专利名称：大型智能化航标旋转灯器及控制方法
技术领域：
本发明涉及航标技术领域，具体地讲是一种大型智能化航标旋转灯器及其控制方法。
背景技术：
目前，干线灯塔上使用的大型航标旋转灯器主要是上世纪八十年代从英国生产的 PRB系列灯器，这种灯器能耗大、智能化程度低，且由于长期使用，技术状况越来越差。在灯 器构成技术上，现有的旋转灯器大部分为步进式电机驱动旋转或步进电机通过同步带或齿 轮箱传动驱动旋转，前者旋转精度低，后者机械结构复杂、维护工作量大，稳定性也受到限 制。因此，人们开始了旋转精度更高、机械结构更简单的智能化航标旋转灯器的研制。如中 国专利ZL200710014463. 3，智能化航标旋转灯器及其控制方法，该专利中的航标旋转灯器， 其旋转系统为步进式电机驱动旋转，旋转稳定度太低，不利于航海者精确观察使用。
发明内容
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种大型智能化航标旋转灯 器。 本发明的另一 目的是提供一种大型智能化航标旋转灯器的控制方法。 本发明主要解决了现有的航标旋转灯器旋转稳定性差、能耗高、智能化程度低、结
构相对复杂的问题。 为了达到上述目的，本发明是这样实现的大型智能化航标旋转灯器，由灯体和控 制器两个部分组成，二者采用线路连接，其特殊之处在于在灯体的底盘上安装有中心支杆、 轴承支架、护罩、电机驱动器和接线排，中心支杆下部安装有步进电机，步进电机通过连轴 器带动转轴转动，转轴由轴承固定在轴承支架上；透镜笼由下托板、上夹板和立柱构成，透 镜笼由下托板连接于转轴，透镜笼的相临的立柱间安装有光学透镜；中心支杆上端安装有 换泡机底座，换泡机安装于换泡机底座上，灯泡安装在换泡机上；控制器由MCU控制主板、 操作界面、系统通信单元、外设控制单元、A/D转换单元、远程通信单元、供电单元、日光检测 单元、环境检测单元、GPS接收单元、电源检测单元和分控单元组成。 本发明的大型智能化航标旋转灯器，其所述的步进电机为空心轴步进电机，中心
支杆由步进电机的轴和灯体的转轴的中间穿过，步进电机直接驱动灯体的转轴旋转，控制
器控制电机采取递进式加(减)速度，实现了灯器的平稳起动和停止。 本发明的大型智能化航标旋转灯器，其所述的光学透镜为焦距为400mm的细纹菲
涅尔平板透镜，每个灯器上可安装1-6面透镜；透镜制作材料采用透光性能很好的聚甲基
丙烯酸甲酯；外形尺寸为1000X450X5 (mm);焦距为400mm，中心透射比为87. 5%，发散角
为0.2° 。 本发明的大型智能化航标旋转灯器，其所述的控制器部分在于硬件组成上采用 了模块化的结构设计，在功能的实现上依靠预置的软件程序；采取了GPRS和SMS/GSM两种数字通信方式同时在线运行的模式，实现了灯器的远程监测控制和技术诊断，并保证了数 据的可靠传输；电源检测单元实现了灯器对供电系统单节电池电压的实时检测，远程通信 单元具有远程数字通信能力。 本发明大型智能化航标旋转灯器的控制方法，其特殊之处在于
(1)按下列步骤进行灯器旋转控制
(1. 1)开始； (1.2)判断旋转方式，如果为自动旋转方式，则判断灯器是否发光，如果为全天旋 转方式，则直接进入修改转速判断； (1. 3)判断灯器是否发光，在自动旋转方式下，判断灯器是否发光，如果灯器不发 光，则停止旋转，如果灯器发光，则进入修改判断程序； (1. 4)判断是否修改转速，如果不需要修改转速，则直接按照原有的转速设置进入 旋转状态，如果进行转速修改，则输入转速值，并将所输入的新的转速值进行保存，保存后 灯器按照新转速进入旋转状态；
(1.5)结束。
(2)按下列步骤进行灯器转速调整过程控制
