無線自動化控制電源開關系統的製作方法

2023-05-13 20:19:11

專利名稱：無線自動化控制電源開關系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無線控制系統，尤其是一種無線自動化控制電源開關系統。
背景技術：
為了積極響應國家節能減排的方針政策，為國家節約能源使用，節省財政開支。我 公司研發了無線自動化控制電源開關系統。本產品採用21世紀最為智慧的無線通信技 術——Zigbee遠程控制平臺，它被視為能源智慧化的最佳無線控制解決途徑。CC2430是一顆真正的系統晶片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性 能並滿足以ZigBee為基礎的2. 4GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。它結合一個 高性能2. 4GHz DSSS (直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制
οCC2430晶片延用了以往CC2420晶片的架構，在單個晶片上整合了 ZigBee射頻 (RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU (8051)，具有32/64/128KB可編程快閃記憶體和 8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協同處理器、看門狗 定時器(WatchdogTimer)、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、 掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21個可編程I/O引腳。CC2430晶片採用0. 18 μ m CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27mA ；在接收和發 射模式下，電流損耗分別低於27mA或25mA。CC2430/CC2431的休眠模式和轉換到主動模式 的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2430晶片的主要特點如下 高性能和低功耗的8051微控制器核。 集成符合IEEE802. 15. 4標準的2. 4GHz的RF無線電收發機。 優良的無線接收靈敏度和強大的抗幹擾性。 在休眠模式時僅0. 9 μ A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統，在待機模式時 少於0. 6 μ A的流耗，外部的中斷能喚醒系統。
硬體支持CSMA/CA功能。 較寬的電壓範圍(2. 0 3. 6V)。 數位化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能。 具有電池監測和溫度感測功能。 集成了 14位模數轉換的ADC。 集成AES安全協處理器。 帶有2個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE 802. 15. 4規範的 MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器。
ZIGBEE/802. 15. 4全兼容的硬體層，物理層。 集成1個高精度定位跟蹤引擎。 較少外圍電路。強大和靈活的開發工具。[0021]Zigbee是專門為低成本控制網絡設計的一種國際標準無線通信協議，它在 IEEE802. 15. 4標準的物理層和介質訪問控制層之上提供了一種包括網絡構成，通知設備發 現的標準方法。Zigbee系統具有遠距離，高抗幹擾性，靈活運用的無限組網。系統擴展性 強，故障自檢功能優越。該產品具有無線通信零費用、遠程控制終端設備開與關、故障的自 動檢測數據反饋等特點。以城市的路燈照明系統為例城市路燈照明系統是城市現代化的重要標誌，不但 具有照明的作用，還為城市的美化增添了一道道美麗的風景。傳統的城市路燈人工管理方 式需要耗費大量的人力、物力，尤其是現有的路燈管理模式已遠遠不能適應現代社會數字 化管理的要求，且管理費用較高；而且由於沒有有效的監控和故障檢測手段，不能實時監控 路燈的運行狀況，造成路燈故障信息的滯後性，在路燈發生故障時不能即時發現並進行維 護，影響市民晚間出行，給人們的生活造成不便，存在一定改的安全隱患。另外，現有的路燈 在電網供電情況發生變化時，其饋入功率不能隨電網電壓的變化實時控制，造成大量的電 力資源浪費，降低了電能的使用效率，同時也縮短了燈具的使用壽命。
