本发明涉及智慧照明、智慧城市领域，尤其是一种正弦波采样的无线路灯微基站控制器。
背景技术
在道路照明领域，大部分的路灯灯具采用交流接触器进行回路开关控制，通过定时时控设备控制接触器给路灯回路供电实现路灯灯具的供电开关，该路灯控制方法即不能实现路灯的独立开关控制，也不能实现路灯的调光控制，同时对回路中的路灯出现灭灯故障也不能及时发现，使得路灯维护需要投入大量的人力物力。
在家居照明领域和工业园区、厂房照明领域，大部分灯具采用墙面开关、合闸按钮灯进行手动开关，在使用过程中经常出现人员离开后照明灯具依然处于亮灯状态，即浪费的电能，又减少照明灯具的寿命。
当前市场上有部分的厂商为了实现路灯的自动化开关控制，设计的单灯控制器虽然能够实现自动化的照明灯具的开关控制和灯具的故障检测，但是这些产品几乎都采用电能计量芯片检测照明灯具耗电功率，根据灯具耗电功率来判断灯具是否故障；这些电能计量芯片通常外围电路复杂，价格昂贵，导致控制器故障点多，容易损坏；同时对于电能计量的电流、电压、功率、电能等参数，生产时每个设备都需要进行单独的计量校正，且校正仪器价格昂贵，生产工艺流畅复杂，导致生产成本高昂；有的电能计量芯片外围电路采用隔离的电流互感器和电压互感器进行电能参数采样，但这种单灯控制器通常体积较大，且隔离电流互感器和电压互感器缺一不可；有的电能计量芯片外围电路采用非隔离分压电路进行电能参数采样，但这种单灯控制器由于没有采用隔离电路，很容易导致其自身被线路上的感应雷电击坏或者线路上的高压静电、浪涌脉冲群击坏，这类单灯控制器在使用时需要额外配置昂贵的防雷模块才能保证其安全可靠的工作。
当前市场上的照明灯具通常对单灯控制器并不需要那么复杂那么高精度的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、电能统计等参数的采样，通常仅仅需要开关控制和灭灯故障判断即可，即是对于大功率灯具也仅仅需要一个调光功能，从电路设计可靠性角度出发，单灯控制器电路越简单，其故障率越低。
当前路灯灯杆上挂载了众多用电设备如摄像头、4g、5g微站、交通雷达等，这些设备都借用路灯的电源供电，为了保证设备白天供电时，路灯灯泡处于关闭状态，通常需要改单独给用电设备铺设供电电缆，施工工程量巨大。上述提到的这些缺陷已经成为了急需解决的技术问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题,本发明设计了一种电路简单的无线路灯微基站控制器，能够实现照明灯具的开关控制、灭灯故障的告警、大功率灯具调光，通过简单的电路设计即保证了设备的高可靠性、简化了生产工艺流程、又降低了设备器件成本和生产成本，同时还能够控制路灯灯杆上挂载的用电设备供电和设备故障的检测。
本发明采用了如下技术方案：
一种无线路灯微基站控制器，所述控制器包括电压和电流采样模块、处理器、电源供电模块、无线通讯模块、调光输出模块以及继电器驱动模块，其特征在于：
电压和电流采样模块中包括电流采样电路、电压采样电路以及采样基准源电路，电流采样电路和电压采样电路分别与处理器相连；
继电器驱动模块,与处理器相连接，接收来自处理器的控制信号，用于控制路灯灯具的开关灯；
调光输出模块,与处理器相连接，接收来自处理器的1khz占空比为0-100％的脉冲宽度调制信号；
处理器，用于指令和数据的接收和发送，并控制继电器驱动模块实现路灯的开关灯控制，控制调光输出模块实现0-10v调光输出；
电源供电模块中包括ac/dc12v电源电路、dc/dc5v电源电路、dc/dc3.3v电源电路、电池充放电电路以及电池组,该电源供电模块分别提供dc12v、dc5v、dc3.3v三种直流电以给控制器中各模块供电。
进一步的，所述电压和电流采样模块中具有一路电压采样电路、两路电流采样电路以及一个负载采样基准源；所述继电器驱动模块中具有两路继电器驱动电路；所述调光输出模块中具有两路调光输出电路。
进一步的，所述电流采样电路采用匝比1000:1的电流互感器将负载大电流进行转换为小电流，然后将电流信号转换为电压信号；所述电压采样电路采用1:1的电压互感器，然后串联一个200k的电阻进行电压采样；所述采样基准源电路采用tl431芯片以产生一个2.495v的电压，然后通过电阻分压获得一个1v的基准电压vref。
进一步的，所述电压和电流采样模块中具有保护tvs管。