(2. 1)开始； (2. 2)以设定的加速度值变速度驱动灯器的电机旋转；
(2. 3)检测灯器转速； (2. 4)判断测得的转速是否达到预置转速，如果达到，则进入稳定的状态(稳定旋 转或停止)； (2. 5)如果转速没有达到预置转速，由判断当前转速是否符合预期值，如果不符合 预期值，则对加速度进行调整，如果符合预期，则不调整加速度，只要转速没有达到预置转 速，则一直变速驱动电机旋转，直到转速达到预置转速；
(2.6)结束。
(3)按下列步骤进行灯器发光控制
(3. 1)开始； (3.2)判断开灯方式，如果为自动开灯方式，则进入自动发光控制程序，如果为手 动开灯方式，则进入手动发光控制程序
(3.3)自动发光控制程序
(3. 3. 1)判断发光控制选择； (3. 3. 2)如果为日光阀控制发光，则判断环境光照度值，环境光照度值高于所设定 的日光阀值时灯泡熄灭，环境光照度值低于所设定的日光阀值时灯泡发光；
(3. 3. 3)如果为时钟控制发光，则当时钟处于开灯时间范围时灯泡发光，当时钟不 处于开灯时间范围时灯泡熄灭； (3. 4)手动发光控制程序判断是否人工控制开灯，如果人工控制开灯，则灯泡发
光，否则，灯泡熄灭； (3.5)结束。
(4)按下列步骤进行灯器自动换泡控制
(4. 1)开始;
(4. 2)在没有进入换泡流程前，不停地判断灯器是否处于发光状态，只有当灯器发 光后，才进入换泡流程； (4. 3)判断灯泡电流，如果灯泡工作电流小于先设定，则判定为灯泡故障； (4.4)切断灯泡供电； (4. 5)检查是否还有备用灯泡； (4. 6)如果换泡机上还有备用灯泡，则控制换泡机更换上新灯泡，然后重新给灯泡 供电使灯泡发光； (4. 7)如果已经没有备用灯泡，则发出灯泡故障告警；
(4.8)结束。
(5)按下列步骤进行灯器通信模式自动控制 (5. 1)开始； (5. 2)对通信单元进行初始化； (5. 3)首先进行GPRS连接； (5. 4)判断GPRS连接是否成功； (5. 5)如果GPRS连接成功，则进入GPRS通信模式与遥控中心建立数据通信；
(5. 6)如果GPRS连接不成功，则进入SMS通信模式与遥控中心建立数据通信；
(5. 7)在SMS通信模式下，不断进行连接GPRS尝试，如果GPRS连接成功，则立即转 GPRS通信模式，否则就继续保持SMS模式通信；
(5.8)结束。 本发明的大型智能化航标旋转灯器及控制方法与已有技术相比具有突出的实质 性特点和显著进步，1、采用步进电机直接驱动航标灯器旋转，既充分利用了步进电机转速 精度高的优点，提高了转速稳定性，又简化了旋转传动机械系统结构，从而使灯器的稳定性 得以提高、使用寿命得到了明显的延长；2、灯器具有良好的实用性能，操作简单、维护方便、 运行稳定、功能完善3、灯器自身具备了完善的数字通信能力，可以方便地接入遥测遥控系 统4、采用高光效灯泡和高透光率的透镜，使灯器在保证达到射程要求的前提下，能耗大大 降低，可以使用太阳能、风能等清洁能源供电，从而为干线灯塔实现无人值守创造了条件。
图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明的控制系统原理图； 图3是本发明的灯器旋转控制程序流程图； 图4是本发明的灯器转速调整过程控制程序流程图； 图5是本发明的灯器发光控制程序流程图； 图6是本发明的灯器自动换泡控制程序流程图； 图7是本发明的灯器通信模式自动控制程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施进行进一步的说明。 