專利名稱：一種智能道路照明系統中區域回路控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能道路照明系統中區域回路控制器。
背景技術：
在道路照明領域，控制策略上目前國內大部分城市的道路照明管理系統仍在沿用簡單的定時控制方式。這些系統普遍存在著難以反饋路燈運行狀態信息、難以進行遠程控制等局限，基本沒有節電效果。現有的道路照明回路控制器其輸入、輸出通道少，人機交互功能差。公開號CN201230391Y專利《LED路燈分時段控制裝置》，把一天24小時分為若干時間段，不同的時段產生不同寬度的脈沖，脈沖控制驅動電路點亮LED燈，優點在于引入LED路燈亮度多級控制和分時段概念，缺點在于缺乏對路段實時數據進行靈活控制。公開號CN102307414A專利 《基于測定車流量的智能路燈系統》提出一種測定車流量的智能路燈系統，實現了道路照明中有車即亮、無車即熄的功能，該專利優點在于具有車輛感應效果，缺點是只能對路燈打開與關閉兩種狀態調節，只有在車行駛至該節點時，路燈才能亮起，增加了照明系統的不安全因素。所述區域回路控制器通過照度傳感器，車輛監測器采集到現場亮度信息和車輛通過信號，主動感知信息后，通過一定的節能控制模型，實時調控網絡化的照明光源，在滿足照明質量的基礎上進行節能控制，智能化控制，以節能降耗，按需照明為目的的新型應用系統。
發明內容
本發明的目的在于提供一種智能道路照明系統中區域回路控制器。本發明提出的智能道路照明系統中區域回路控制器，由電源模塊I、控制核2、時鐘模塊3、人機交互模塊4、控制模式選擇5、系統設置模塊6、診斷接口 7、通信模塊8、交通信息采集模塊9、外部信息采集模塊10和顯示模塊接口 11組成，控制核2分別與人機交互模塊4、控制模式選擇5和系統設置模塊6進行雙向連接，控制核2的輸入端分別與時鐘模塊3、交通信息采集模塊9、外部信息采集模塊10的輸出端連接，控制核2的輸出端分別連接顯示模塊接口 11和診斷接口 7的輸出端連接，控制模式選擇5與通信模塊8進行雙向連接，連接控制核2、時鐘模塊3、通信模塊8、交通信息采集模塊9、外部信息采集模塊10的輸入端，控制核2、時鐘模塊3、人機交互模塊4、控制模式選擇5、系統設置模塊6、診斷接口 7、通信模塊8和交通信息采集模塊9、外部信息采集模塊10和顯示模塊接口 11分別連接電源模塊I ;其中
電源模塊I輸出兩檔電源電壓+5V和+3. 3V，電源模塊I的+5V輸出端分別連接控制核2、時鐘模塊3、人機交互模塊4、控制模式選擇5、系統設置模塊6、診斷接口 7、通信模塊8和交通信息采集模塊9和顯示模塊接口 11的電源端，電源模塊I的+3. 3V輸出端連接外部信息采集模塊10的電源端；車輛采樣傳感器模塊9輸出電平通過GPIO 口送入控制核2中，外部信息采集模塊10通過I2C總線連接至控制核2的I2C內置模塊上；
控制模式選擇5連接控制核2的UARTO模塊引腳，系統設置模塊6連接控制核2的UARTl模塊引腳；
控制核2的UARTl使用內置定時器通過GPIO 口產生PWM波，連接至人機交互模塊4的PWM輸入端；
控制模式選擇5的TX和RX腳分別連到通信模塊8的RX和TX腳，用于與RTU進行數
據通信。本發明中，所述交通信息采集模塊9包括車輛采樣傳感器模塊，所述車輛采樣傳 感器模塊上設有感應線圈，感應線圈上方采用紅外線傳感器或聲納傳感器。本發明中，所述外部信息采集模塊10采用照度計。本發明中，所述區域回路控制器用于智能道路照明系統中，所述區域回路控制器的顯示模塊接口與PC機進行雙向連接，區域回路控制器的診斷接口連接現場節點控制器，現場節點控制器為個數視具體情況而定，現場節點控制器之間進行雙向連接；區域回路控制器與現場節點控制器采用主從式控制結構，由一個區域回路控制器控制一個路段的多個現場節點控制器，向現場節點控制器發送亮度信息和車輛通過信息查詢幀，接收查詢回應幀；向現場節點控制器發送亮度調整幀，從而對各路段的路燈照度實施控制；區域回路控制器與PC機相連，區域回路控制器用于是解析并實現控制策略和管理信息查詢。