一種基於ZigBee和Wi-Fi技術的LED路燈智能監控系統的製作方法
2023-04-26 10:28:01 2
一種基於ZigBee和Wi-Fi技術的LED路燈智能監控系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於ZigBee和Wi-Fi技術的LED路燈智能監控系統，其包括上位機、無線路由器、Wi-Fi模塊、ZigBee協調器及若干組監控終端，所述上位機通過無線路由器與Wi-Fi模塊無線通信連接，所述Wi-Fi模塊與ZigBee協調器間通過串口雙向通信連接，所述ZigBee協調器與每個ZigBee終端間無線通信連接；每組監控終端均至少包括ZigBee終端、LED路燈驅動、LED路燈和檢測模塊，且其中的ZigBee終端與LED路燈驅動、LED路燈、檢測模塊依次串聯連接。本發明所提供的LED路燈智能監控系統具有節能、控制智能化、維護便捷、現場布線簡單、成本低但綜合功能強等優點。
【專利說明】—種基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種LED路燈監控系統，具體說，是涉及一種基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統，屬於LED智能照明【技術領域】。
【背景技術】
[0002]LED路燈具有環保無汙染、耗電少、光效高、可控性好等優點，但目前我國街道上的LED路燈主要是有線LED路燈系統，存在硬體接線複雜、升級成本高、維護不方便等諸多缺點。
[0003]隨著近幾年無線技術的發展，尤其是最近幾年發展迅速的ZigBee無線技術，它具有成本低、組網容量大、功耗低、免執照頻段等很多優點，及W1-Fi無線技術具有覆蓋範圍廣、傳輸速度非常快、安全性高、無線熱點多、支持W1-Fi協議的終端量大等特點，使人們產生了對無線LED路燈系統的嚮往。無線LED路燈系統應具有不需要布線、硬體接線簡單、能及時升級、維護方便等優點，可克服有線LED路燈系統的應用局限性，可滿足間距長、偏遠街道的路燈照明需求，可為智能交通提供強大的協議和硬體支持，具有長足發展前景。
[0004]中國專利申請201110353257.1提出了一種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，雖然該專利技術實現了遠程調光和故障報警功能，但不能實現LED路燈的故障檢測、LED路燈的光衰檢測、恆照度調光、道路閒時調光、道路交通狀況檢測等多種功能，無法形成綜合、智能監控系統，仍然不能有效滿足當今的節能、環保要求。
【發明內容】
[0005]針對現有技術存在的上述問題和需求，本發明旨在提供一種不僅具有節能、控制智能化、維護便捷、現場布線簡單等優點，而且可實現LED路燈的故障檢測、LED路燈的光衰檢測、道路交通狀況檢測、恆照度調光、道路閒時調光等多種功能的基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統，使無線LED路燈系統的廣泛應用成為可能。
[0006]為實現上述發明目的，本發明採取的技術方案如下:
[0007]一種基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統，包括:上位機、無線路由器、W1-Fi模塊、ZigBee協調器及若干組監控終端，所述上位機通過無線路由器與W1-Fi模塊無線通信連接，所述W1-Fi模塊與ZigBee協調器間通過串口雙向通信連接，所述ZigBee協調器與每個ZigBee終端間無線通信連接；每組監控終端均至少包括ZigBee終端、LED路燈驅動、LED路燈和檢測模塊，且其中的ZigBee終端的輸出端與LED路燈驅動的輸入端電連接，LED路燈驅動的輸出端與LED路燈電連接，LED路燈與檢測模塊的輸入端連接，檢測模塊的輸出端與ZigBee終端的輸入端電連接。
[0008]作為一種優選方案，所述的LED路燈智能監控系統，還包括用於W1-Fi模塊、ZigBee協調器和ZigBee終端供電的開關電源，且所述開關電源與LED路燈驅動的輸入端電連接。
[0009]作為進一步優選方案，所述的開關電源為直流電源。[0010]作為一種優選方案，所述W1-Fi模塊與ZigBee協調器間通過9芯D型RS232C串口雙向通信連接。
[0011]作為一種優選方案,所述的LED路燈包括功率大於30瓦的大功率LED路燈。
[0012]作為一種優選方案，所述的檢測模塊至少包括電流檢測模塊、光照度檢測模塊和雷達檢測模塊。
[0013]作為一種優選方案，所述的上位機包括數據分析單元，所述的數據分析單元至少包括LED路燈故障檢測分析、LED路燈光衰檢測分析、道路交通狀況檢測分析、恆照度調光分析和道路閒時調光分析。