实施例1 ，如图1和图2所示，加工制成灯体1和控制器2两部分；在灯体1的底盘3上安装中心支杆4、轴承支架5、护罩6、电机驱动器7和接线排8;中心支杆4制成空心结构， 该空心分别开口于杆的上端和底部侧面，形成由灯体1底部向透镜笼13走过信号控制线和 灯泡电源线的通道；在中心支杆4下部安装步进电机9，步进电机9为空心轴步进电机，控 制器2控制电机采取递进式加(减)速度，实现了灯器的平稳起动和停止；步进电机9通过 连轴器10带动转轴11转动，转轴11由轴承12固定在轴承支架5上，中心支杆4为空心结 构，它由步进电机9的轴和转轴11的中间穿过，步进电机9直接驱动灯器转轴11旋转；透镜 笼13由下托板14、上夹板15和立柱16构成，透镜笼13由下托板14连接于转轴11 ;透镜 笼13上安装有光学透镜17，透镜为大型细纹菲涅尔平板透镜，每个灯器上可安装1-6面透 镜，透镜制作材料采用透光性能很好的聚甲基丙烯酸甲酯，外形尺寸为1000 X 450 X 5 (mm)， 焦距为400mm，中心透射比为87. 5%，发散角为0. 2° ;在中心支杆4上端安装有换泡机底 座18，将换泡机19安装于换泡机底座18上，再将灯泡20安装在换泡机19上，换泡机19的 电源线和控制信号线，从控制器2进入灯体1下部后，经由中心支杆4中心的空心管道连接 到换泡机19，灯泡20选用CDM-T/942系列陶瓷金属卤化物灯泡，该灯泡发光效率高，色温为 Tc = 4200K符合国际航标协会的相关要求，发光体金卤陶瓷管物理尺寸为①7X12mm，便于 同透镜配合产生所要求的光束，平均使用寿命达12000小时； 控制器2由MCU控制主板21、操作界面22、系统通信单元23、外设控制单元24、A/ D转换单元25、远程通信单元26、供电单元27、日光检测单元28、环境检测单元29、 GPS接 收单元30、电源检测单元31和分控单元32组成，控制器2内预置软件程序，依靠程序的运 行实现灯器的旋转和发光控制，以及电源监测、日光阀监测等功能，采取了 GPRS和SMS/GSM 两种数字通信方式同时在线运行的模式，实现了灯器的远程监测控制和技术诊断，并保证 了数据的可靠传输； 灯体1与控制器2通过控制电缆连接起来，构成智能化步进电机直驱的航标旋转 灯器。 本发明的大型智能化航标旋转灯器的控制方法，是由控制器2来完成的，控制器2 内的MCU控制主板21是控制器的核心，根据所预置的控制程序，完成了整个灯器的所有控 制功能，其中包括灯器旋转控制、开关灯控制、换泡控制、灯器各种数据采集与处理、通信管 理、备用灯器启动控制和主用灯器历史数据自动记忆等。 控制器2内的操作界面22为灯器操作控制的总界面，操作人员的所有操作控制和 灯器状态监测都是通过人机界面完成的，操作控制的具体内容包括系统设置、状态监测、 工作状态转换、灯器功能检查、查看历史记录和发送状态报告等。 控制器2内的系统通信单元23承担灯器控制系统内部数据传输任务，来自日光检 测单元28、环境检测单元29、 GPS接收单元30和电源检测单元31的数据通过些单元传送 到MCU控制主板21，分控单元32也是由此单元与主控制箱进行数据通信。
控制器2内的外设控制单元24是控制器2对灯体实行各种控制的总接口 ，控制器 2还通过此单元给备用灯器供电。 控制器2内的A/D转换单元25完成各种模拟量的采集和模数转换，转换结果传送 到MCU控制主板21。 控制器2内的远程通信单元26为GSM通信模块，具有GPRS和SMS/GSM两种数字 通信功能，灯器通过此单元完成与遥测遥控端的数据传输。