本發明中，區域回路控制器與現場節點控制器采用總線環方式控制結構，在跨路段連接處，為保證照明效果的連續性，區域回路控制器之間傳遞交通信息和道路照明控制信息，實施路段間的路燈聯控。區域回路控制器負責采集道路路段政策數據、天氣、光照時間、光照度等外部數據以及車輛位置、車流量、車速等實時交通信息數據。本發明中，所述PC機與區域回路控制器15的通訊采用RS232總線、GSM、GPRS或自定義協議中任一種。本發明中，所述區域回路控制器15與現場節點控制器采用RS485總線通訊，通訊協議遵從MODBUS通訊協議。本發明中，區域回路控制器與現場節點控制器構成主從式結構，采用MODBUS協議進行通信，通信介質采用雙絞線，物理層采用RS485總線。485總線傳輸距離長，具有良好的抗干擾能力。現場節點控制器作為現場控制節點，對被控路段的路燈亮度進行PWM輸出控制，同時還具有采集車輛信息和環境照度信息的功能。而現場控制節點在非感知模式下必須收到區域回路控制器發送的亮度調整命令才能進行改變路燈亮度。區域回路控制器負責對回路內各個現場節點控制器采集信息進行更新，當接收到PC機的信息請求時，將所需信息進行整合并上傳給PC機，同時區域回路控制器可以按照PC機指定的控制策略對回路內指定的現場控制節點發送亮度調整命令。與傳統系統不同之處在于，在現場節點控制器以結構體的形式將路燈亮度設定等級信息存儲在寄存器對象內，將車輛通過信息存儲在離散輸入對象內，還存儲了感知開關量。PC機可向區域回路控制器請求回路內所有或部分節點的車輛通過情況，也可查詢路燈亮度設定等級，如果設定值與查詢結果不符，可及時判斷出現場控制節點中亮度設定故障。本發明中，區域回路控制器根據主要實現功能分為三類信息采集部分，調光部分和通訊部分。信息采集部分包括車輛采樣傳感器模塊(感應線圈、上方采用紅外線傳感器或聲納傳感器)，當車輛通過現場節點時，現場節點能實時感應到車輛通過信息，并將轉換電平通過GPIO 口送入控制核2中。調光部分使用定時器輸出PWM波，通過多級PWM調光芯片進行電流控制。通訊部分采用兩路獨立總線，LTU與RTU間通過485通訊模塊通訊，區域回路控制器與PC機之間的通訊采用232通訊模塊，在232通訊模塊上還外置GSM/GPRS模塊擴展了無線通訊功能。系統從通用性和交互性的角度考慮，保留了顯示模塊接口以及擴展功能GPIO接口。本發明中，區域回路控制器軟件系統的第三步會詢問是否采用感應模式，如果是，則節點在采集到有車輛通過時自動調整該路段路燈亮度為高亮。利用單點控制可實現多樣化的控制，PC機監控部分發送控制命令使區域回路控制器進行基于自定義模式、維護模式、緊急模式、節假日模式、正常模式的運行。通過模式組合與切換，結合控制策略，可實現多種控制效果。
傳統道路照明系統中路燈統一開關，統一亮度變化，這使得路燈的控制不具有智能性，本發明的智能道路照明系統中區域回路控制器，通過照度傳感器，車輛監測器采集到現場亮度信息和車輛通過信號，進行車輛方向和行駛速度的判斷機制，實時調控網絡化的照明光源，預先將行駛前方路段的路燈進行亮度控制，在大大減少能源消耗同時，又能確保車輛安全行駛的需求。該區域回路控制器與現場節點控制器及PC機構成了高效照明，智能化控制，節能降耗，按需照明為一體的新型應用系統。