[0014]作為一種優選方案，所述的上位機為PC機、PLC或移動終端。
[0015]作為一種優選方案，所述的ZigBee協調器包括供電電路、RS232通訊電路、無線收發電路和ZigBee晶片；所述的供電電路包括48VDC轉5VDC電路和5V轉3.3V電路，其中的48VDC轉5VDC電路是RS232通訊電路的供電電路，其中的5V轉3.3V電路是ZigBee晶片的供電電路；所述的無線收發電路是ZigBee協調器與ZigBee終端之間的通信電路；所述的ZigBee晶片採用CC2530F256晶片。
[0016]作為一種優選方案，所述的ZigBee終端包括供電電路、無線收發電路和ZigBee晶片；所述的供電電路為ZigBee晶片供電，包括48VDC轉5VDC電路和5V轉3.3V電路；所述的無線收發電路是ZigBee協調器與ZigBee終端之間的通信電路；所述的ZigBee晶片採用CC2530F256 晶片。
[0017]本發明所述的LED路燈智能監控系統的工作原理如下:
[0018]無線路由器構建W1-Fi網絡，供上位機連接進入網絡；Wi_Fi模塊連接W1-Fi網絡，傳輸上位機與ZigBee協調器之間的檢測與控制信息，是上位機與ZigBee協調器的橋梁；ZigBee協調器是各個ZigBee終端的「路由器」，將接收到的由上位機發布的控制信息(如:開關、調光等)發送至ZigBee終端，然後ZigBee終端將接收到的如開關、PWM等控制信號輸出給LED路燈驅動，LED路燈驅動接收來自ZigBee終端輸送的控制信息，對LED路燈進行開關或調光控制；另外，檢測模塊將檢測到的關於對應LED路燈的相關信息(如:電流值、光照度、該路燈下的車輛移動方向、速度等交通信息)通過ZigBee終端反饋給ZigBee協調器，再由ZigBee協調器反饋給上位機，上位機根據反饋的檢測信息和採集的時間、季節、地理位置及環境光照度等信息，做出開關、維修、調光等監控信息。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益技術效果包括但不限於:
[0020]1、本發明將現在發展前景很好的物聯網技術巧妙地結合到LED路燈的智能控制中，產生了傳統路燈所不能實現的優勢，如:節能、控制智能化、升級快、維護便捷、現場布線簡單等。
[0021]2、現有技術中，ZigBee+CDMA (GSM)等模式組成的LED路燈控制系統存在額外的長期運營費用問題，因為每一張WM (SIM)卡都要支付給移動運營商一定的月租、流量或者簡訊費用；這樣使得長期的運營成本大幅度提高。而本發明巧妙地組合ZigBee網絡和W1-Fi網絡，利用ZigBee網絡的組網簡單、成本低、功耗低和W1-Fi網絡的分布廣、傳輸速度快、安全性高等特點，使整個系統的成本和性能達到了完美結合。
[0022]3、本發明可以實現LED路燈的故障檢測、LED路燈的光衰檢測、道路交通狀況檢測、恆照度調光、道路閒時調光等多種功能，綜合性高。[0023]4、現有技術僅將檢測模塊做簡單疊加，不能實現智能、綜合控制，性價比不高。而本發明能實現實時監控系統中的所有LED路燈，監控功能有:LED路燈故障檢測、LED路燈光衰檢測、道路交通狀況檢測、恆照度調光、道路閒時調光等多種功能，綜合性高，可達到真正的智能調控、節能目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明實施例提供的一種基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統的拓撲圖；
[0025]圖2是本發明實施例中所述的ZigBee協調器的電路原理圖；
[0026]圖3是圖2中的48V轉5V電路的電路圖；
[0027]圖4是圖2中的5V轉3.3V電路的電路圖；
[0028]圖5是圖2中的RS232通訊電路的電路圖；
[0029]圖6是圖2中的ZigBee晶片的電路圖；
[0030]圖7是本發明實施例中所述的ZigBee終端的電路原理圖；
[0031]圖8是圖7中的48V轉5V電路的電路圖；
[0032]圖9是圖7中的5V轉3.3V電路的電路圖；
[0033]圖10是圖7中的ZigBee晶片的電路圖；
[0034]圖11是本發明實施例中所述的LED路燈驅動的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖及其實施例對本發明進一步詳細地說明:
[0036]實施例