控制器2内的供电单元27有两个方面的作用一是防护作用，可以抑制雷电等造 成的强电磁脉冲造成的强干扰和电浪涌；二是电压转换作用，将来自电源的单一电压转换 为控制系统所需要的各种电压，保证控制系统正常运行。 控制器2内的日光检测单元28具有数字环境光照度检测功能，精确地检测环境光 照度，并以数据的形式传送到控制器的核心MCU控制主板。 控制器2内的环境检测单元29为用来检测灯器工作环境周围的温度和相对湿度， 检测结果以数据的形式传送到控制器的核心MCU控制主板。 控制器2内的GPS接收单元30接收GPS系统时钟信号，为灯器运行提供准确的时 钟。 控制器2内的电源检测单元31检测电源的电压，如果供电电源为蓄电池，则该单 元可以检测单元节电池电压，检测结果传送到控制器的核心MCU控制主板，并只可以通过 远程通信单元26发送到遥测遥控中心。 控制器2内的分控单元32能够实现与操作界面22同样的功能，它可以通过通信 电缆由系统通信单元23接入控制系统，实现灯器的远距离操作控制。 接通电源后，灯器即进入工作状态，透镜开始旋转，在旋转开始时，控制器控制步 进电机以渐进的方式逐步提升转速，直至转速达到预定值，即进入稳定旋转；灯器一直监测 环境光照度，一旦环境光照度低于设定值，灯器即发光，当环境光照度高于设定值后，灯器 即熄灭；如果灯器接入了遥测遥控系统，则其通过内置的通信单元通过GSM网络与监控中 心构成数字通信，随时向监控中心发送灯器的各种运行状态信息，并接受监控中心的操作 控制；如果用户选用了分控功能，则可将分控器的电缆连接到控制器，操作人员在距离灯器 一定的范围内即可完成所有的操作控制。 本发明的大型智能化航标旋转灯器的控制方法如下 1、灯器旋转控制，参见图3，灯器开始旋转，首先判断旋转方式，如果为自动旋转方 式，则判断灯器是否发光，如果为全天旋转方式，则直接进入修改转速判断；在自动旋转方 式下，判断灯器是否发光，如果灯器不发光，则停止旋转，如果灯器发光，则进入修改判断程 序；最后判断是否修改转速，如果不需要修改转速，则直接按照原有的转速设置进入旋转状 态，如果进行转速修改，则输入转速值，并将所输入的新的转速值进行保存，保存后灯器按 照新转速进入旋转状态；然后结束。 2、灯器转速调整过程控制，参见图4，开始，以设定的加速度值变速度驱动灯器的 电机旋转，检测灯器转速，判断测得的转速是否达到预置转速，如果达到，则进入稳定的状 态(稳定旋转或停止)；如果转速没有达到预置转速，由判断当前转速是否符合预期值，如 果不符合预期值，则对加速度进行调整，如果符合预期，则不调整加速度，只要转速没有达 到预置转速，则一直变速驱动电机旋转，直到转速达到预置转速；然后结束。
3、灯器发光控制，参见图5，开始，判断开灯方式，如果为自动开灯方式，则进入自 动发光控制程序，如果为手动开灯方式，则进入手动发光控制程序；自动发光控制程序判 断发光控制选择，如果为日光阀控制发光，则判断环境光照度值，环境光照度值高于所设定 的日光阀值时灯泡熄灭，环境光照度值低于所设定的日光阀值时灯泡发光；如果为时钟控 制发光，则当时钟处于开灯时间范围时灯泡发光，当时钟不处于开灯时间范围时灯泡熄灭； 手动发光控制程序判断是否人工控制开灯，如果人工控制开灯，则灯泡发光，否则，灯泡熄
8灭；然后结束。 4、灯器自动换泡控制，参见图6，开始，在没有进入换泡流程前，不停地判断灯器是 否处于发光状态，只有当灯器发光后，才进入换泡流程；判断灯泡电流，如果灯泡工作电流 大于预先设定，则判定为灯泡正常，灯泡继续发光，如果灯泡工作电流小于预先设定，则判 定为灯泡故障；切断灯泡供电；检查是否还有备用灯泡；如果换泡机上还有备用灯泡，则控 制换泡机更换上新灯泡，然后重新给灯泡供电使灯泡发光；如果已经没有备用灯泡，则发出 灯泡故障告警；然后结束。 5、灯器通信模式自动控制，参见图7，开始，对通信单元进行初始化；首先进行 GPRS连接；判断GPRS连接是否成功；如果GPRS连接成功，则进入GPRS通信模式与遥控中 心建立数据通信；如果GPRS连接不成功，则进入SMS通信模式与遥控中心建立数据通信； 在SMS通信模式下，不断进行连接GPRS尝试，如果GPRS连接成功，则立即转入GPRS通信模 式，否则就继续保持SMS模式通信；然后结束。