进一步的，ac/dc12v电源电路连接ac220v交流输入，并将交流输入转换成dc12v/12w直流输出给dc/dc5v电源电路以及电池充放电电路。
电池充放电电路分别连接ac/dc12v电源电路和电池组，该电池充放电电路将接入的dc12v直流电经过转换后给电池组充电；
dc/dc5v电源电路连接ac/dc12v电源电路，该dc/dc5v电源电路采用mp1584电源管理芯片将dc12v直流电转换为dc5v直流电；
dc/dc3.3v电源电路连接dc/dc5v电源电路，该dc/dc3.3v电源电路采用ht7133电源管理芯片，用于将dc5v直流电转换为dc3.3v直流电。
本发明的有益效果是：能够实现照明灯具的开关控制、灭灯故障的告警、大功率灯具调光，通过简单的电路设计即保证了设备的高可靠性、简化了生产工艺流程、又降低了设备器件成本和生产成本，同时还能够控制路灯灯杆上挂载的用电设备供电和设备故障的检测。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是控制器的结构示意图；
图2是调光输出模块的电路示意图；
图3是电压和电流采样模块的电路示意图；
图4是继电器驱动模块的电路示意图；
图5是电源供电模块的电路示意图；
图6是处理器以及无线通讯模块的电路示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1是控制器的结构示意图。本发明的无线路灯微基站控制器(以下简称“控制器”)中包括电压和电流采样模块、处理器、电源供电模块、无线通讯模块、调光输出模块以及继电器驱动模块。
电源供电模块中包括ac/dc12v电源电路、dc/dc5v电源电路、dc/dc3.3v电源电路、电池充放电电路以及电池组；其中ac/dc12v电源电路连接ac220v交流输入，并将交流输入转换成dc12v/12w直流输出给dc/dc5v电源电路以及电池充放电电路；电池充放电电路分别连接ac/dc12v电源电路和电池组，该电池充放电电路将接入的dc12v直流电经过转换后给电池组充电；dc/dc5v电源电路连接ac/dc12v电源电路，该dc/dc5v电源电路采用mp1584电源管理芯片将dc12v直流电转换为dc5v直流电；dc/dc3.3v电源电路连接dc/dc5v电源电路，该dc/dc3.3v电源电路采用ht7133电源管理芯片，用于将dc5v直流电转换为dc3.3v直流电；该电源供电模块分别提供dc12v、dc5v、dc3.3v三种直流电以给控制器中各模块供电。
电压和电流采样模块中包括电流采样电路、电压采样电路以及采样基准源电路。其中，电流采样电路采用匝比1000:1的电流互感器将负载大电流进行转换为小电流，然后将电流信号转换为电压信号，因交流电为正弦波信号转换出的电压信号有正有负，通过第一级运算放大电路进行偏置加法调整，将负电压调整到正电压，随后通过第二级运算放大电路进行1:1跟随放大，用于做阻抗调整，然后将输出的1.7v-3v正弦波电压输入给处理器的ad接口进行高速adc采样。处理器以间隔100us速度利用处理器内部的adcdma功能自动进行高速采样正弦波电压，每秒采样10000次，对于50hz的交流电，每个正弦波周期可以采样200个电压值，通过比较这200个电压值，选取最大电压值umax，即可知道电流信号的峰值，通过公式1000*(2*umax-3)/402可以计算出负载电流的峰值ip，通过公式ip/1.414可以计算出负载电流的有效值，至此可以完成控制器负载电流的有效值采样。当计算出的电流有效值接近于0时，即可判断路灯灯具灭灯故障。
本发明的控制器采样了负载电流有效值后，会进行记录，每间隔60秒会记录一个有效值到扩展存储器中，并将该有效值记录一个时间戳信息，随后会将该电流有效值和路灯灯具标称的电流有效值进行差值比较，若当前电流有效值小于路灯灯具标称的电流有效值10％时，即可判断路灯灯具模组故障，表示灯具中部分光源故障，并通过无线通讯模块向管理服务器上报灯具部分光源故障。
