一種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器的製作方法

2023-06-19 22:03:31 4

專利名稱：一種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，主要用於控制路燈，並能及時發現並解決故障。
背景技術：
目前，我國大部分路燈還是採用傳統的日光燈進行夜間照明，其電源是一般採用220V的市電照明，而不是採用環保的新型能源，不能緩解我國用電荒的困難。傳統路燈沒有採集光照強度的功能，從晚上點亮開始到早上關閉的整個過程都是使用同一的亮度，無法進行相應的調光控制。特別是在夜深無人的情況下，傳統路燈不能降低一定的亮度，還是保持原來的亮度，從而造成了其消耗的電量比較大。而且，傳統路燈的故障維修的時效具有滯後性，維修人員不能迅速的得知故障發生的地點，常常需要過好幾天才能收到某個路段的路燈出現故障的情況，這種維修的滯後性嚴重不利於居民的正常生活。綜上，目前的路燈具有供電電源不環保、不節能、故障維修不方便等缺點或不足。目前也有一些控制器來控制路燈，如中國專利申請號200910105775. 4，公開了ー種LED路燈控制器，雖然也採用了 PWM調光裝置，但是供電電源還是常用的電源，沒有從根本上起到節點的作用；另外，控制器沒有故障系統，而路燈是非常容易損壞，因此在維修方面也不方便。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是克服現有技術中所存在的上述不足，而提供一種結構設計合理的基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，該控制器不但採用環保的太陽能供電，而且其是基於Zigbee無線傳感網絡通信，能採集每ー盞LED路燈的光照強度，並進行遠程PWM調光控制，維修人員也可以由控制器通過Zigbee網絡反饋回來的故障報警信號來得知具體的某個地點某盞路燈的故障情況，從而達到及時維護的效果。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案是一種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，其特徵在於它包括LED燈具、電源模塊、無線傳感模塊、控制模塊、基站、計算機，所述的電源模塊包括電源控制晶片、輸入電源、升壓電路和恆流輸出電路，電源控制晶片和升壓電路均與輸入電源連接，恆流輸出電路與升壓電路連接，升壓電路與電源控制晶片連接，LED燈具與恆流輸出電路連接；電源模塊上還設置有PWM波調光控制輸入端和故障反饋輸出端；所述的輸入電源採用LED太陽能路燈恆流電源，該電源通過充放電對LED路燈進行供電，其完全沒有汙染、能循環使用。本實用新型所述的控制模塊包括PWM波發生器、光照強度採集傳感器、故障反饋模塊和執行節點，光照強度採集傳感器、PWM波發生器和故障反饋模塊均與執行節點連接，執行節點與電源模塊連接，PWM波調光控制輸入端與執行節點連接，故障反饋模塊與電源模 塊中的故障反饋輸出端連接；所述的光照強度採集傳感器採集當時當地的光強信息並發送給基站，PWM波發生器用於調節LED燈具的波形佔空比來實現亮度變化，故障反饋模塊用於檢測LED路燈的故障情況。本實用新型所述的控制模塊與基站之間通過Zigbee無線傳感器網絡連接，基站與計算機連接。本實用新型所述的控制模塊通過CC2430和CC2591兩塊晶片組合而成的電路實現無線傳感網絡，一起實現無線傳感網絡射頻的收發功能；其中，晶片CC2430提供燒錄晶片控制程序，並帶有復位功能，CC2591提供功放増益的作用，最遠距離可以達到800米。本實用新型所述的電源控制晶片為HV9911，供電電源為DC 12/24V輸入。本實用新型與現有技術相比，具有以下明顯效果I、在滿足正常的夜間照明條件的同時，採取太陽能驅動電源供電取代常用的市電電源供電，既環保又節能。2、本實用新型可以根據控制器採集到的光照強度結合夜間人流量的情況，適當的對LED路燈進行PWM波形發生器改變佔空比得到相對應的電流，從而改變LED路燈的亮度，可以節約大量的電カ資源。3、維修人員可以通過對控制器反饋回來的故障報警信號進行分析，比較準確的確定某個路段的某盞LED路燈的故障情況，從而及時地派出人員對相應的LED路燈進行維修。4、本實用新型採用的通信網路是Zigbee無線傳感網絡，該網絡有ー種符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，它的主要優點是低功耗、低速率、低成本、大容量、短延遲、協議簡單和高安全性以及全數位化等諸多優點。