圖I是本發明中區域回路控制器與現場節點控制器和PC機的通信連接圖。圖2是本發明中區域回路控制器的系統構成圖。圖3是本發明中區域回路控制器的電源模塊I的電路圖。圖4是本發明中區域回路控制器中人機交互模塊4的具體實施例一PWM調光模塊的電路圖。圖5 (a)是區域回路控制器中的控制模式5的具體實施例一232通訊模塊電路圖，(b)是區域回路控制器中系統設置模塊6的具體實施例——485通訊模塊電路圖。圖6是本發明區域回路控制器中交通信息采集模塊9的具體實施例——車輛傳感器米樣電路。圖7是本發明區域回路控制器中外部信息采集模塊10的具體實施例——照度采樣模塊的電路圖。圖8是區域回路控制器的智能控制模塊的軟件設計流程圖。圖中標號1為電源t旲塊，2為控制核，3為時鐘|旲塊，4為人機父互|旲塊，5為控制模式選擇，6為系統設置模塊，7為診斷接口，8為通信模塊，9為交通信息采集模塊，10為外部信息采集模塊，11為顯示模塊接口，12為5V電源調整模塊，13為3. 3V電源調整模塊，14為PC機，15為區域回路控制器，16為現場節點控制器。
具體實施例方式為了能夠清楚地理解本發明專利的技術內容，特詳細說明。
實施例I :如圖I所示，本發明的區域回路控制器15與PC機14和現場節點控制器16構成基于感知的智能道路照明節能控制系統。其中PC機14監控中心與區域回路控制器15的通訊可以采用有線方式RS232總線，或者無線方式GSM/GPRS，PC機14與區域回路控制器之間采用自定義協議。區域回路控制器15與多個現場節點控制器16采用RS485總線通訊，通訊協議 遵從MODBUS通訊協議。區域回路控制器15與現場控制節點之間的MODBUS通訊由區域回路控制器發起，分為MODBUS查詢與調整兩類。區域回路控制器MODBUS查詢幀格式由訪問節點號，功能碼，起始地址，字節數，校驗碼組成。現場控制節點查詢回應幀格式由現場控制節點號，功能碼，字節數，數據值，校驗碼組成，其中功能碼02表示查詢車輛通過信息，04表示查詢亮度等級信息。例如區域回路控制器向485總線發送“01 02 00 00 00 01 B9 CA”，則01號現場控制節點回應“01 02 0100 Al 88”表示01號節點無車輛通過，“01 02 01 01 60 48”表示01號節點有車輛通過。區域回路控制器向485總線發送“01 04 02 00 01 78 F0”查詢01號節點亮度等級信息，01號現場控制節點回應“01 04 02 00 01 78 F0”表示I號節點低等亮度，若為“01 04 0200 02 38 F1”表示高等亮度，“01 04 02 00 00 B9 30”表示關閉。區域回路控制器MODBUS調整幀格式由訪問節點號，功能碼，起始地址，數據值，校驗碼組成。現場控制節點調整回應幀格式相同。功能碼06表示亮度等級調整，05表示感知開關調整。例如區域回路控制器向485總線發送“01 06 00 00 00 02 08 0B”修改01號現場控制節點亮度等級高亮，若01號現場控制節點回應“01 06 00 00 00 02 08 0B”表示亮度等級修改成功。區域回路控制器與PC機之間的通訊由PC機發起。幀格式由PC端地址，區域回路控制器地址，功能碼，數據域，校驗域組成，幀長度為8個字節。功能碼0x1000表示車輛信息查詢，0x2000表示亮度等級查詢，0x0011表示進入全高亮模式，0x0021表示進入全低亮模式，0x0041表示進入全關閉模式,0x0031表示進入選擇性高亮模式,0x0051表示進入選擇性低亮模式，0x0061表示進入選擇性關閉模式,0x0101表示進入智能感知模式。例如PC機發送車輛信息查詢命令“AA 55 10 00 01 55 Dl 72”后，由數據域判斷查詢節點數，每2個bit表示一個需查詢的現場控制節點，0x0155H表示查詢I飛現場控制節點。區域回路控制器依次向被選擇的現場控制節點發送MODBUS車輛信息查詢幀，得到各回復幀后將信息整合，向PC機返回回應幀，在回應幀中將功能碼加0x8000以示區別，數據域為OxOOOlH表示現場控制節點I有車輛通過，沒有被查詢的現場控制節點默認返回OOB0 PC機發送亮度等級查詢命令時與之類似，除功能碼不同外，區別在于回應幀數據域，每2個bit表不相應的現場控制節點路燈売度，OOB表不關，OlB表不低売，02表不聞売。