本发明的电压采样电路，采用1:1的电压互感器，然后串联一个200k的电阻进行电压采样，同负载电流采样原理相同，通过第一级运算放大电路进行偏置加法调整，将负电压调整到正电压，随后通过第二级运算放大电路进行1:1跟随放大，用于做阻抗调整，然后输出1.7v-3v正弦波电压信号输入给处理器的ad接口进行高速adc采样，cpu处理器依然以每秒采样10000次的频率对该正弦波采样，每个正弦波周期可以采样200个电压值，通过比较这200个电压值，选取最大电压值umax，即可知道电流信号的峰值，通过公式200*(2umax-3)可以计算出负载电压的峰值vp，通过公式vp/1.414可以计算出负载电压的有效值，至此可以完成控制器负载电压的有效值采样。通过对灯具负载电压有效值和路灯控制柜中回路起始端电压有效值的比较，可以判断出控制器端电缆的压降数值，若压降过大，可以建议路灯管理部门进行维修处理。
本发明为了提高对电流和电压的adc采样精度，避免运算放大器放大过程中生产的误差，电压和电流采样模块中包括了采样基准源电路，该采样基准源电路由一个tl431芯片产生一个2.495v的电压，然后通过电阻分压获得一个1v的基准电压vref来保证运算放大器的稳定工作，保证了电流和电压的采样精度。并且通过由处理器对采样基准源vref进行adc采样，可以验证采样基准源的误差，由软件进行误差校正，保证了本发明进行电流和电压可以达到1％的采样精度。
本发明的电流采样电路和电压采样电路都采用了互感器进行负载电流电压的采样，因互感器具有较高的绝缘性能，且采样电路中具有保护tvs管，保证了在有雷击和浪涌电流出现时，不会损坏设备的负载电流和电压采样电路和处理器。本发明仅仅需要对ac/dc供电模块做好防雷击和防浪涌的防护处理即可。
本发明的继电器驱动模块,与处理器相连接，接收来自处理器的控制信号，用于控制路灯灯具的开关灯，通过一个三级管驱动一个12v的继电器实现路灯灯具的供电和断电，通过远程无线指令可以实现路灯灯具的开灯和关灯操作，为了增加路灯的安全可靠性，本发明将继电器的常开no、常闭nc触点通过引线连接到输出接线端子，对于不同的应用采用不同的连接出线方式，对于常规的道路路灯照明，采用常闭nc触点给路灯灯具供电，保证默认上电就是开灯状态，需要关灯时通过远程无线关灯指令控制继电器触点断开来完成关灯，在设备运行过程中出现电源故障或者继电器控制故障时，继电器自动恢复到常闭nc触点状态，保证了设备故障后路灯灯具依然是开灯状态，避免道路照明灭灯的问题出现；对于默认为关灯的应用采用常开no触点给路灯灯具供电，保证了在设备故障和继电器控制故障时，继电器自动恢复到常开no触点状态，保证了设备故障后灯具为关灯状态。
本发明的调光输出模块,与处理器相连接，接收来自处理器的1khz占空比为0-100％的脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号对两级电容充放电后输出给一个运算放大器做跟随驱动输出0-10v可调电压，该可调电压连接路灯灯具的驱动电源可以实现路灯功率和照度的调光控制，从而实现调光节能的目的。
本发明的处理器主要用来完成无线指令和数据的接收和发送，并根据指令控制继电器驱动模块实现路灯的开关灯控制，控制调光输出模块实现0-10v调光输出。对负载电流、电压进行采样，并根据采样的电流和电压，并与配置的门限参数进行比较输出电流、电压告警。同时通过加密认证芯片实现无线通讯数据和设备升级程序的加密认证过程，保证了无线通讯的安全性，防止控制器设备被非法入侵劫持控制。
本发明除了实现路灯灯具的开关灯控制、调光节能和故障检测外，还可以实现智慧城市无线组网应用，本发明通过无线通讯模块实现路灯灯杆间的无线组网通讯，本发明将该无线组网命名为无线传输网络，该无线网络能够实现高达1-500kbps的高速通讯。
本发明为了适应各种不同的路灯灯具的应用，电压和电流采样模块中具有一路电压采样电路、两路电流采样电路以及一个负载采样基准源，继电器驱动模块中具有两路继电器驱动电路，调光输出模块中具有两路调光输出电路，每路调光输出电路可以最少驱动2路共4路的0-10v的路灯灯具调光电。本发明可以实现一组照明灯具的开关控制、故障检测和调光控制，还可以实现一组基于路灯灯杆上的用电设备的开关控制和故障检测功能。