圖I是本實用新型總體的工作原理方框圖。圖2是本實用新型的無線傳感網絡實現晶片CC2430的電路原理圖。圖3是LED路燈控制器太陽能供電電源實現原理圖。圖4是故障報警信號電路連接的第一種方法。圖5是故障報警信號電路連接的第二種方法。
具體實施方式
以下結合附圖並通過實施例對本實用新型作進ー步說明。實施例參見圖I 圖5，本實施例包括LED燈具I、電源模塊、無線傳感模塊、控制模塊、基站2、計算機3，所述的電源模塊包括電源控制晶片4、輸入電源5、升壓電路6和恆流輸出電路7，電源控制晶片4和升壓電路6均與輸入電源5連接，恆流輸出電路7與升壓電路6連接，升壓電路6與電源控制晶片4連接，LED燈具I與恆流輸出電路7連接；電源模塊上還設置有故障反饋輸出端8;所述的控制模塊包括PWM波發生器9、光照強度採集傳感器10、故障反饋模塊11和執行節點12，光照強度採集傳感器10、PWM波發生器9和故障反饋模塊11均與執行節點12連接，執行節點12與電源模塊連接，故障反饋模塊11與電源模塊中的故障反饋輸出端8連接。所述的控制模塊與基站2之間通過Zigbee無線傳感器網絡連接，基站2與計算機3連接。本實用新型所述的輸入電源5採用LED太陽能路燈恆流電源。本實施例中，電源模塊採用更加環保可持續的太陽能電源，該電源通過充放電對LED燈具I進行供電，其完全沒有汙染、能循環使用。由於路燈電源必須具有恆流或穩壓供應能力，因此電源選用LED太陽能路燈恆流(或穩壓)電源。電源的驅動方式有兩種ー種是ー個恆壓源供多個恆流源，每個恆流源単獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另ー種是直接恆流供電，LED串聯或並聯運行。它的優點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。而且為了滿足環境及使用需要，電源模塊還具有以下功能(I)高可靠性，特別像LED燈具I的驅動電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大，因此必須保證可靠性。(2)高效率，因為LED是節能產品，驅動電源的效率要高，尤其是對於電源安在燈具內的結構，而且LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。而電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發熱量就小，也就降低了燈具的溫升，對延緩LED的光衰有利。(3)高功率因素。功率因素是電網對負載的要求，一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網產生較嚴重的汙染。因此對於30瓦 40瓦的LED驅動電源，保證高功率因素，可以有效減緩對電網的汙染。(4)浪湧保護，由於電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪湧，有些浪湧會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪湧的侵入，保護LED不被損壞的能力，特別是抗反向電壓能力。(5)保護功能，除了常規的保護功能外，在恆流輸出中還設置有LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。(6)防護方面，燈具外安裝型，電源結構防水、防潮，外殼耐曬等。結合以上的太陽能電源的性能要求，LED燈具I的安裝環境的複雜性，本實施例主要側重電源的高可靠性、高效率、浪湧保護和防護方面。本實施例中，可以對LED燈具I的亮度進行調節。主要是光照強度採集傳感器10對LED燈具I進行光照強度的採集，同時PWM波發生器9調節LED燈具I電源波形的佔空比，從而改變LED燈具I的亮度達到節能的效果。首先，設置光照強度採集傳感器10的各項參數，使光照強度採集傳感器10能定時的每隔一段時間把當時當地的光強信息採集過來，並通過執行節點12的無線發送方式把所有的光強信息發送給基站2。基站2通過串ロ傳輸的方式把光強信息傳輸給計算機3,控制人員可以通過某種串ロ工具(如超級終端工具)來查看傳送來的光強信息，或者計算機3方面也可以通過一些可視化的軟體對光強信息進行判斷分析，再對該執行節點12所控制的LED燈具I進行PWM波調光。使用PWM波調光的關鍵在於PWM波發生器9的設計，主要有兩種方法一種是通過軟體方式，使用定時器的定時/中斷功能並對定時器進行編程，控制某一段時間間隔內，輸出電壓為低電平，然後在另ー時間間隔內，輸出電壓為高電平，如此反覆的產生高低電平輸出，即可得到PWM波，通過改變兩端不同的時間長度就可以形成不同的PWM波形。另ー種則是通過硬體的方式直接實現PWM波形發生器。