[0037]如圖1所示:本實施例提供的一種基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統，包括:上位機1、無線路由器2、W1-Fi模塊3、ZigBee協調器4及若干組監控終端5(圖中只示出了 3組，但本發明不限定為3組，可以根據使用現場布置一組或多組)，每組監控終端5均至少包括ZigBee終端51、LED路燈驅動52、LED路燈53和檢測模塊54 ;所述上位機I通過無線路由器2與W1-Fi模塊3無線通信連接，所述W1-Fi模塊3與ZigBee協調器4間通過串口雙向通信連接，所述ZigBee協調器4與每個ZigBee終端51間無線通信連接；每組監控終端5中的ZigBee終端51的輸出端與LED路燈驅動52的輸入端電連接，LED路燈驅動52的輸出端與LED路燈53電連接，且LED路燈53與檢測模塊54的輸入端連接，檢測模塊54的輸出端與ZigBee終端51的輸入端電連接。
[0038]本實施例所述的LED路燈智能監控系統還包括用於W1-Fi模塊3、ZigBee協調器4和ZigBee終端51供電的開關電源6，且所述開關電源6與LED路燈驅動52的輸入端電連接，同時作為LED路燈驅動52的輸入端；所述的開關電源6為直流電源。
[0039]本實施例所述的W1-Fi模塊3與ZigBee協調器4間通過9芯D型RS232C串口雙向通信連接。
[0040]本實施例所述的LED路燈53包括功率大於30瓦的大功率LED路燈，例如:可以為60瓦大功率LED路燈。
[0041]圖2是本發明實施例中所述的ZigBee協調器的電路原理圖，由圖2可見:所述的ZigBee協調器包括供電電路、RS232通訊電路、無線收發電路和ZigBee晶片；所述的供電電路包括48VDC轉5VDC電路和5V轉3.3V電路，其中的48VDC轉5VDC電路是RS232通訊電路的供電電路，其中的5V轉3.3V電路是ZigBee晶片的供電電路；所述的無線收發電路是ZigBee協調器與ZigBee終端之間的通信電路；所述的ZigBee晶片採用CC2530F256晶片。其中的48V轉5V電路可採用圖3所示的電路圖，基於LM2575HV-5V晶片設計，其作用是將外部輸入的48VDC轉化為5VDC，用來給RS232通訊電路供電。其中的5V轉3.3V電路可採用圖4所示的電路圖，基於TPS6300IDRCR晶片設計，其作用是將48V轉5V電路轉化得到的5VDC再次轉化為3.3VDC，用於給Zigbee晶片供電。其中的RS232通訊電路可採用圖5所示的電路圖，基於MAX232ACPE晶片設計，其作用是通過RS232接口來與上位機通訊。其中的Zigbee晶片可採用圖6所示的CC2530F256晶片電路，其中的調試仿真接口是為軟體設計而預留的，IIC接口和GPIO接口為外圍傳感器接入口，PWM輸出口作為LED驅動的輸入，進行調光。
[0042]圖7是本發明實施例中所述的ZigBee終端的電路原理圖，由圖7可見:所述的ZigBee終端包括供電電路、無線收發電路和ZigBee晶片；所述的供電電路為ZigBee晶片供電，包括48VDC轉5VDC電路和5V轉3.3V電路；所述的無線收發電路是ZigBee協調器與ZigBee終端之間的通信電路；所述的ZigBee晶片採用CC2530F256晶片。其中的48V轉5V電路可採用圖8所示的電路圖，基於LM2575HV-5V晶片設計，其作用是將外部輸入的48VDC轉化為5VDC。其中的5V轉3.3V電路可採用圖9所示的電路圖，基於TPS6300IDRCR晶片設計，其作用是將48V轉5V電路轉化得到的5VDC再次轉化為3.3VDC，用於給Zigbee晶片供電。其中的ZigBee晶片可採用圖10所示的CC2530F256晶片電路，其中的調試仿真接口是為軟體設計而預留的，IIC接口和GPIO接口為外圍傳感器接入口，PWM輸出口作為LED驅動的輸入，進行調光。
[0043]圖11是本實施例中所述的LED路燈驅動的電路原理圖，由圖11可見:LED路燈驅動的主要工作原理是將48VDV通過外圍電阻、電感等元器件的設定，將電壓電流轉為一定的值，而PWM波可以調節電流來達到調光的目的。由圖11可見:本發明中的LED路燈驅動6可選用具有效率大於90%、輸入電壓範圍廣、恆流驅動LED、驅動電流寬、驅動能力強、帶有EN使能、外部PWM低頻調光、外部線性調光等優點的LED驅動晶片。
[0044]本實施所述的檢測模塊54至少包括電流檢測模塊541、光照度檢測模塊542 (和雷達檢測模塊543 ;所述的上位機I包括數據分析單元11，所述的數據分析單元11至少包括LED路燈故障檢測分析111、LED路燈光衰檢測分析112、道路交通狀況檢測分析113、恆照度調光分析114和道路閒時調光分析115。