图2是调光输出模块的电路示意图。该调光输出模块中包括由r803、r804、c801、r805、c802和r824组成的两级rc电容充放电电路，用两级是为了让电压变化更趋于平稳，pwm_out1_v输出3.3vpwm波，通过不同的占空比调节q801的关断时间，让电容充放电时间发生变化导致输出1-10v可调，运放u801做一级跟随电路提高输出带负载能力，能够保证输出电压负载能力保持40ma，如果还要更大的带载能力，可以加上q802，去掉r808，这样可以由a_dc12v提供更大的负载电流，d801为tvs管，防止调光的电路和光源驱动之间有瞬间大电压的干扰，r810和r811组成1-10v输出反馈回路，由于供电电压a_dc12v的大小会影响到1-10v的固定稳定输出，为保证固定电压稳定输出，加一个反馈电路，单片机通过pwm_chk_adc_5端口采样反馈，自动调节占空比，输出稳定调光电压。
反馈调节方式如下：默认状态下假定供电电压为12v，那么pwm_out1_v占空比为2％，输出为10v，如果实际供电电压为大于12v，那么2％的占空比下输出的电压将大于10v，通过反馈采样得知不是我们需要的10v，将增大占空比，直到输出稳定10v，反之如果供电电压小于12v，2％的占空比输出的电压将小于10v，通过反馈调节减小占空比，直到输出稳定10v，占空比不再变化。
图3是电压和电流采样模块的电路示意图。电压和电流采样模块中包括电流采样电路、电压采样电路以及采样基准源电路。具体如下：
电流采样电路，在次级并联一个tvs管，做一级吸收，防止互感器次级产生尖峰电压对后端造成过压的危害，互感器采用电流互感器5a:5ma，也就是匝比1000:1，即如果一次侧电流为i1为1a，则二次侧i2＝1/1000＝1ma，r602两端电压为ui2＝i2*r602＝1v(有效值),幅值为1.414v，ui2max＝1.414v，ui2min＝-1.414v，由于采样的电流为交流信号所以有正负电压，运放第一次为偏置放大电路，将负电压全变换成正电压，
输入输出关系式如下：
uo1＝ui1-r603/r601(ui2-ui1)
其中，正向输入端电压为ui1即vref，反向输入端电压ui2,即r602两端电压。
ui2＝r602*i1/1000
当ui2＝ui2min＝-1.414*r602*i1/1000时，current_adc_1采样得到峰值电压uo1p，可以通过上述公式计算出一次侧电流有效值。
c12作有源滤波，滤除高频干扰，第二级运放做跟随电路做阻抗变换，提高采样精度。初级输入电流为1a，计算理论采样幅值电压为1.789v。
电压采样电路，在互感器的初级并一个mov有效的保护的输入端在雷击通过的时候提供能量的泄放回路，同时在次级并联一个tvs管，做双重保护，吸收初级传到次级的剩余能量尖峰，避免对后端造成过压的危害，互感器采用电压互感器2ma:2ma，也就是匝比2000:2000，在一次测串联一个200k电阻，即如果一次侧电压为220v，一次侧电流i1＝220/200000＝1.1ma，二次侧也是i2＝1.1ma，r703两端电压为ui2＝i2*1000＝1.1v(有效值),最大值为1.555v，最小值为-1.555v，由于采样的电流为交流信号所以有正负电压，运放第一次为偏置放大电路，将负电压全变换成正电压。
输入输出关系式如下：
uo1＝ui1-r704/r702(ui2-ui1)
其中，正向输入端电压为ui1即vref，反向输入端电压ui2,即r703两端电压。
ui2＝r703*i1/1000
当ui2＝ui2min＝-1.414*r703*vin/r701时，voltage_adc_3采样得到峰值电压uo1p，
通过关系式ui2＝r703*vin/r701可以计算出一次输入电压vin。
c12作有源滤波，滤除高频干扰，第二级运放做跟随电路做阻抗变换，提高采样精度。输入电压为220v时，计算理论采样幅值电压为2.275v
采样基准源电路，将高精度tl431参考极和阴极短接，做高精度稳压管用，参考级稳定输出2.495v，波动实测10-15mv，通过r502,r503分压取r503两端电压为1v基准电压vref，为了提高更高的精度可以在r503两端做ad电压采样，在软件里校正基准源，提高电流采样精度。
图4是继电器驱动模块的电路示意图。继电器驱动模块，采用光耦ltv817对三极管进行隔离控制使继电器初级线圈两端产生电压，最后继电器次级导通，继电器次级初始默认为常闭，即3与5脚导通，当st_k_o1输入高电平时，光耦次级导通，通过上拉a_dc12v的电压驱动，q901导通，继电器的初级线圈与a_dc12v并接，继电器开关发生翻转，3脚与4脚导通，5脚悬空，与5脚连接的回路断开。