對於ー些晶片而言，其本身就具有PWM波形發生器的功能的話，只要對該晶片的ー些相關寄存器進行設置，即可自動的在某一引腳輸出PWM波。這兩種方法各有優勢,前ー種可控的頻率範圍比較廣,而後一種相對前ー種來說，穩定性能比較高。對於實際應用來說，LED燈具I要求輸出的頻率都是比較固定的，一般只有幾百赫茲左右，主要通過調節其波形佔空比來實現亮度變化。再結合LED燈具I所在的室外環境比較複雜，因此，選擇穩定性能較高的硬體方式產生PWM波進行調光控制。本實施例中，在故障檢測方面，是通過控制模塊的故障反饋模塊11報警，並通過Zigbee無線傳感網絡反饋回基站2，再迅速地告知維修人員。LED燈具I故障主要有兩種，短路和斷路。分析這種電路故障的方法，通常採用的是電壓表檢測法，但是這樣就需要用到電壓表，並不能方便的告知維修人員，因此，需要對電壓表檢測法進行了一定的延伸擴展。正如電壓表檢測法是檢測某一個元器件或某一段電路的電壓情況，同樣的本實用新型的控制模塊通過把LED的電壓電流反饋回來的電信號傳遞給執行節點12作為故障反饋，執行節點12再對故障報警信號進行識別標記，再通過Zigbee無線傳感網絡傳遞給基站2，最後通過串ロ傳輸給計算機3。計算機3方面通過對故障報警信號分析，確定某ー盞LED燈具I是否出現了故障，如果出現了故障情況的話，就可以在很短的時間內對該LED燈具I進行維修。本實施例中，在通信網絡選擇方面，採用的是最新技術Zigbee無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN),因為Zigbee無線傳感網絡的傳輸距離相對的比較短，所以必須通過無線組網的形式來延長距離，擴大傳送範圍。IEEE 802. 15. 4/Zigbee協議中明確定義了三種拓撲結構星型結構、互連星型結構和網狀結構。為了達到極低的設計成本和極低的功率消耗，本實用新型採用了網狀結構，使每個執行節點12能迅速地找到ー個離它最近的執行節點12，並記錄相關的信息，如此就可以形成一個完整的路由線路。每個執行節點12能通過各自的路由線路迅速的把採集得到的光強數據或故障數據發送到基站2，進而傳輸到計算機3，同時計算機3也可以通過基站2，再經過一定的路由線路把PWM波的控制命令發送到各個執行節點12。參見圖2，本實施例中，CC2430和CC2591兩塊晶片組合而成的電路實現了控制模塊的無線傳感網絡。其中，晶片CC2430提供燒錄晶片控制程序，並帶有復位功能，SI為復位開關，能提供32. 768KHZ或32MHZ的主頻率，與晶片CC2591連接，一起實現無線傳感網絡射 頻的收發功能，CC2591提供功放增益的作用，最遠距離可以達到800米左右。Dl、D2和D3為程序串ロ調試的信號指示燈，D4為晶片CC2430的電源信號指示燈。CC2430射頻的輸入輸出端ロ是獨立的，它們分享兩個普通的PIN引腳。CC2430不需要外部TX/RX開關，其開關已集成在晶片內部。晶片至天線之間電路的構架是由平衡/非平衡器與少量低價電容與電感所組成。可替代的ー個平衡式天線，如對摺式偶極天線也是可以實現上述功能的。而且集成在內部的頻率合成器可去除對環路濾波器和外部被動式壓控振蕩器的需要，晶片內置的偏壓可變電容壓控振蕩器工作在一倍本地振蕩頻率範圍，另搭配了二分頻電路，以提供四相本地振蕩信號給上、下變頻綜合混頻器使用。[0044]同吋，CC2430的Pl_l引腳為PWM波發生器9提供引腳，在Zigbee無線傳感通信的基礎上，先對LED燈具I的光照強度進行採集，採集工作主要由光照強度採集傳感器10完成，並通過Zigbee無線傳感器網絡把適時的光照強度傳輸回基站2。基站2方面作出判斷後，再通過對該晶片的相應寄存器設置，使其能由硬體直接實現PWM波形的輸出。根據硬體平臺和晶片的工作方式，確定外部引腳控制寄存器PERCFG設置輸出端ロ為PORT 1，端ロI功能選擇寄存器PlSEL設置輸出引腳為Pl. I，時鐘選擇寄存器CLKCON設置主時鐘頻率為32MHZ和輸出晶振頻率為4MHZ。通過T4CC0設置PWM波形的頻率，通過T4CC1設置PWM波形的佔空比，設置寄存器T4CTL將輸出頻率128分頻，並且選擇相應的工作模式。T4CCTL1設置定時器4的通道I產生PWM波形的具體工作模式。設置完成上述寄存器，就可以直接由定時器的硬體方式產生PWM波形。首先，計算機3上用串ロ工具sscom32. exe發送控制命令，規定發送命令的格式(如002200，50%，其中002表示目的地址，200表示PWM波頻率，50%表示PWM波佔空比)，通過串ロ發送到基站2上。然後，基站2根據目的地址查路由表，找出其對應的上一跳節點ID，再通過無線方式發送數據到執行節點12，執行節點12就可以通過Pl. I引腳輸出頻率範圍為122HZ 31250HZ (數值必須是整數)，佔空比為19^99%的PWM波形。如果佔空比〈1%，PWM波形佔空比就當1%來算；如果佔空比>99%，PWM波形佔空比就當99%來算。 P0_7為故障報警信號檢測引腳，通過對硬體定時器POSEL的設置，把故障檢測I/