發明內容本發明的目的在於，提供一種運用數位化和網絡化技術對終端設備進行管理無線 自動化檢測控制系統。該系統可對終端設備進行遠程監控、遠程故障檢測，從而方便市民的 家居和出行的安全，提高城市建設的管理水平，並可節約電能、延長設備的使用壽命。本發明是這樣實現的無線自動化檢測控制系統，包括終端電氣設備(1)、監控中 心(2)，其特徵在於在每個設備(1)上安裝有設備檢測執行模塊(3)及無線通訊模塊(4)， 設備檢測執行模塊(3)及無線通訊模塊(4)通過無線信號與監控中心(2)連接。同樣以城市的路燈照明系統為例，燈頭的檢測執行模塊(3)及無線通訊模塊⑷ 安裝在終端電氣設備路燈(1)的燈杆內，它由燈頭的檢測執行模塊和通信通訊模塊兩部分 構成。由於低功耗的特點，Zigbee設備的發射功率較小。一般相近上的兩個Zigbee節點 間的通信距離在10 IOOm內，在加大無線發射功率後，也可增加到1 3km ；但通過相鄰 節點的接續通信傳輸，建立起Zigbee設備的多條通信鏈路，還可使Zigbee的實際通信距離 大幅度增加。為了將信號通過無線傳輸下去，本發明運用集成度最高的2. 4GHz射頻前端 CC2591。該產品集成了可將輸出功率提高+22dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提 高+6dB的低噪聲放大器，從而能夠顯著增加無線系統的覆蓋範圍。前述的路燈無線檢測控制系統中，在監控中心(2)的伺服器中裝有遠程控制軟 件，該遠程控制軟體的用戶界面包括狀態顯示框、故障報警區、控制命令區、伺服器狀態 區、系統設置區。前述的路燈無線檢測控制系統中，在監控中心的上位機中裝有帶地理信息系統的 監控軟體，該監控軟體採用模塊化設計，由路燈站點參數設置模塊、運行功能組編輯模塊和 監控模塊組成，路燈站點參數設置模塊用於建立、刪除路燈節點，並進行路燈站點參數的設 置與編輯；運行功能組編輯模塊用於路燈站點的功能組編輯，把具有共同開關燈時間的路 燈站點放置在同一組內，便於群組操作；監控模塊用於監控各路燈站點的開關燈狀態並發 送控制參數到各路燈站點，以及進行事故報警、文檔列印等。[0029]前述的路燈無線檢測控制系統中，所述上位機監控軟體監控界面包括路燈站點分 布地圖、操作面板、路燈站點列表及操作與信息功能塊四部分，路燈站點分布地圖用於形成 本地路燈管理所需要的電子地圖，能實現地圖與屬性的綜合查詢、修改地圖、實時反映路燈 設備和道路的變化情況，在管理所、配電區和街道3個層次的畫面上實現路燈設施的分布 瀏覽；操作面板用於執行各種手動操作，路燈站點列表用於列出所有路燈站點當前時刻的 簡明狀態。與現有的技術相比，本發明集路燈的遠程控制、遠程故障檢測於一體，可對公路兩 邊的每個路燈進行遠程故障檢測，隨時掌握路燈的工作狀況，及時發現並處理路燈故障。同 時，通過無線檢測控制網絡，運用時控和功率調節等先進電子電力技術對任意一個路燈進 行開啟、關閉、分時降低功率，並根據道路上車輛和行人在不同時段的出行情況，設置時鐘 晶片的時間參數，實現不同時段下的光照差異，不僅能改善供電質量，提高功率因數，為用 戶節省電費，而且能對照明系統起到保護作用，在不影響路燈系統正常使用的前提下，達到 節約電能和延長路燈使用壽命的雙重功效。本發明可實現的功能1)每一個設備終端均有自己的專屬ID，有相應的位置坐標與其匹配，方便定位及 執行各種操作命令。2)系統自行建立數據傳輸網絡。3)系統信息的實時性，系統發送開關的命令，產品硬體即時執行，確保每一個設備 終端對系統發出命令的即時執行。