全球定位系統智能路燈控制器的製作方法

2023-07-22 22:19:46

專利名稱：全球定位系統智能路燈控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種路燈控制器，尤其是將全球定位系統GPS技術運用於路燈照明控制的智能路燈控制器。
背景技術：
路燈控制器現狀對城市路燈照明的控制取決於兩個因素，第一個因素是時間因素。就是在一個晝夜中要完成幾個控制時間段，包括夜間段、白天段、黃昏段和黎明段。而這幾個時間段受到當地經緯度和季節的變化影響，因此，路燈要進行時間的控制。這也正是不少以時間控制的路燈控制器被稱為經緯控制的原因。第二個因素是光線的因素。就是當地天氣狀況，如晴天、陰天和霧天等等，所以，氣象因素也要求路燈得到控制。這就是所謂的光控方式。路燈控制器發展到今天，很多產品被冠名為智能路燈控制器。它們大多採用時間控制和光學控制的雙控方式，或者以時控為主，光控為輔；或反之。所謂時控就是將當地一年365天的日落和日出時間，根據大量統計規律得到的數據貯存到時鐘控制的單片機中，以此對路燈的開、關進行控制。同時，另一路控制指令則來自於光控電路。根據事先裝定的啟動光照度和關閉光照度，控制路燈的開和關。目前，國產的路燈控制器基本上或者採用時控方式，或者採用光控方式，或者兩者兼而有之。
時鐘控制存在的問題目前時控型路燈控制器內部均有實時時鐘晶片。這種時鐘晶片存在的最大問題就是溫度漂移現象。一般應用的民品實時時鐘晶片在20℃環境溫度下，其偏差為±10PPM(±5分鐘/年)，在-20℃～+85℃環境溫度下，其累積偏差可達±100PPM(±50分鐘/年)；最高級專用的實時時鐘在20℃環境溫度下，其偏差也會達到±2PPM(±1分鐘/年)，在在-20℃～+85℃環境溫度下，其累積偏差可達±8PPM(±4分鐘/年)。當前，出於成本的考慮，路燈控制器大多採用一般的民品實時時鐘晶片。附表1列出了各級時鐘晶振的溫漂數據。
附表1 各類時鐘晶振的溫漂數據

時控型路燈控制器還存在另外的問題，就是易受幹擾。當電網波動或者強電磁幹擾時，會使路燈控制器走時異常，即所謂「失控」，而且不能正常恢復。一是時間停走現象。正常實時時鐘小時的循環設定值應小於24，分鐘和秒鐘值應小於60。但是當上述幹擾突然出現時，會使所設定值失控，產生時鐘的誤操作。例如，秒鐘變為了80，實時時鐘當然不會計數運行了。這種停走現象是不能自動恢復的。二是外來的強幹擾增大了時鐘的累積誤差。這雖然不是時鐘晶片本身溫漂造成的，但其後果卻是相同的。出現白天誤亮，夜間的誤暗。這當然也必須及時維修或更換設備。
光控存在的問題光控方式，由於光敏元件的參數分散性，也極其容易受到外界的幹擾，會造成控制的不均勻，不可靠。路燈控制器往往工作在複雜惡劣的環境中，電網的質量、季節的變更、氣候的異常，以及周圍磁場的變化等因素，都會對系統的穩定性產生影響。
綜上所述，路燈控制器的工作環境是極其惡劣的，但真正對其幹擾構成威脅的來源主要有兩個，一是來自電網的波動；二是來自周圍磁場的變化。具體表現可能為如下幾個方面。(1)電網「掉電」，電壓瞬間跌至正常工作範圍以下；(2)電壓不穩定，夜間電壓超出正常工作電壓的10％左右；(3)高壓湧流。突然產生一個幾周、或幾十周高幅度的電壓波；(4)隨機產生的高頻尖峰脈衝；(5)電網頻率偏移；(6)周圍設備啟動產生的電磁幹擾，等等。引起上述環境的變化既有電網質量因素，也包括路燈設備自身的因素。路燈屬於大的感性負載設備，突然的啟停其瞬態電流、電壓的變化是非常複雜的，會伴隨高壓湧流、反激電壓、高頻脈衝的產生，對控制器極具破壞性，輕者使系統數據丟失、程序紊亂，重者將損壞機器設備。另外控制設備中的繼電器、接觸器的開/關電弧產生的高頻電磁幹擾，也能串入電路內部，幹擾控制器正常運行。雖然路燈控制器都設計有簡單的濾波裝置，但濾波範圍有限，應付不了複雜頻率的變化。可見在路燈控制系統應用環境下，沒有良好的抗幹擾性能是無法保證系統可靠性的。像常見的程序「死循環」即顯示混亂或無顯示等，就是典型的故障特徵。