例如0x0155H表示現場控制節點I飛為低亮，OxOOOIH表示現場控制節點I為低亮。沒有被查詢的現場控制節點默認返回00B。PC機發送選擇性高亮模式命令“AA 55 10 00 01 55 Dl 72”，數據域每I位表示一個現場控制節點，I表示改變，0表示不改變。0x0155表示將回路內1，3，5節點調節路燈亮度為高亮，其它節點亮度保持不變。區域回路控制器與被選的現場控制節點間進行MODBUS亮度調整幀交互，再向PC端發送回應幀，表示操作成功。PC機發送工作模式命令“AA 55 01 01 FF FF 45 91 ”，區域回路控制器進入車輛智能感知模式。在該模式下，區域回路控制器先開啟各現場控制節點的智能感知開關，并將現場控制節點亮度恢復成全低亮。回路內所有節點的路燈隨車輛信息的情況進行調節，區域回路控制器不斷輪詢現場控制節點，發現連續兩點有車輛通過，則判斷車輛方向，區域回路控制器控制車輛通過節點和下一節點選擇性高亮，行駛過的節點低亮。若改變方向，沿反方向調整路燈亮度。圖2是本發明中LTU內部結構圖。本發明中LTU裝置包括電源模塊I、控制核2、時鐘模塊3、人機交互模塊4、控制模式選擇5、系統設置模塊6、診斷接口 7、通信模塊8、交通信息采集模塊9、外部信息采集模塊10和顯示模塊接口 11。其中控制核2采用AVR公司8位單片機megal28，時鐘模塊3采用實時時鐘芯片DS1302，控制模式選擇5采用232通信模塊，系統設置模塊6采用485通信模塊，診斷接口 7采用JTAG調試接口，通信模塊8采用GPRS/GSM通信模塊，交通信息采集模塊9采用車輛采樣傳感器模塊，路面下鋪設感應線圈和接收轉換裝置組成，外部信息采集模塊10采用照度計采集照度，提供網絡接口采集地理位置、政策信息等數據。(I)電源模塊I輸出兩檔電源電壓+5V和+3. 3V，+5V輸出端連接單片機megal28,實時時鐘芯片DS1302，人機交互模塊4，232通信模塊，485通信模塊，JTAG調試接口，GPRS/GSM模塊，車輛采樣傳感器模塊，顯示模塊接口 11的電源端。+3. 3V輸出端連接外部信息采集模塊10的電源端；
(2)車輛采樣傳感器模塊9輸出電平通過GPIO口送入單片機megal28中，外部信息采集模塊10通過I2C總線連接至單片機megal28的I2C內置模塊上；
(3)控制模式選擇5連接控制核2即單片機megal28的UARTO模塊引腳上，系統設置模塊6連接控制核2的UARTl模塊引腳上；
(4)單片機megal28的UARTl使用內置定時器通過GPIO口產生PWM波，連接至人機交互模塊4的PWM輸入端；
(5)控制模式選擇5的TX和RX腳連到通信模塊8的RX和TX腳，用于與RTU進行數據通信。圖3為本發明中區域回路控制器的電源模塊I的電路圖，電源模塊電路中采用外部變壓器提供9V直流電，由5V電源調整模塊12經LM7805穩壓管穩壓到5V直流電壓VCC5 ；由3. 3V電源調整模塊13通過SPXl 117-3. 3開關電源調節器得到3. 3V直流電壓VCC3. 3。圖4是本發明中區域回路控制器中人機交互模塊4的具體實施例一PWM調光模塊的電路圖。該模塊主要采用MBI1804模塊，VDD端接5V直流電源；D1為LED光源，正接于電源和MBI1804的OUTl端；R1與R2并聯接到R-EXT端，另一端接地，調整Rl和R2的大小可設定MBI1804的最大輸出電流，理論可調范圍為4(T240mA ; 0E端口支持PWM連續調光，調光范圍0% 100%，經微控制器的PWM輸出端輸出占空比為30%、50%、80%和100%的方波可使路燈呈現高、中、低，關閉四檔亮度。圖5 (a)是本發明中區域回路控制器中的控制模式5的具體實施例——232通訊模塊的電路圖。