0ロ P0_7引腳設置為外設接ロ模式，並使其與電源模塊的故障輸出端連接即可實現故障檢測。此時，P0_7的初始狀態為「0」，故障指示燈不閃爍，即沒有外部的高電平信號時，故障指示燈是不閃爍的；當外部給P0_7 —個高電平信號吋，P0_7引腳馬上就會跳變成高電平，指示燈就會出現閃爍的現象。本實用新型就是檢測該引腳的故障信號，並通過執行節點12、基站2，最後發送到計算機3中進行分析並判斷LED燈具I的故障情況。參見圖3，本實施例中，HV9911是30W的LED太陽能路燈恆流電源的控制主晶片，其供電電源為DC 12/24V輸入，DClA單路輸出，經過由電感LI、電容C6、MOS管Q4和電阻R7、R8、R13組成的升壓電路6進行升壓處理，再經過電容CIO、C12，極性電容El、MOS管Q5和電阻RIO、R13、R21組成的恆流輸出電路7，給LED燈具I提供較高電流穩定的電源，Rll電壓或電流反饋電阻。電阻R14、R26及光電隔離開關U2組成PWM波調光控制輸入端，電容CU、電阻R27和光電隔離開關組成故障反饋輸出端8。該LED太陽能路燈恆流電源輸入具有欠壓保護，輸出具有短路保護、過流保護、過壓保護等功能，並具有PWM調光、故障反饋功能，冷卻採用自然傳導方式。參見圖4 圖5，為故障報警信號電路連接的具體方法。當電源控制板給出故障反饋輸出時，有兩種方法對故障信號進行檢測。第一種方法，如圖4所示，在電源端接ー個
4.7K IOK的上拉電阻，則Fl端再連接晶片CC2430的故障檢測I/O ロ P0_7引腳，F2接CC2430的接地端；第ニ種方法，如圖5所示，在接地端接ー個4. 7K IOK的下拉電阻，則F2端再連接晶片CC2430的故障檢測I/O ロ P0_7引腳，Fl接CC2430的接地端。雖然本發明已以實施例公開如上，但其並非用以限定本發明的保護範圍，任何熟悉該項技術的技術人員，在不脫離本發明的構思和範圍內所作的更動與潤飾，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求1.一種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，其特徵在於它包括LED燈具、電源模塊、無線傳感模塊、控制模塊、基站、計算機，所述的電源模塊包括電源控制晶片、輸入電源、升壓電路和恆流輸出電路，電源控制晶片和升壓電路均與輸入電源連接，恆流輸出電路與升壓電路連接，升壓電路與電源控制晶片連接，LED燈具與恆流輸出電路連接；電源模塊上還設置有PWM波調光控制輸入端和故障反饋輸出端；所述的輸入電源採用LED太陽能路燈恆流電源； 所述的控制模塊包括PWM波發生器、光照強度採集傳感器、故障反饋模塊和執行節點，光照強度採集傳感器、PWM波發生器和故障反饋模塊均與執行節點連接，執行節點與電源模塊連接，PWM波調光控制輸入端與執行節點連接，故障反饋模塊與電源模塊中的故障反饋輸出端連接； 所述的控制模塊與基站之間通過Zigbee無線傳感器網絡連接,基站與計算機連接。
2.根據權利要求I所述的ー種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，其特徵在幹所述的控制模塊通過CC2430和CC2591兩塊晶片組合而成的電路實現無線傳感網絡。
3.根據權利要求I或2所述的ー種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，其特徵在於所述的電源控制晶片為HV9911，供電電源為DC 12/24V輸入。
專利摘要本實用新型涉及一種基於Zigbee的PWM調光LED路燈控制器，主要用於控制路燈，並能及時發現並解決故障。它包括LED燈具、電源模塊、無線傳感模塊、控制模塊、基站、計算機，電源模塊包括電源控制晶片、輸入電源、升壓電路和恆流輸出電路，控制模塊包括PWM波發生器、光照強度採集傳感器、故障反饋模塊和執行節點；所述的輸入電源採用LED太陽能路燈恆流電源；所述的控制模塊與基站之間通過Zigbee無線傳感器網絡連接，基站與計算機連接。本實用新型採用環保的太陽能供電，通過Zigbee無線傳感網絡進行遠程光照強度採集，採用PWM波控制每盞路燈的亮度變化，能接受每盞路燈的故障報警信號。
文檔編號H05B37/02GK202364428SQ201120441669
公開日2012年8月1日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者何俊興, 冷陽, 劉燕燕, 周文華, 張滔, 蔣曉寧, 陳少局 申請人:浙江西盈科技有限公司