[0045]本發明所述的電流檢測模塊541的功能是檢測LED路燈的電流並與正常值對比，以得出LED路燈是否出現故障；可採用美國德州儀器公司的皿193晶片組成；其工作原理為:電流輸入經過電流取樣檢測電路後，成為電壓信號，再經衰減電路調整到適合AD輸入的電壓範圍(O?3V)，經運放構成的緩衝器輸出到ZigBee終端51的ADIN端。
[0046]本發明所述的光照度檢測模塊542的功能之一是檢測LED路燈的實際光照度並與設定值交叉對比，以得出LED路燈的光衰程度，所述的光照度檢測模塊542的功能之二是同時檢測外界環境的光照度，並通過ZigBee終端51反饋給ZigBee協調器4，再由ZigBee協調器4反饋給上位機I，上位機I根據採集的地域信息(如:南方、北方)、季節信息(如:春、夏、秋、冬)和時間信息(如:日出和日落)，分析得出LED路燈的調光信息，然後發送給ZigBee協調器4，再由ZigBee協調器4傳輸給ZigBee終端51和LED路燈驅動52，當LED路燈驅動52接收來自ZigBee終端51輸送的調光信息，立即對LED路燈53進行調光控制，以實現真正節能需求。所述的光照度檢測模塊542可採用羅姆公司的BH1750FVI晶片組成；其工作原理為:檢測傳感器採集區域(2塊晶片，I塊檢測LED路燈本身的光照強度，另一塊檢測LED路燈照射下的路面光照強度)的光照強度值，並將光強數值通過IIC總線傳入ZigBee終端51。
[0047]本發明所述的雷達檢測模塊543的功能是檢測對應LED路燈53下的車輛移動方向、速度等信息，通過ZigBee終端51反饋給ZigBee協調器4，再由ZigBee協調器4反饋給上位機1，由上位機分析給出開關控制信息(例如:在道路閒時，間隔的打開部分LED路燈；當檢測到有車輛駛入時將依次打開LED路燈等)，然後發送給ZigBee協調器4，再由ZigBee協調器4傳輸給ZigBee終端51和LED路燈驅動52，當LED路燈驅動52接收來自ZigBee終端51輸送的開關信息，立即對LED路燈53進行開關控制，以實現真正節能需求。所述的雷達檢測模塊543的工作原理是利用都卜勒雷達原理設計的微波移動物體探測器，檢測過往車輛的車速和行駛方向，並將數據傳入ZigBee終端51。
[0048]上位機對LED路燈故障的檢測分析是通過電流檢測模塊541傳輸的電流數據，結合LED路燈53的正常電流值交叉對比，從而分析得出LED路燈53是否出現故障，並通過人機界面反饋故障信息。
[0049]上位機對LED路燈光衰的檢測分析是通過光照度檢測模塊542傳輸的LED路燈53本身光照強度值，結合設定的光照強度值進行對比，分析得出LED路燈53光衰是否超過設定的閾值，並通過人機界面反饋光衰信息。
[0050]上位機對道路交通狀況的檢測分析是通過雷達檢測模塊543傳輸的數據，統計每個過往的LED路燈53所在位置的車輛，分析得出整個安裝有LED路燈53的區域道路交通的基本狀況，並通過人機界面反饋道路交通狀況信息。
[0051]上位機對恆照度的調光分析是通過光照度檢測模塊542傳輸的LED路燈53所在環境下的光照強度值，與設定的環境光照強度值進行對比，能夠自動的調節LED路燈53的亮度，使得所在環境下的光照強度值為恆定值，從而達到不同時段、季節、地域和天氣氣候的調光目的。
[0052]上位機對道路閒時的調光分析是通過雷達檢測模塊543傳輸的數據，沒檢測到車輛駛入時(即在道路閒時)，間隔的打開部分LED路燈53 ;而一旦檢測到有車輛駛入時將依次打開LED路燈53。
[0053]本實施所述的上位機為PC機、PLC或移動終端。
[0054]本發明所述的LED路燈智能監控系統的工作原理如下:
[0055]無線路由器2構建W1-Fi網絡，供上位機I連接進入網絡；Wi_Fi模塊3連接W1-Fi網絡，傳輸上位機I與ZigBee協調器4之間的檢測與控制信息，是上位機I與ZigBee協調器4的橋梁；ZigBee協調器4是各個ZigBee終端51的「路由器」，將接收到的由上位機I發布的控制信息(如:開關、調光等)發送至ZigBee終端51，然後ZigBee終端51將接收到的如開關、PWM等控制信號輸出給LED路燈驅動52，LED路燈驅動52接收來自ZigBee終端51輸送的控制信息，對LED路燈53進行開關或調光控制；另外，檢測模塊54將檢測到的關於對應LED路燈53的相關信息(如:電流值、光照度、該路燈下的車輛移動方向、速度等交通信息)通過ZigBee終端51反饋給ZigBee協調器4，再由ZigBee協調器4反饋給上位機1，上位機I根據反饋的檢測信息進行分析，做出開關、維修、調光等監控信息。
