一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，包含控制后臺、監控中心、匯聚節點，還包含多個具有檢測燈具參數的傳感器節點組成的無線傳感器網絡；所述無線傳感器網絡將傳感器節點采集的燈光數據傳至匯聚節點，所述匯聚節點將接收的燈光數據上傳至監控中心，所述監控中心與控制后臺信息交互；所述傳感器節點包含處理器模塊以及與其連接的傳感器模塊、通信模塊和供電模塊；該系統將無線網絡應用于大型燈光終端控制中，在任務書命令下達時，有效對場景內燈具運行現狀觀測，從而實現告警功能，設計合理、成本低、操作簡便，能達到對整個場景內燈具進行完整、有效的監測的目的。
【專利說明】
一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種燈光控制系統，尤其涉及一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，屬于數據監控領域。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，無線傳感器網絡技術已經滲透到人類生產和生活的方方面面。無線通信網已經逐步發展到能為任何人和物件之間隨時、隨地通信的物聯網，網絡的規模極速擴大，但與此同時物聯網的總體的穩定性和可持續發展問題也越來越突出。與此同時，為了滿足人類生活的需要，越來越多的傳感器需要被安放在人跡罕至或者環境惡劣的地區，這些地區惡劣的環境決定了人們無法使用化學電池為無線傳感器節點供電，因為在這些地區更換化學電池往往是一件不太可能的事情。正因為這些原因，本發明才想到采用可再生能源為無線通信節點供能來解決這些問題。
[0003]在網絡技術逐步成熟的背景下，大型燈光終端控制系統技術也由傳統的模擬調光技術轉化為數字調光技術。數字調光技術具有抗干擾能力強、信號便于存儲等優點。傳統的大型燈光終端控制系統存在設備管理不完善、不易維護等問題，并且已有系統多是處理單個命令的直接控制，對于負責批命令控制的研究還有待深入。無線傳感網是物聯網技術的重要基礎，解決了互聯的問題，由具有感知、處理和無線通信能力的大量傳感器節點形成一個多跳的自組織網絡系統，完成既定的任務。
[0004]目前大型燈光終端控制系統大多利用以太網絡進行數據的有線傳輸，存在著成本高、綜合布線復雜、通信電纜選擇等實際工程問題，限制了燈光終端控制系統的發展前景。在控制燈光終端系統時，技術人員需要對燈光命令、燈具開關及亮度調節等方面進行及時且準確的把握，需要一套完善、精確的無線傳感網絡對溫度參數、亮度參數及顏色參數等燈光參數的變化進行有效監測，并根據燈光控制命令等其他要求，實現大型燈光的最好效果。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提出了一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統。
[0006]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案
一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，包含控制后臺、監控中心、匯聚節點，還包含多個具有檢測燈具參數的傳感器節點組成的無線傳感器網絡;所述無線傳感器網絡將傳感器節點采集的燈光數據傳至匯聚節點，所述匯聚節點將接收的燈光數據上傳至監控中心，所述監控中心與控制后臺信息交互;所述傳感器節點包含處理器模塊以及與其連接的傳感器模塊、通信模塊和供電模塊；
所述供電模塊包含依次連接的溫差電能收集器、電源能量管理電路，所述電源能量管理電路包含MPPT模塊、電能輸出接口、升壓電路和能量緩沖器，所述能量緩沖器包含儲能電容、比較器和穩壓器;所述MPPT模塊的輸出端連接電能輸出接口的輸入端、所述電能輸出接口的輸出端連接升壓電路的輸入端，所述升壓電路的輸出端連接穩壓器的輸入端，所述比較器和儲能電容的輸入端連接在升壓電路和穩壓器之間；
所述穩壓器包含穩壓電源芯片、第一電解電容、第二電解電容、電感、第一電阻、第二電阻和二極管，所述第一電解電容的負極分別連接第一電阻的一端和升壓電路的輸出端，第一電阻的另一端連接穩壓電源芯片的輸入端，二極管的負極分別連接電感的一端和穩壓電源芯片的輸出端，電感的另一端與第二電阻串聯后連接第二電解電容的負極，第一電解電容的正極、第二電解電容的正極、穩壓電源芯片的接地端、二極管的正極與地連接。
[0007]作為本發明一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統的進一步優選方案，所述處理器模塊采用AVR系列單片機。
[0008]作為本發明一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統的進一步優選方案，所述通信模塊采用無線通訊模塊。
[0009]作為本發明一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統的進一步優選方案，所述傳感器模塊包含光強傳感器、彩色尋線傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器。
[0010]作為本發明一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統的進一步優選方案，所述溫差電能收集器采用熱電轉換芯片。