4)定時開、關該命令可以通過軟體控制平臺發送定時開、關命令，硬體會根據定 時的開關命令進行定時開、關。產品硬體未能成功執行定時開、關命令時，硬體自動執行之 前執行的開、關命令。5)自動報修在系統發送開命令的同時，檢驗系統開始自動運行，每一終端配備 的檢測裝置即開始進行自檢。當發送低電平命令檢測設備檢測到高電平，說明設備未開。此 信息將立即反饋到控制中心，控制平臺再次發送開命令，若仍未開啟則判定為壞，上報故障 報告，此故障報告將顯示該設備的ID及位置坐標。6)旁路系統當通信模塊不能正常工作時，旁路系統自動開始運行，強制執行之 前控制中心發出的開、關命令，保證了終端設備的正常開、關。為延長終端設備的使用壽命，系統默認為在一分鐘內不可以將開和關操作同時進 行。摘要附圖為本發明的構成原理圖

圖1為本發明的構成原理圖；圖2為Zigbee網絡的三種拓撲結構；圖3為本發明的檢測模塊的內部結構示意圖；圖4為本發明的無線通訊模塊的結構示意圖；圖5為本發明的無線總控制器的內部結構示意5[0046]圖6為本發明監控中心的監控軟體的流程圖；具體實施方式
無線控制的電源開關設計用於一種裝置或設備，無線控制的電源開關是設計用於 在工廠裝配封裝，封裝後留有兩個埠，在工程施工時，需要現場連接。在不改變原有線路 的前提下，安裝非常簡單，與裝置和設備實現對接就可以實現，對電源開斷的功能。路燈、樓 宇中公共設施和用戶設備、工廠中的裝置或設備要實現無線自動化控制，都是無線自動化 控制電源開關所應用的範圍。只適用於交流、負荷額定值在電壓220V時不超過IOA ；規定 的無線自動化控制的電源開關，適用於路燈、企業和家庭中的公共設施和用戶設備和裝置。作為一條規則，在試驗電路裡的開關要連接在電源與負荷之間。若要用交流進行試驗，電路頻率要與開關額定頻率相同。開關試驗時，一次動作循 環是指從開關斷開位置，經過開關的每個電氣位置，再回到斷開位置。按照規定進行的試驗 結束時，開關應不出現電氣或機械故障，且仍能完成其正常功能。其轉換機構具有兩個或更多接通和斷開位置的開關，如2-路、3-路、或串並聯開 關，要在代表其實際使用的條件下進行試驗。並且要在涉及接通和斷開最大電流的每一位 置下進行試驗。開關試驗時，框架和外殼上在實際使用的正常條件下安裝時，可能接地的， 以及外露而使使用者觸及的所有金屬零件應予接地，或連接到試驗電路的一個導體上。本發明的實施例路燈無線檢測控制系統。包括路燈(1)、監控中心(2)。在每個 路燈(1)上安裝有燈頭的檢測及無線通訊電路板，安裝在燈杆內。直接在現有的路燈上進 行安裝即可，無需挖掘電纜溝，無需敷設新的電纜。燈頭的檢測及無線通訊電路板由檢測執 行模塊(3)和無線通訊模塊(4)構成的。檢測執行模塊的構成如圖(4)所示，無線通訊模 塊如圖(5)所示。接收數據時，無線通訊模塊所起到的作用是無線接收模塊，相反所起的作 用是無線發射模塊。無線通訊模塊是接收監控中心(2)或其他路燈發送的信號，單片機在 對接收到底餓數據進行校驗處理，判斷信號是否是自己的，若不是自己的，再通過無線通訊 模塊將數據發射出去，傳給下一個路燈的無線通訊模塊。若是自己的，接收並由檢測執行模 塊執行；隨後按接收到的數據命令，執行調用預先設置好的程序。負載Z為高壓鈉燈，考慮 到鎮流器因素，鎮流器是高壓鈉燈的重要配套件。目前與高壓鈉燈配套使用的鎮流器均為 電感性鎮流器，電感性鎮流器損耗小，阻抗穩定，阻抗菌素性偏差小，使用壽命長，燈泡的穩 定度比電阻性鎮流器好。它的性能和質量好壞直接對高壓鈉燈的壽命、發光效率和自熄產 生影響。高壓鈉燈鎮流器一般要求功率損耗小，安裝方便、牢固，具有良好的防水、防腐蝕和 安全性能，在環境溫度-40 +45°C的條件下，能連續工作12小時以上。在額定電壓下用鎮 流器測試燈泡功率與用規定的基準鎮流器測試燈泡功率相對比，其偏差應在士7. 5%範圍 內。必須注意不同規格的高壓鈉燈必須配用相應規格的鎮流器，燈泡與鎮流器不能 任意配用，尤其小功率燈泡配用大功率鎮流器後，導致燈泡工作電流過大，縮短使用壽命， 甚至會使燈泡燒毀。在整個壽命期間，鎮流器的電壓——功率特性曲線必須在規定的燈泡 電壓和功率極限範圍內變化。