該232電平轉換模塊15采用MAX232，將控制核2(如Megal28單片機)UART引腳輸入輸出的TTL電平轉換成232電平。圖5 (b)是本發明中區域回路控制器中系統設置模塊6的具體實施例一485總線接口。該模塊采用MAX485，允許一段總線上最多有32個節點，控制核2 (如Megal28單片機)的信號到MAX485的RCO端，DEO為收發使能，信號再由485A，485B輸出，R20為匹配電阻，R7接在電源和485A間，R8接在地和485B間，R7和R8可保持正常工作時AB線電壓差高于0. 2V，總線空閑時始終為邏輯“O”。圖6是本發明區域回路控制器中交通信息采集模塊9的具體實施例——車輛傳感器采樣電路。在傳感器Car_sensor和采樣端口 CAR_DIG之間添加了一個光耦TLP521，可以起到抑制噪聲，防止誤操作的作用，TLP521導通時的反應時間僅有幾微秒，發光側ImA以上的電流就可以使光耦導通，TLP521每個端口都用大電阻接到地，減少干擾。正常狀態下無車輛通過，Car_sensor2端的電平被拉低,光稱不導通,采樣端口 CAR_DIG的電平在下拉電阻的作用被拉低，輸出低電平“0”;車輛通過時傳感器導通，sensorf端的電平被拉高，導通電流在5mA左右，三極管側相應導通，采樣端口 CAR_DIG的電平被拉高輸出“ I ”，車輛通過后，傳感器斷開，光耦I端的電平恢復為“O”。圖7是本發明中區域回路控制器中外部信息采集模塊10的具體實施例——照度采樣模塊電路圖。該模塊使用BH1750傳感器，其SCL，SDA信號線通過I2C總線與控制核2(如Megal28單片機)對應引腳連接，進行通訊。其中上拉電阻R17，R18影響I2C的通訊速 率，阻值越大，所允許的速率就越小。R15，R16為匹配電阻，同樣影響I2C的通訊速率。圖8為LTU控制系統主架構程序流程圖，通過該主架構來控制區域回路控制器進入到何種工作模式狀態。主要流程敘述如下
(1)開機自檢和系統初始化，主要檢測區域回路控制器的硬件工作狀態和區域回路控制器各組成模塊初始化；
(2)系統運行參數設置，主要用于設定系統工作模式，網絡數據服務器地址，數據源采樣時間間隔，通信控制參數等；
(3)外部數據信息檢測，用于采集外部網絡數據，如政策數據、當前天氣信息(冬季、夏季、陰天、雨天、晴天等)、道路信息(車道信息、LED路燈安裝距離等)、交通信息(相鄰LTU信息、工作日/休息日、歷史交通流量等)，并依據這些信息生成道路照明控制策略；
(4)若沒有設定工作模式，轉到(2);
(5)依據設定的工作模式，轉到自定義模式、維護模式、緊急模式、節假日模式和正常模式中的一種工作模式，開始執行指定工作模式中的程序任務；
(6)工作模式任務執行完畢后，如果需要停機，則退出系統；
(7)如果不需要停機，只是需要系統復位，則轉到(I)；
(8)如果不需要系統復位，則轉到(3)。
權利要求
1.一種智能道路照明系統中區域回路控制器，由電源模塊(I)、控制核(2)、時鐘模塊(3)、人機交互模塊(4)、控制模式選擇(5)、系統設置模塊(6)、診斷接口(7)、通信模塊(8)、交通信息采集模塊(9)、外部信息采集模塊(10)和顯示模塊接口(11)組成，其特征在于控制核(2)分別與人機交互模塊(4)、控制模式選擇(5)和系統設置模塊(6)進行雙向連接，控制核(2)的輸入端分別與時鐘模塊(3)、交通信息采集模塊(9)、外部信息采集模塊(10)的輸出端連接，控制核⑵的輸出端分別連接顯示模塊接口(11)和診斷接口⑵的輸出端連接，控制模式選擇(5)與通信模塊(8)進行雙向連接，控制核(2)、時鐘模塊(3)、人機交互模塊(4)、控制模式選擇(5)、系統設置模塊(6)、診斷接口(7)、通信模塊(8)和交通信息采集模塊(9)、外部信息采集模塊(10)和顯示模塊接口(11)分別連接電源模塊⑴；其中電源模塊⑴輸出兩檔電源電壓+5V和+3. 