[0011]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
1、設計合理、成本低、操作簡單、布網靈活且方便；
2、傳感器節點通過無線通信方式形成多跳、自組織的無線傳感器網絡，該自組網能力強，可實時同步對場景內各燈具的監測參數，傳感器節點的能耗低、可擴展性強、布網位置信息直觀；
3、本發明以微型溫差發電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實現了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實現對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩壓器，實現了微型溫差能量的有效采集和利用。
[0012]
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的系統結構示意圖；
圖2是本發明傳感器節點的結構原理圖；
圖3是本發明傳感器節點供電模塊結構圖；
圖4是本發明供電模塊穩壓器的電路圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，本發明所述的一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，包含控制后臺、監控中心、匯聚節點，還包含多個具有檢測燈具參數的傳感器節點組成的無線傳感器網絡;所述無線傳感器網絡將傳感器節點采集的燈光數據傳至匯聚節點，所述匯聚節點將接收的燈光數據上傳至監控中心，所述監控中心與控制后臺信息交互； 如圖2所示，所述傳感器節點包含處理器模塊以及與其連接的傳感器模塊、通信模塊和供電模塊；
如圖3所示，所述供電模塊包含依次連接的溫差電能收集器、電源能量管理電路，所述電源能量管理電路包含MPPT模塊、電能輸出接口、升壓電路和能量緩沖器，所述能量緩沖器包含儲能電容、比較器和穩壓器;所述MPPT模塊的輸出端連接電能輸出接口的輸入端、所述電能輸出接口的輸出端連接升壓電路的輸入端，所述升壓電路的輸出端連接穩壓器的輸入端，所述比較器和儲能電容的輸入端連接在升壓電路和穩壓器之間。
[0015]如圖4所示，所述穩壓器包含穩壓電源芯片、第一電解電容、第二電解電容、電感、第一電阻、第二電阻和二極管，所述第一電解電容的負極分別連接第一電阻的一端和升壓電路的輸出端，第一電阻的另一端連接穩壓電源芯片的輸入端，二極管的負極分別連接電感的一端和穩壓電源芯片的輸出端，電感的另一端與第二電阻串聯后連接第二電解電容的負極，第一電解電容的正極、第二電解電容的正極、穩壓電源芯片的接地端、二極管的正極與地連接。
[0016]其中，所述處理器模塊采用AVR系列單片機，所述通信模塊采用無線通訊模塊。
[0017]所述傳感器包含光強傳感器、彩色尋線傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器，所述溫差電能收集器采用熱電轉換芯片。
[0018]該控制系統采用網絡傳輸協議TCP/IP協議和燈光控制協議如DMX512協議、Art-net 協議或 ACN 協議。 用戶根據下達的任務書命令 ，將其解析并打包成 TCP/IP 數據包的格式發送給相應協議解碼器，解碼器再將接收到的數據包解碼為該協議的數據包并發送給協議終端控制器，再將其轉換為信號以控制燈具。
[0019]系統可設置基本工作模式參數，如調光曲線、預熱模式、同步方式、工作狀態選擇等。當燈光設備在工作中突然運行不正常或者工作參數超過指定值時，能立即發出警報信號。
[0020]所述的大型燈光終端控制系統，各傳感器的輸出的模擬信號較弱，因此需要通過信號放大電路進行放大信號，放大電路采用運算放大器的同相閉環連接方式。
[0021]無線傳感器網絡結構自組形成，通過路由協議、時鐘同步等無線傳感網基礎支撐技術建立起大型燈光控制無線傳感網的體系架構，根據傳感器采集的數據，判斷出場景內區域目前的燈具狀況，再根據控制終端下達的批命令調節燈光設備，達到適合的需求。
[0022]所述無線傳感網所使用的協議為多跳網絡協議，能夠將一個節點發出的信息包可靠地傳輸到網絡中的每個節點，在保證可靠通信的前提下，盡量避免不必要的轉發通信量。本發明以微型溫差發電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實現了可以從低至SOmV的能量源采集能量，并利用外圍電路實現對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩壓器，實現了微型溫差能量的有效采集和利用。
[0023]微型溫差發電器供電的無線傳感器網絡節點的發射端結構由溫差電能收集器、具有MPPT功能的升壓電路、能量緩沖器和系統負載(無線傳感器節點)組成。溫差電能收集器是由熱電轉換芯片組成的，可以根據實際的應用場所的大小和所需電能的多少決定熱電轉換芯片表面積大小和疊加的層數，用以滿足不同的應用環境。
[0024]電源管理集成電路主要是由最大功率點跟蹤模塊(MPPT)、電能輸出接口、升壓電路(DC-DC升壓模塊)、能量緩沖器構成。其中能量緩沖器電路由儲能電容、比較器電路和穩壓器電路構成。負載主要包括處理傳感器采集到的數據，并通過無線發射模塊發射出去。