正是由於時鐘晶片溫漂造成的時間偏差，加之外部的嚴重幹擾，目前的路燈控制器不得不經常性地進行大量手動校時工作，從而大大增加了路燈維護人員的工作量。而且，由於控制器的累積時間誤差偏大時，引起開、關燈時間的偏差，造成大量投訴，影響到路燈管理部門的企業形象。
路燈控制器如何使硬體和軟體可靠、高抗幹擾，做到「零」誤差和「免」維修一直是設計人員努力的方向。
實用新型內容本實用新型針對上述路燈控制器存在的技術問題，採用全新的設計思路，提出了一種智能路燈控制器，它解決了準確計時和自動校時這一關鍵性的技術問題，從而實現了高抗幹擾以保正運行的可靠性。
本實用新型的技術方案它包括控制器電源電路，採用箱式變壓器或變臺內的低壓側交流220V供電；經過降壓、整流、濾波電路轉換成直流為控制器各部分供電；實時時鐘，按年、月、日、時、分、秒計數運行；微處理器，根據實時時鐘晶片提供的時鐘信息，參照每日開關燈時間表，進行路燈控制器的時控操作；控制器輸出部分，是路燈控制器的輸出操作機構，由A和B兩路構成，A路控制照明路燈，B路控制景觀燈；光敏傳感器，它與微處理器相連，將光信號轉化為電信號輸入給微處理器；鍵盤與顯示，主要完成開、關燈時間查詢，運行時間、開關燈時間偏移時工作方式的查詢和設置，其設置參數通過微處理器存入非易失性存儲器件中；其特徵在於它還包括GPS接收模塊和GPS接收天線；GPS模塊通過串行通信方式，根據通信協議與微處理器進行數據通信；微處理器根據通信協議判別和提取正確的時間數據，對實時時鐘進行校時；微處理器也可以提取正確的經、緯度數據，實現經、緯度自動測量，再根據經、緯度計算開關燈時間，真正實現經緯型路燈控制；在電源部分還設置有兩級濾波電路包括差模和共模電路。
本實用新型可實現下述技術指標1.累積時間誤差，路燈控制器對所設定的控制時間誤差≤1S；年累積時間誤差≤1S；2.系統復位，對於實時時鐘出現「跳時」或「停表」現象，重新啟動GPS系統，時間≤1min；3.經、緯度測量，可以自動測量當地經、緯度，進一步實現經、緯路燈控制器。
本實用新型GPS型路燈控制器的優點主要體現在
1.「零」累積誤差，「免」校時，由於GPS接收到的是標準時間，作為時控晶片的基準時間，因此，實現「零」累積誤差，「免」校時。使以前對路燈控制器進行校時功能的要求變得毫無必要。從技術上根本解決了路燈控制器存在計時不準確的關鍵問題。
2.可實現時間故障快速恢復。控制器軟體具有時間故障鑑別能力，如出現「跳時」或「停表」時間故障，微處理器啟動GPS，快速恢復正確時間。時間故障控制器維持原來輸出狀態不變，避免控制器誤輸出操作。GPS模塊熱啟動定位時間平均8秒，冷啟動平均48秒。
3.增加了差模和共模濾波電路，具有較強抗電磁幹擾能力。具有硬體看門狗電路，能實現微處理器在故障狀態下快速恢復。加之同光控功能的配合，整機的適應環境能力有很大的提高。
本實用新型GPS型路燈控制器效益分析運用全球定位系統技術路燈控制器屬於新一代路燈控制器。它將為城市的路燈照明和「亮化」、「美化」提供全新的形象，產生良好的經濟和社會效益。
1.統一開、關燈時間，節約電能，成功地解決了由於路燈照明時間偏差而造成的浪費現象。目前由於路燈控制的不準確、不到位，為了解決保證夜間的照明，路燈管理部門不得不在路燈運行時間上留出較大的冗餘度。要求每天提前15分鐘亮，而推遲15分鐘滅，合計30分鐘。這樣，以瀋陽市全市路燈總容量17000KW計算，按每KWH0.65元計算，全年就這筆冗餘度的電費開支就是200萬元。而提前開燈或者延時關燈而造成的浪費更是不計其數了。
2.取消人工巡視線路和設備，減少人員和車輛費用，大大節省了為路燈開關校時的人員維修資源。由於現行路燈控制器造成的累積偏差，各個街道變臺控制的路燈開關時間相差很大，不斷要求維修，一線工人每天都要進行大量的維修才能保證正常的路燈開關。