電源電壓的波動必將引起燈個、電參數的變化，如果電源電壓上升將引起燈泡工 作電流增大，促使電弧管冷端溫度提高，汞、鈉蒸氣壓增高，工作電壓、燈功率隨著增高，造成要泡壽命大大下降；反之。電源電壓降低，燈光不能正常工作，發光效率下降，還可能造成 燈不能啟動或自行熄滅。所以，要求客戶在燈使用時，電源電壓的波動不宜過大，一般要求 在額定值+10% -10%範圍之內變化。燈電壓的極限線交點都應在功率極限範圍內，並且在燈電壓的整個偏差範圍內始 終保持在功率偏差範內。理想的高壓鈉燈鎮液壓器應為在燈電壓上升至上偏差極限點，燈 功率反而下降。以250W高壓鈉燈為例在高壓鈉燈整個壽命過程中，工作電壓上升，燈功率變化 較小，鎮流器性能佳。在高壓鈉燈大部分工作時間處於過載狀態，鎮流器性能差。在高壓 鈉燈壽命前期，工作電壓上升，使燈功率上升很快，縮短燈壽命；在燈壽命後期，燈功率及發 光效率急劇下降，同樣也影響燈使用壽命，鎮流器對燈泡功率限制作用太差，鎮流器性能很 差，不宜採用。無線總控制器5的結構與上述無線通訊電路板構成相似，由無線通訊模塊和仿真 器構成，通過串口線和數據線與計算機相連。有技術人員通過串口窗口界面或人性化的界 面，按照預先設置好的數據指令，往下一級路燈上發送指令。發送指令時，無線通訊模塊所 起的作用是無線發射模塊。無線控制器(5)用來接收由燈頭檢測及無線通訊模塊出來的檢測數據，並通過無 線網絡將數據傳送到檢測中心(2)。在路燈(1)開啟一段時間後，燈頭檢測和無線通訊電 路會自動獲取路燈(1)的亮滅狀態並在適當的時候將數據發出。在某路燈出現異常時，該 路燈的燈頭檢測及無線通訊模塊通過無線發射將帶有路燈編號和異常狀況的編碼信號發 給下一個路燈，這個路燈在接收到信號後，判斷信號正誤，如正確，則返回一個答覆信號給 上一個路燈，並將信號傳遞下一個路燈，依此類推，直至將信號傳給無線總控制器(5).如 果信號有錯或某路燈的燈頭檢測及無線通訊模塊損壞，該路燈會重複發射信號以確保信號 能被傳送下去。以N-I號路燈為例，假設N-I號收到N號的信號錯誤，就不回復答覆信號，N 號路燈就會重新發射信號，如果還沒有答覆信號，則連發若干次，以確保N-I號路燈路燈能 收到信號。如果N-I號路燈的控制器已壞，N號路燈重發多次後還是不會收到N-I號的答 覆信號，則N號路燈就會給N-2號發送信號，如發生N-I號路燈的問題，N號也會連發多次， 如還收不到答覆信號，N號會繼續給N-3號發送信號，依次類推。其中重發信號的次數可以 修改，在此假設為3次，有控制器損壞時，其上一級控制器可以越級將信號傳遞下去，其鏈 路數也是可以修改的，根據通信距離，我們將鏈路設為(3)，即N號在異常情況下可以向N-2 號、N-3號、N-4號路燈傳遞信號。由於低功耗的特點，Zigbee設備的發射功率較小。一般相近上的兩個Zigbee節 點間的通信距離在10 IOOm內，在加大無線發射功率後，也可增加到1 3km ；但通過相 鄰節點的接續通信傳輸，建立起Zigbee設備的多條通信鏈路，還可使Zigbee的實際通信距 離大幅度增加。為了將信號通過無線傳輸下去，本發明運用集成度最高的2. 4GHz射頻前端 CC2591。該產品集成了可將輸出功率提高+22dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提 高+6dB的低噪聲放大器，從而能夠顯著增加無線系統的覆蓋範圍。CC2591是一款高性能的低成本前端，適用於諸如ZigBee網絡、傳感器、工業、消費 類電子以及音頻設備等所有2. 4GHz無線系統。該器件可為TI所有當前及未來2. 4GHz RF收發器、發送器以及片上系統產品提供無縫接口，不僅能夠加速開發進程，同時還能改善RF 性能。CC2591集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉換器(balim)、交換機、電感器 和RF匹配網絡等。這種無與倫比的集成度顯著簡化了高性能設計工作，使客戶能用極少的 外部組件開發出高輸出功率的無線解決方案。對於本系統的通信數據的速率選擇。由於數據速率對通信距離有較大影響，一般 而言，速率越高，距離就越近。數據模塊的最大傳輸數據速率為9. 6KBps，一般控制在2. 5k 左右，過高的數據速率會降低接收靈敏度及增大誤碼率，一般遙控裝置也不需要過高的速 率。所以本系統中通信數據的速率選為2. 4kbps，信號的波特率為57600bps。本系統的通信協議數據幀格式是自行定義的，其格式為