[0056]由於ZigBee無線技術具有成本低、組網容量大、功耗低、免執照頻段等很多優點，最近幾年發展迅速；而W1-Fi無線技術隨著這幾年的不斷發展與改進具有覆蓋範圍廣、傳輸速度非常快、安全性高、無線熱點多、支持W1-Fi協議的終端量大等優點。因此，本發明巧妙地組合ZigBee網絡和W1-Fi網絡，利用各自的優缺點進行互補，使得本發明所提供的LED路燈智能監控系統的成本和性能達到了完美的結合，產生了傳統路燈所不能實現的優勢，如:節能、控制智能化、升級快、維護便捷、現場布線簡單等。同時，本發明所述的監控系統可適用PC機、PLC和移動終端作為上位機，不僅具有友好的人機操作界面，尤其是基於安卓系統的移動終端，具有市場佔有率大、開放性強和開發周期短等優點，使得本發明系統調控方便、維護人員操作更簡單等優點。另外，本發明還可以實現LED路燈的故障檢測、LED路燈的光衰檢測、恆照度調光策略、道路閒時調光策略、道路交通狀況檢測等多種功能，綜合性高，可達到真正的智能調控、節能目的。
[0057]最後有必要在此說明的是:上述內容只用於對本發明的技術方案作進一步詳細說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於ZigBee和W1-Fi技術的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:包括上位機、無線路由器、W1-Fi模塊、ZigBee協調器及若干組監控終端，所述上位機通過無線路由器與W1-Fi模塊無線通信連接，所述W1-Fi模塊與ZigBee協調器間通過串口雙向通信連接，所述ZigBee協調器與每個ZigBee終端間無線通信連接；每組監控終端均至少包括ZigBee終端、LED路燈驅動、LED路燈和檢測模塊，且其中的ZigBee終端的輸出端與LED路燈驅動的輸入端電連接，LED路燈驅動的輸出端與LED路燈電連接，LED路燈與檢測模塊的輸入端連接，檢測模塊的輸出端與ZigBee終端的輸入端電連接。
2.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的LED路燈智能監控系統還包括用於W1-Fi模塊、ZigBee協調器和ZigBee終端供電的開關電源，且所述開關電源與LED路燈驅動的輸入端電連接。
3.如權利要求2所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的開關電源為直流電源。
4.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述W1-Fi模塊與ZigBee協調器間通過9芯D型RS232C串口雙向通信連接。
5.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的LED路燈包括功率大於30瓦的大功率LED路燈。
6.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的檢測模塊至少包括電流檢測模塊、光照度檢測模塊和雷達檢測模塊。
7.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的上位機包括數據分析單元，所述的數據分析單元至少包括LED路燈故障檢測分析、LED路燈光衰檢測分析、道路交通狀況檢測分析、恆照度調光分析和道路閒時調光分析。
8.如權利要求1或7所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的上位機為PC機、PLC或移動終端。
9.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的ZigBee協調器包括供電電路、RS232通訊電路、無線收發電路和ZigBee晶片；所述的供電電路包括48VDC轉5VDC電路和5V轉3.3V電路，其中的48VDC轉5VDC電路是RS232通訊電路的供電電路，其中的5V轉3.3V電路是ZigBee晶片的供電電路；所述的無線收發電路是ZigBee協調器與ZigBee終端之間的通信電路；所述的ZigBee晶片採用CC2530F256晶片。
10.如權利要求1所述的LED路燈智能監控系統，其特徵在於:所述的ZigBee終端包括供電電路、無線收發電路和ZigBee晶片；所述的供電電路為ZigBee晶片供電，包括48VDC轉5VDC電路和5V轉3.3V電路；所述的無線收發電路是ZigBee協調器與ZigBee終端之間的通信電路；所述的ZigBee晶片採用CC2530F256晶片。
【文檔編號】H05B37/02GK103781255SQ201410042018
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2014年1月28日
【發明者】曾凱, 李曼萍, 郭嘉, 張 傑, 許武軍 申請人:上海九高節能技術有限公司, 東華大學