3.及時發現設備被盜及外力破壞，減少損失。
綜上所述，僅瀋陽市現有路燈運行就可以年度節約資金在300萬元以上。
以上是針對瀋陽市現已安裝的路燈採用路燈控制器後的節約電能情況。路燈供電電源點為702個。另外，據來自瀋陽市路燈管理局的資料表明，瀋陽市建成區目前有道路2166條，一二級街路216條，現有路燈10萬餘盞，但是有689條街路還沒有路燈，佔近32％。所以，路燈控制器潛在的發展空間也很大。
4.可靠性高，壽命長，成本低廉，現行路燈控制器由於其累計計時偏差過大而又不便於校時，壽命一般僅為2、3年。而新型GPS路燈控制器可靠性高，壽命長，將不低於5年，從而使其成本相對低廉。
5.市場廣闊，GPS新型路燈控制器具有時控和光控的複合控制功能，可以開發為多品種、多系列，用於多種場合照明和裝飾燈的控制，例如街道、小區、庭院、樓群等等，其發展空間十分廣闊，將為城市美化和亮化發揮重要的作用。


圖1為路燈控制器電路方框圖。
圖2為路燈控制器顯示電路結構圖。
圖3為路燈控制器電源電路結構圖。
圖4為路燈控制器控制電路結構圖。
以下結合附圖及具體實施例詳細描述本實用新型具體實施方式
實施例1如圖1所示，路燈控制器包括現有技術部分(圖1的下部)和改進的特徵部分(圖1的上部)。
現有技術部分採用時控加光控的複合型，在時控型的基礎上加光敏傳感器形成複合型路燈控制器。採用箱式變壓器或變臺內的低壓側交流220V供電。在控制器內經過降壓、整流、濾波電路轉換成直流5V或12V為控制器各部分供電。此電源的性能影響整套裝置的抗電磁幹擾能力。實時時鐘晶片相當於電子表，按年、月、日、時、分、秒計數運行，並且有後備電池，供外電停電時運行。微處理器對其讀和寫操作。微處理器根據實時時鐘晶片提供的時鐘信息，參照每日開關燈時間表，進行路燈控制器的時控操作。
路燈控制器一般需要一定數量的鍵盤並有相應的顯示功能，主要完成時間查詢和設置，開關燈時間的查詢和工作方式的設定，開關燈時間偏移量的設置和查詢等功能。其設置參數通過微處理器存入非易失性存儲器件中。
控制器輸出部分是路燈控制器的輸出操作機構，一般地由兩路構成，即A和B路。A路控制照明路燈，B路控制景觀燈。
特徵部分在硬體上增加了GPS接收模塊和GPS接收天線。GPS模塊通過串行通信方式，根據NMEA-0183.Version2.20協議與微處理器數據通信。微處理器根據協議判別和提取正確的時間數據，對實時時鐘進行校時。微處理器也可以提取正確的經、緯度數據，實現經、緯度自動測量，再根據經、緯度計算開關燈時間，真正實現經緯型路燈控制器。
為了更有效地抗幹擾，在電源部分增加了兩級濾波電路包括差模和共模濾波電路。
如圖2所示，路燈控制器顯示電路是由LED和數碼管顯示電路以及實時時鐘電路構成以及接線端子構成。
LED和數碼管顯示電路的構成A1～A8為74LS595為串行輸入並口輸出的鎖存移位寄存器，A1～A7控制LL1～LL7七個共陽極的小數碼管，A8起控制開閉D1～D4四個發光二極體的作用。左側第一個小數碼管可顯示當時為第幾功能狀態，其它六個小數碼管可顯示對應狀態的內容。四個發光二極體為GPS指示，光控指示，A路亮燈指示，B路亮燈指示。
實時時鐘電路的構成DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘晶片，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達2.5～5.5V。採用三線接口與CPU進行同步通信，並可採用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有一個31×8的用於臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302與CPU的連接僅需要三條線，即SCLK、I/O、RST。
DS1302採用32.768kHz晶振。C13為去耦電容。