图5是电源供电模块的电路示意图。电源供电模块中包括ac/dc12v电源电路、dc/dc5v电源电路、dc/dc3.3v电源电路、电池充放电电路以及电池组。
ac/dc12v电源电路，采用外购的参数为输入90-264v，额定输出12v/400ma的模块，该模块采用flayback线路，变压器隔离。
dc/dc5v电源电路，采用mp1584电源管理芯片，输入电压可为4.5v-28v，输出电压通过r206、r207的变比进行调节，通过mp1584电源管理芯片的fb引脚检测输出的电压，进行内部占空比的调节，使其输出稳定和固定的电压：
输出电压vout＝vfb(r206+r207)/r207，vfb＝0.8v，r206取值210k,r207取值40.2k，理论计算取vout为4.979v，与实际测试一致。
dc/dc3.3v电源电路，采用三端线性稳压电路，采用ht7133电源管理芯片，在保证vin≥vout+1.2v的前提下，通过芯片内部调节输出稳定3.3v电压。
电池充放电电路，采用以tp5100为主芯片的充电模块，外接了一组供电切换电路：1)当a_dc12v供电正常时，电池组在保证正常充电的同时，pmosq201vgs为正，此时q201关断，b_out电压为a_dc12v减去d201的压降，vdd_out＝12-vd；2)当a_dc12v供电断开时，vgs为负驱动pmos导通，b_out为电池供电，通过检测电池电压vbat，不断检测电压来判断电池是否在充电还是放电的状态。
本发明的电池充放电电路用于给电池组进行充放电管理，当白天路灯关灯时，路灯回路电缆断电，控制器输入的ac220v交流电源断电，电池充放电电路将电池组中的电能转换为dc5v、dc3.3直流电源给处理器、无线通讯模块、以及存储器供电以完成无线联网通讯的功能。当到了晚上路灯开灯时间到后，路灯回路电缆供电ac220v交流电，控制器输入ac220v交流电源，电池充放电电路通过dc12v直流电给电池组充电，电池组充电完成后就停止充电，同时给其他的模块进行供电。本发明的电池组用于在ac220v交流电供电中断的情况下，通过电池充放电模块给无线组网必要的几个组件供电。本发明的电池充放电状态和电池组电压通过处理器进行电池充放电状态和电池组电压的检测，方便进行控制器电池供电故障的判断和处理。
本发明对各个模块供电时具有两种供电回路：
1)调光输出模块、继电器驱动模块直接由ac/dc12v电源电路提供dc12v直流供电，电压和电流采样模块由dc/dc5v电源电路提供dc5v直流供电；
2)无线通讯模块、存储器由dc12v直流电经过电池充放电电路后提供dc3.3v直流供电，在白天路灯关灯，路灯电缆回路断电；控制器外部ac220v交流电断电的情况下，由电池组通过电池充放电电路给dc/dc3.3v电源电路供电，在晚上路灯开灯，路灯电缆回路供电，控制器外部ac220v交流电供电的情况下，电池充放电电路除了给电池组充电外，还给dc/dc3.3v电源电路供电。本发明通过两个回路供电和电池组后备电源供电保证了无论是白天和晚上都能够保证智慧城市的无线网络组网的稳定运行。
本发明通过处理器对电池充放电电路的检测，能够检测当前是ac220交流供电还是电池组供电，同时能够检测电池组电压，初步估算电池组剩余电量，根据剩余电量调整无线网络的协议算法，实现最大延长电池供电时间，保证无线网络最长稳定运行时间。
图6是处理器以及无线通讯模块的电路示意图。处理器与无线通讯模块之间通过spi接口连接，无线通讯模块si4463无线通讯模组，该通讯模组通过rf_nirq实现无线数据收发的中断快速响应，可以实现1k-500k速率的远距离无线通讯，用于实现灯杆和灯杆间的高速通讯，进行路灯开关灯、调光节能、故障检测的管理，还实现了路灯灯杆周边传感器数据的管理。本发明中采用3.3v给无线通讯模块供电，降低了控制器设备的功耗。
处理器采用stm32f103rct6芯片，该芯片中存储器容量256kb，sram为48kb，支持3组spi接口，2组i2c，5组usart，1组usb，1组can，51个gpio口，16路adc，2路dac，最大速度可以达到72m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，光介质、或者半导体介质等。