化和天气变化视天气昏暗情况改变所述LED驱动电源的工作电压，以此控制亮灯时间和灯光强度以达到节能目的，同时可以定时、定刻、定点开关灯具。调光控制模块的电路中元器件清单见下表6。

表6

本实施例可以进行多种应用的扩展，提供对接各种应用扩展的通道，如实现智慧灯杆的一键报警接口、道路各种传感器接口、气象数据接口、交通灯控制接口等智慧城市应用。如图7所示，灯杆外表面一侧放置LED灯具，另一侧设置气象数据采集装置以及多种智慧城市应用扩展。将4G/GPRS/NB-IOT单灯控制器放置在LED灯具的底端。灯杆的底端一侧固定安装有底座，底座内部安装有电源插座为单灯控制器和LED灯供电；各种传感应用通过RS485本地通信模块与单灯控制器本地连接，将接收到的当前天气状态信息等扩展应用数据传输给单灯控制器，单灯控制器通过 4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块将数据远程上传至控制中心。单灯控制器通过 4G/GPRS/NB-IOT无线通信模块完成与以太网数据通信，实现对路灯的远程开关灯、调光、数据采集、故障检测、主动上报功能，控制器具备自测试、自诊断功能，在出现死机、模块工作异常但没有损坏的情况下，不影响LED灯的正常运行，控制器可在三倍启动时间内检测发现该故障并完成自恢复，同时控制器可完成脱网运行，在与远程平台通信中断的情况下，能自主独立运行。

综上所述，本实用新型有效地检测灯具的运行状态，能够直观、精准、有效地根据需要记录和远程传输运行数据，同时可以实现对于灯具的定时开关和照明亮度调节。对于保证路灯的平稳运行，节约路灯维修成本和电能消耗，具有很重要的实际应用价值。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：包括外壳和安装在外壳内的电路板，所述电路板上集成有主控模块、无线通信模块、电量采集模块、本地通信模块、调光控制模块和电源模块；所述无线通信模块、本地通信模块、电量采集模块、调光控制模块、电源模块分别与主控模块连接。

2.根据权利要求1所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述主控模块由中央处理器、时钟模块、存储单元和JTAG接口组成，所述时钟模块、存储单元、JTAG接口分别与中央处理器连接。

3.根据权利要求2所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述无线通信模块通过通信适配单元与中央处理器连接，且所述无线通信模块与控制中心通讯连接。

4.根据权利要求2所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述本地通信模块、电量采集模块、调光控制模块、电源模块分别与中央处理器连接。

5.根据权利要求4所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述电量采集模块与LED驱动电源的信号输出端口连接，所述LED驱动电源的电源输出端口与LED灯具连接，所述LED驱动电源的控制输入端口与调光控制模块连接。

6.根据权利要求5所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述电源模块的输入端与AC电源连接，输出端通过继电器模块分别与电量采集模块、LED驱动电源连接。

7.根据权利要求6所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述外壳由下盖和旋扣在下盖上的上盖组成，所述电路板设于下盖内侧。

8.根据权利要求7所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述上盖为一端封口和一端开口的桶状结构，所述下盖为一圆片状结构。

9.根据权利要求7所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述下盖安装在LED灯具的底端。

10.根据权利要求2所述一种多种通信模式的单灯控制器，其特征在于：所述中央处理器为STM32F103芯片。

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