端子J1～J4都是接線端子，J1，J2與電源板相連，J3，J4與CPU板相連。
如圖3所示，路燈控制器電源電路是由電源濾波電路以及控制輸出電路構成。
電源濾波電路的構成C11、C12，H1為同心電感，起一次濾波作用。Z1為變壓器的自恢復保險，用以保護變壓器TRANS1。B1、B2為1A整流橋，在變壓器二次側的兩部分起整流，C14起二級濾波作用。由LM317H和R6，R7構成2V穩壓器，為數碼管顯示供電。MC78M05CT為三端穩壓器，可確保穩壓電壓值Uo為5V，然後由C17，L1、L2進行三級濾波，為控制器主電路供電。
控制輸出電路的構成由端子J6輸出電壓通過R9、R10控制三極體Q1、Q2。當高電平時，兩個三極體導通，RELAY-SPST1、RELAY-SPST2有電，常開觸電RLA、RLB閉合，通過端子J7輸出給路燈的接觸器。二極體D5、D6起保護繼電器作用。R8和R7在上電、掉電輸出時，起濾波作用。
如圖4所示，路燈控制器CPU控制電路是由微處理器和看門狗電路、光控電路、GPS模塊以及鍵盤構成。
微處理器和看門狗電路的構成系統選用ATMEL公司的單片機AT89C55為微處理器，採用12M晶振。採用U5(X25043)看門狗定時器和E2PROM，R20為上拉電阻。光控電路的構成由比較器LM293(U6)和R13，R14，R15，及6K光敏電阻，構成光控傳感器。
GPS模塊GPS模塊選用TAIWAN FALCON AEROSPACE公司的TFAG-30(U7)。GPS模塊天線採用臺灣GPS P1MAL天線。
鍵盤ZP1為按鍵上拉阻排，J11接按鍵。
權利要求1.一種全球定位系統智能路燈控制器，它包括控制器電源電路，採用箱式變壓器或變臺內的低壓側交流220V供電；經過降壓、整流、濾波電路轉換成直流為控制器各部分供電；實時時鐘，按年、月、日、時、分、秒計數運行；微處理器，進行讀和寫操作，根據實時時鐘晶片提供的時鐘信息，參照每日開關燈時間表，進行路燈控制器的時控操作；控制器輸出部分，是路燈控制器的輸出操作機構，由A和B兩路構成，A路控制照明路燈，B路控制景觀燈；光敏傳感器，它與微處理器相連，將光信號轉化為電信號輸入給微處理器；鍵盤與顯示，用於運行時間、開關燈時間偏移量的設置和查詢，工作方式的設定，其設置參數通過微處理器存入非易失性存儲器件中；其特徵在於它還包括GPS接收模塊和GPS接收天線；GPS模塊通過串行通信方式，根據通信協議與微處理器數據通信；微處理器根據通信協議判別和提取正確的時間數據，對實時時鐘進行校時；微處理器也可以提取正確的經、緯度數據，實現經、緯度自動測量，再根據經、緯度計算開關燈時間，真正實現經緯型路燈控制。
2.根據權利要求1所述的全球定位系統智能路燈控制器，其特徵在於所述的電源部分還設置有兩級濾波電路包括差模和共模抑制能力。
3.根據權利要求1所述的全球定位系統智能路燈控制器，其特徵在於所述的GPS接收模塊根據NMEA-0183.Version2.20協議與微處理器數據通信。
專利摘要一種全球定位系統智能路燈控制器，它包括控制器電源電路，實時時鐘，微處理器，控制器輸出部分，光敏傳感器，鍵盤與顯示，其特徵在於它還包括GPS接收模塊和GPS接收天線；GPS模塊通過串行通信方式，根據通信協議與微處理器數據通信；微處理器根據通信協議判別和提取正確的時間數據，對實時時鐘進行校時；微處理器也可以提取正確的經、緯度數據，實現經、緯度自動測量，再根據經、緯度計算開關燈時間，真正實現經緯型路燈控制。本實用新型GPS型路燈控制器解決了準確計時和自動校時這一關鍵性的技術問題，從而實現了高抗幹擾以保正運行的可靠性。
文檔編號H05B37/02GK2657326SQ200320105350
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月10日 優先權日2003年11月10日
發明者朱建新, 王佔元 申請人:瀋陽電力工程技術研究所