4248822各部分的意義如下幀頭用於標識一幀信息幀的開始；命令需要發送的指令，按照指令調用程序；時間執行程序的時間；源地址為發送控制器的地址；目標地址為信號接收控制器地址；備用位為擴展地址需要；校驗位數據的校驗碼在監控中心(2)的伺服器中裝有遠程控制軟體，該遠程控制軟體的用戶界面包括 狀態顯示框、故障報警區、控制命令區、伺服器狀態區、系統設置區；狀態顯示用於對路燈通 過無線網絡傳回來的運行數據進行顯示，故障報警區用於顯示路燈的故障信息並發出報警 指示，控制命令區用於實現對路燈的遠程操作(開、關、單雙號開關、添加和刪除節點、修 改等)，伺服器狀態區用於顯示控制中心伺服器的狀態，系統設置區用於設置監控中心的軟 件運行參數。在監控中心的上位機中裝有帶地理信息系統的監控軟體(其流程圖如附圖6所 示)，該資料庫系統採用單機管理，使用Iirmx系統。該監控軟體採用模塊化設計，由路燈站 點參數設置模塊、運行功能組編輯模塊和監控模塊組成，路燈站點參數設置模塊用於建立、 刪除路燈節點，並進行路燈站點參數的設置與編輯；運行功能組編輯模塊用於路燈站點的 功能組編輯，把具有共同開關燈時間的路燈站點放置在同一組內，便於群組操作；監控模塊 用於監控各路燈站點的開關燈狀態並發送控制參數到各路燈站點，以及進行事故報警、文 檔列印等。上位機監控軟體監控界面包括路燈站點分布地圖、操作面板、路燈站點列表及操 作與信息功能塊四部分，路燈站點分布地圖用於形成本地路燈管理所需要的電子地圖，能 實現地圖與屬性的綜合查詢、修改地圖、實時反映路燈設備和道路的變化情況，在管理所、 配電區和街道3個層次的畫面上實現路燈設施的分布瀏覽；操作面板用於執行各種手動操 作，路燈站點列表用於列出所有路燈站點當前時刻的簡明狀態。本系統遠程通訊的實現每一個設備終端分配了自己的專屬ID，有相應的位置坐 標與其匹配。在設備⑴之間、設備⑴與無線控制器(5)之間以及無線控制器(5)與監控中心之間採用簇樹無線網絡拓撲結構(如圖3中所示)。
權利要求1.一種無線自動化控制電源開關系統，包括終端設備(1)、監控中心O)，其特徵在於 在每個設備(1)上安裝有檢測執行模塊( 及無線通訊模塊，設備檢測執行模塊(3)及 無線通訊模塊(4)通過無線信號與監控中心(2)連接；無線總控制器(5)由無線通訊模塊 和仿真器構成，通過串口線和數據線與計算機相連。
2.根據權利要求1所述無線自動化控制電源開關系統，設備的檢測執行模塊(3)及無 線通訊模塊(4)安裝在終端電氣設備(1)內，它由設備的檢測執行模塊和無線通訊模塊兩 部分構成。
3.根據權利要求1所述無線自動化控制電源開關系統，其特徵在於為了將信號通過 無線傳輸下去，運用集成度最高的2. 4GHz射頻前端CC2591，從而能夠顯著增加無線系統的覆蓋範圍。
4.根據權利要求1所述無線自動化控制電源開關系統，其特徵在於在設備(1)之間 以及設備⑴與無線控制器(5)之間採用簇樹無線網絡拓撲結構。
專利摘要本實用新型公開了一種無線自動化控制電源開關系統，包括終端設備(1)、監控中心(2)。在每個設備(1)上安裝有檢測執行模塊(3)及無線通訊模塊(4)，設備檢測執行模塊(3)及無線通訊模塊(4)通過無線信號與監控中心(2)連接。無線總控制器(5)由無線通訊模塊和仿真器構成，通過串口線和數據線與計算機相連。系統發送命令，產品硬體即時執行。在系統發送命令的同時，檢驗系統開始自動運行，每一終端配備的檢測裝置即開始自檢。若設備未開啟，此信息將立即反饋到控制中心，控制平臺再次發送命令，若仍未開啟則判定為壞，上報故障報告，此故障報告將顯示該設備的ID及位置坐標。在不影響用電設備系統正常使用的前提下，達到節約電能和延長設備使用壽命的雙重功效。
文檔編號H02J9/06GK201887542SQ201020257529
公開日2011年6月29日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者李強 申請人:山東榮強電子科技有限公司