3V，電源模塊⑴的+5V輸出端分別連接控制核(2)、時鐘模塊(3)、人機交互模塊(4)、控制模式選擇(5)、系統設置模塊(6)、診斷接口(7)、通信模塊(8)和交通信息采集模塊(9)和顯示模塊接口(11)的電源端，電源模塊(I)的+3. 3V輸出端連接外部信息采集模塊(10)的電源端；車輛采樣傳感器模塊(9)輸出電平通過GPIO 口送入控制核(2)中，外部信息采集模塊(10)通過I2C總線連接至控制核⑵的I2C內置模塊上；控制模式選擇(5)連接控制核(2)的UARTO模塊引腳，系統設置模塊(6)連接控制核(2)的UARTl模塊引腳；控制核(2)的UARTl使用內置定時器通過GPIO 口產生PWM波，連接至人機交互模塊(4)的PWM輸入端； 控制模式選擇(5)的TX和RX腳分別連到通信模塊⑶的RX和TX腳，用于與RTU進行數據通信。
2.根據權利要求I所述的智能道路照明系統中區域回路控制器，其特征在于所述交通信息采集模塊(9)包括車輛采樣傳感器模塊，所述車輛采樣傳感器模塊由感應線圈，或者紅外線傳感器或聲納傳感器來采樣車輛的通過信息。
3.根據權利要求I所述的智能道路照明系統中區域回路控制器，其特征在于所述外部信息采集模塊(10)采用照度計。
4.根據權利要求I所述的智能道路照明系統中區域回路控制器，其特征在于所述區域回路控制器用于智能道路照明系統中，所述區域回路控制器的顯示模塊接口與PC機進行雙向連接，區域回路控制器的診斷接口連接現場節點控制器，現場節點控制器之間進行雙向連接；區域回路控制器與現場節點控制器采用主從式控制結構，由一個區域回路控制器控制一個路段的多個現場節點控制器，向現場節點控制器發送亮度信息和車輛通過信息查詢幀，接收查詢回應幀；向現場節點控制器發送亮度調整幀，從而對各路段的路燈照度實施控制；區域回路控制器與PC機相連，區域回路控制器用于是解析并實現控制策略和管理信息查詢。
5.根據權利要求4所述的智能道路照明系統中區域回路控制器，其特征在于區域回路控制器與現場節點控制器采用總線環方式控制結構，在跨路段連接處，為保證照明效果的連續性，區域回路控制器之間傳遞交通信息和道路照明控制信息，實施路段間的路燈聯控；區域回路控制器負責采集道路路段政策數據、天氣、光照時間及光照度外部數據以及車輛位置、車流量及車速實時交通信息數據。
6.根據權利要求4所述的智能道路照明系統中區域回路控制器，其特征在于所述PC機與區域回路控制器(15)的通訊采用RS232總線、GSM、GPRS或自定義協議中任一種。
7.根據權利要求4所述的智能道路照明系統中區域回路控制器，其特征在于所述區域回路控制器(15)與現場節點控制器采用RS485總線通訊，通訊協議遵從MODBUS通訊協議。
全文摘要
本發明是一種智能道路照明控制系統中的區域回路控制器。所述區域回路控制器與PC機和現場節點控制器組成一種實時感知外界環境變化和照明系統服務主體，可以遠程提供高照明質量的道路照明控制系統。區域回路控制器連接PC機和現場節點控制器，是智能照明控制系統的中樞，區域回路控制器與現場節點控制器構成主從式結構，解析并實現PC機的控制策略和管理信息查詢。如圖所示，所述區域回路控制器包括電源模塊，控制核，時鐘模塊，人機交互模塊，控制模式選擇，系統設置模塊，診斷接口，通信模塊，交通信息采集模塊，外部信息采集模塊，顯示模塊接口。該區域回路控制器與現場節點控制器及PC機構成了高效照明，智能化控制，節能降耗，按需照明為一體的新型應用系統。
文檔編號H05B37/02GK102752923SQ201210209409
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者余有靈, 張志明, 王翠霞, 許維勝 申請人:同濟大學