一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包含控制后台、监控中心、汇聚节点，还包含多个具有检测灯具参数的传感器节点组成的无线传感器网络；所述无线传感器网络将传感器节点采集的灯光数据传至汇聚节点，所述汇聚节点将接收的灯光数据上传至监控中心，所述监控中心与控制后台信息交互；所述传感器节点包含处理器模块以及与其连接的传感器模块、通信模块和供电模块；该系统将无线网络应用于大型灯光终端控制中，在任务书命令下达时，有效对场景内灯具运行现状观测，从而实现告警功能，设计合理、成本低、操作简便，能达到对整个场景内灯具进行完整、有效的监测的目的。
【专利说明】
一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种灯光控制系统，尤其涉及一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，属于数据监控领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。无线通信网已经逐步发展到能为任何人和物件之间随时、随地通信的物联网，网络的规模极速扩大，但与此同时物联网的总体的稳定性和可持续发展问题也越来越突出。与此同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，这些地区恶劣的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电，因为在这些地区更换化学电池往往是一件不太可能的事情。正因为这些原因，本发明才想到采用可再生能源为无线通信节点供能来解决这些问题。
[0003]在网络技术逐步成熟的背景下，大型灯光终端控制系统技术也由传统的模拟调光技术转化为数字调光技术。数字调光技术具有抗干扰能力强、信号便于存储等优点。传统的大型灯光终端控制系统存在设备管理不完善、不易维护等问题，并且已有系统多是处理单个命令的直接控制，对于负责批命令控制的研究还有待深入。无线传感网是物联网技术的重要基础，解决了互联的问题，由具有感知、处理和无线通信能力的大量传感器节点形成一个多跳的自组织网络系统，完成既定的任务。
[0004]目前大型灯光终端控制系统大多利用以太网络进行数据的有线传输，存在着成本高、综合布线复杂、通信电缆选择等实际工程问题，限制了灯光终端控制系统的发展前景。在控制灯光终端系统时，技术人员需要对灯光命令、灯具开关及亮度调节等方面进行及时且准确的把握，需要一套完善、精确的无线传感网络对温度参数、亮度参数及颜色参数等灯光参数的变化进行有效监测，并根据灯光控制命令等其他要求，实现大型灯光的最好效果。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包含控制后台、监控中心、汇聚节点，还包含多个具有检测灯具参数的传感器节点组成的无线传感器网络;所述无线传感器网络将传感器节点采集的灯光数据传至汇聚节点，所述汇聚节点将接收的灯光数据上传至监控中心，所述监控中心与控制后台信息交互;所述传感器节点包含处理器模块以及与其连接的传感器模块、通信模块和供电模块；
所述供电模块包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器;所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间；
所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和升压电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后连接第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。
[0007]作为本发明一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统的进一步优选方案，所述处理器模块采用AVR系列单片机。
[0008]作为本发明一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统的进一步优选方案，所述通信模块采用无线通讯模块。
[0009]作为本发明一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统的进一步优选方案，所述传感器模块包含光强传感器、彩色寻线传感器、温度传感器、电压传感器。
[0010]作为本发明一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统的进一步优选方案，所述温差电能收集器采用热电转换芯片。
[0011]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1、设计合理、成本低、操作简单、布网灵活且方便；
2、传感器节点通过无线通信方式形成多跳、自组织的无线传感器网络，该自组网能力强，可实时同步对场景内各灯具的监测参数，传感器节点的能耗低、可扩展性强、布网位置信息直观；
3、本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC-DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。
[0012]
【附图说明】
[0013]图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明传感器节点的结构原理图；
图3是本发明传感器节点供电模块结构图；
图4是本发明供电模块稳压器的电路图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包含控制后台、监控中心、汇聚节点，还包含多个具有检测灯具参数的传感器节点组成的无线传感器网络;所述无线传感器网络将传感器节点采集的灯光数据传至汇聚节点，所述汇聚节点将接收的灯光数据上传至监控中心，所述监控中心与控制后台信息交互； 如图2所示，所述传感器节点包含处理器模块以及与其连接的传感器模块、通信模块和供电模块；
如图3所示，所述供电模块包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器;所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间。
[0015]如图4所示，所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和升压电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后连接第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。
[0016]其中，所述处理器模块采用AVR系列单片机，所述通信模块采用无线通讯模块。