[0025]BQ25504電源管理芯片主要實現了從熱能轉換模塊中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一個16個引腳的、分裝的高效率能量管理芯片，16個引腳依次逆時針分布，本發明通過合理地應用這些引腳的相應的功能，實現了微型能量的高效管理。除此之夕卜，該芯片的一個顯著優點是擁有超低的工作啟動電壓，這使得它可以在穩定工作時從低至SOmv的能量源提取能量，并對超低電壓進行升壓轉換，以便后續電路進行存儲使用。搭配合適的外圍電路實現了從超低功率能量源采集電能的最大功率點跟蹤，這對于微型溫差能量自供給系統有著至關重要的作用。同時通過外圍電路設定過壓和欠壓的電路保護，保證芯片的穩定工作。
[0026]MIC841N是一個超低功耗的具有內部參考電壓的雙電壓比較器。在本發明通過設置其電壓比較的上限和下限來驅動后面的線性穩壓器。其工作的特點是，通過不斷的檢測弓I腳VDD上的電壓，并與引腳LTH和HTH上設定的工作電壓進行比較，從而確定輸出的電壓的高低，進而控制穩壓器TPS78001的工作狀態。
[0027]TPS78001是TI生產的超低功耗穩壓器，它可以實現電路輸出電壓的穩壓作用，通過設置相應的外圍電路的電阻參數，可以使輸出得到一個穩定的電壓，這樣就可以穩定地驅動后面的無線傳感器發射節點。
[0028]MPPT是一種最大化利用發電器所產生電能的技術。本發明通過一定的電氣模塊調節微型溫差發電器的溫差芯片的輸出電壓，從而實現溫差發電器輸出功率的最大化。根據已知的微型溫差發電器的輸出特性曲線，當輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率。從TEG提取最大功率的技術主要是動態改變DC/DC轉換器開關頻率，本發明根據這一特性利用BQ25504采用了電阻比例分壓法實現了輸出電壓為開路電壓的一半，進而實現了輸出功率的最大化。
[0029]本發明通過高效的能量收集和有效的能量管理實現了無線傳感器網絡的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統，同時也順應了現在我國通信行業綠色無線電的發展要求。
[0030]本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0031]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。上面對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以再不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。
【主權項】
1.一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，包含控制后臺、監控中心、匯聚節點，其特征在于:還包含多個具有檢測燈具參數的傳感器節點組成的無線傳感器網絡;所述無線傳感器網絡將傳感器節點采集的燈光數據傳至匯聚節點，所述匯聚節點將接收的燈光數據上傳至監控中心，所述監控中心與控制后臺信息交互;所述傳感器節點包含處理器模塊以及與其連接的傳感器模塊、通信模塊和供電模塊； 所述供電模塊包含依次連接的溫差電能收集器、電源能量管理電路，所述電源能量管理電路包含MPPT模塊、電能輸出接口、升壓電路和能量緩沖器，所述能量緩沖器包含儲能電容、比較器和穩壓器;所述MPPT模塊的輸出端連接電能輸出接口的輸入端、所述電能輸出接口的輸出端連接升壓電路的輸入端，所述升壓電路的輸出端連接穩壓器的輸入端，所述比較器和儲能電容的輸入端連接在升壓電路和穩壓器之間； 所述穩壓器包含穩壓電源芯片、第一電解電容、第二電解電容、電感、第一電阻、第二電阻和二極管，所述第一電解電容的負極分別連接第一電阻的一端和升壓電路的輸出端，第一電阻的另一端連接穩壓電源芯片的輸入端，二極管的負極分別連接電感的一端和穩壓電源芯片的輸出端，電感的另一端與第二電阻串聯后連接第二電解電容的負極，第一電解電容的正極、第二電解電容的正極、穩壓電源芯片的接地端、二極管的正極與地連接。2.根據權利要求1所述的一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，其特征在于:所述處理器模塊采用AVR系列單片機。3.根據權利要求1所述的一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，其特征在于:所述通信模塊采用無線通訊模塊。4.根據權利要求1所述的一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，其特征在于:所述傳感器模塊包含光強傳感器、彩色尋線傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器。5.根據權利要求1所述的一種基于無線傳感器網絡的燈光終端控制系統，其特征在于:所述溫差電能收集器采用熱電轉換芯片。
【文檔編號】H04L29/08GK105872022SQ201610172482
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】胡國良
【申請人】蘇州合欣美電子科技有限公司