[0017]所述传感器包含光强传感器、彩色寻线传感器、温度传感器、电压传感器，所述温差电能收集器采用热电转换芯片。
[0018]该控制系统采用网络传输协议TCP/IP协议和灯光控制协议如DMX512协议、Art-net 协议或 ACN 协议。 用户根据下达的任务书命令 ，将其解析并打包成 TCP/IP 数据包的格式发送给相应协议解码器，解码器再将接收到的数据包解码为该协议的数据包并发送给协议终端控制器，再将其转换为信号以控制灯具。
[0019]系统可设置基本工作模式参数，如调光曲线、预热模式、同步方式、工作状态选择等。当灯光设备在工作中突然运行不正常或者工作参数超过指定值时，能立即发出警报信号。
[0020]所述的大型灯光终端控制系统，各传感器的输出的模拟信号较弱，因此需要通过信号放大电路进行放大信号，放大电路采用运算放大器的同相闭环连接方式。
[0021]无线传感器网络结构自组形成，通过路由协议、时钟同步等无线传感网基础支撑技术建立起大型灯光控制无线传感网的体系架构，根据传感器采集的数据，判断出场景内区域目前的灯具状况，再根据控制终端下达的批命令调节灯光设备，达到适合的需求。
[0022]所述无线传感网所使用的协议为多跳网络协议，能够将一个节点发出的信息包可靠地传输到网络中的每个节点，在保证可靠通信的前提下，尽量避免不必要的转发通信量。本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC-DC升压变换器实现了可以从低至SOmV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。
[0023]微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端结构由温差电能收集器、具有MPPT功能的升压电路、能量缓冲器和系统负载(无线传感器节点)组成。温差电能收集器是由热电转换芯片组成的，可以根据实际的应用场所的大小和所需电能的多少决定热电转换芯片表面积大小和叠加的层数，用以满足不同的应用环境。
[0024]电源管理集成电路主要是由最大功率点跟踪模块(MPPT)、电能输出接口、升压电路(DC-DC升压模块)、能量缓冲器构成。其中能量缓冲器电路由储能电容、比较器电路和稳压器电路构成。负载主要包括处理传感器采集到的数据，并通过无线发射模块发射出去。
[0025]BQ25504电源管理芯片主要实现了从热能转换模块中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一个16个引脚的、分装的高效率能量管理芯片，16个引脚依次逆时针分布，本发明通过合理地应用这些引脚的相应的功能，实现了微型能量的高效管理。除此之夕卜，该芯片的一个显著优点是拥有超低的工作启动电压，这使得它可以在稳定工作时从低至SOmv的能量源提取能量，并对超低电压进行升压转换，以便后续电路进行存储使用。搭配合适的外围电路实现了从超低功率能量源采集电能的最大功率点跟踪，这对于微型温差能量自供给系统有着至关重要的作用。同时通过外围电路设定过压和欠压的电路保护，保证芯片的稳定工作。
[0026]MIC841N是一个超低功耗的具有内部参考电压的双电压比较器。在本发明通过设置其电压比较的上限和下限来驱动后面的线性稳压器。其工作的特点是，通过不断的检测弓I脚VDD上的电压，并与引脚LTH和HTH上设定的工作电压进行比较，从而确定输出的电压的高低，进而控制稳压器TPS78001的工作状态。
[0027]TPS78001是TI生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应的外围电路的电阻参数，可以使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定地驱动后面的无线传感器发射节点。
[0028]MPPT是一种最大化利用发电器所产生电能的技术。本发明通过一定的电气模块调节微型温差发电器的温差芯片的输出电压，从而实现温差发电器输出功率的最大化。根据已知的微型温差发电器的输出特性曲线，当输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大的输出功率。从TEG提取最大功率的技术主要是动态改变DC/DC转换器开关频率，本发明根据这一特性利用BQ25504采用了电阻比例分压法实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功率的最大化。
[0029]本发明通过高效的能量收集和有效的能量管理实现了无线传感器网络的功能，成为了真正的能量自供给无线传感器系统，同时也顺应了现在我国通信行业绿色无线电的发展要求。
[0030]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0031]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【主权项】
1.一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包含控制后台、监控中心、汇聚节点，其特征在于:还包含多个具有检测灯具参数的传感器节点组成的无线传感器网络;所述无线传感器网络将传感器节点采集的灯光数据传至汇聚节点，所述汇聚节点将接收的灯光数据上传至监控中心，所述监控中心与控制后台信息交互;所述传感器节点包含处理器模块以及与其连接的传感器模块、通信模块和供电模块； 所述供电模块包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器;所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间； 所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和升压电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后连接第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征在于:所述处理器模块采用AVR系列单片机。3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征在于:所述通信模块采用无线通讯模块。4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征在于:所述传感器模块包含光强传感器、彩色寻线传感器、温度传感器、电压传感器。5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征在于:所述温差电能收集器采用热电转换芯片。
【文档编号】H04L29/08GK105872022SQ201610172482
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】胡国良
【申请人】苏州合欣美电子科技有限公司