权利要求
大型智能化航标旋转灯器，由灯体(1)和控制器(2)两个部分组成，二者采用线路连接，其特征在于在灯体(1)的底盘(3)上安装有中心支杆(4)、轴承支架(5)、护罩(6)、电机驱动器(7)和接线排(8)，中心支杆(4)下部安装有步进电机(9)，步进电机(9)为空心轴步进电机，中心支杆(4)由步进电机(9)的轴和灯体(1)的转轴(11)的中间穿过，步进电机(9)通过连轴器(10)直接驱动灯体(1)的转轴(11)旋转，转轴(11)由轴承(12)固定在轴承支架(5)上；透镜笼(13)由下托板(14)、上夹板(15)和立柱(16)构成，透镜笼(13)由下托板(14)连接于转轴(11)，透镜笼(13)的立柱(16)间安装有光学透镜(17)；中心支杆(4)上端安装有换泡机底座(18)，换泡机(19)安装于换泡机底座(18)上，灯泡(20)安装在换泡机(19)上；控制器(2)由MCU控制主板(21)、操作界面(22)、系统通信单元(23)、外设控制单元(24)、A/D转换单元(25)、远程通信单元(26)、供电单元(27)、日光检测单元(28)、环境检测单元(29)、GPS接收单元(30)、电源检测单元(31)和分控单元(32)组成。
2. 根据权利要求l所述的大型智能化航标旋转灯器，其特征在于所述的光学透镜(17) 为焦距为400mm的细纹菲涅尔平板透镜，每个灯器上可安装1_6面透镜。
3. 权利要求1或2所述的大型智能化航标旋转灯器的控制方法，其特征是(1) 按下列步骤进行灯器旋转控制 (1. 1)开始；(1. 2)判断旋转方式，如果为自动旋转方式，则判断灯器是否发光，如果为全天旋转方 式，则直接进入修改转速判断；(1. 3)判断灯器是否发光，在自动旋转方式下，判断灯器是否发光，如果灯器不发光，则 停止旋转，如果灯器发光，则进入修改判断程序；(1. 4)判断是否修改转速，如果不需要修改转速，则直接按照原有的转速设置进入旋转 状态，如果进行转速修改，则输入转速值，并将所输入的新的转速值进行保存，保存后灯器 按照新转速进入旋转状态；(1.5) 结束。(2) 按下列步骤进行灯器转速调整过程控制 (2. 1)开始；(2. 2)以设定的加速度值变速度驱动灯器的电机旋转； (2. 3)检测灯器转速；(2. 4)判断测得的转速是否达到预置转速，如果达到，则进入稳定的状态(稳定旋转或 停止)；(2. 5)如果转速没有达到预置转速，由判断当前转速是否符合预期值，如果不符合预期 值，则对加速度进行调整，如果符合预期，则不调整加速度，只要转速没有达到预置转速，则 一直变速驱动电机旋转，直到转速达到预置转速；(2.6) 结束。(3) 按下列步骤进行灯器发光控制 (3. 1)开始；(3. 2)判断开灯方式，如果为自动开灯方式，则进入自动发光控制程序，如果为手动开 灯方式，则进入手动发光控制程序 (3.3)自动发光控制程序(3. 3. 1)判断发光控制选择；(3. 3. 2)如果为日光阀控制发光，则判断环境光照度值，环境光照度值高于所设定的日 光阀值时灯泡熄灭，环境光照度值低于所设定的日光阀值时灯泡发光；(3. 3. 3)如果为时钟控制发光，则当时钟处于开灯时间范围时灯泡发光，当时钟不处于 开灯时间范围时灯泡熄灭；(3. 4)手动发光控制程序判断是否人工控制开灯，如果人工控制开灯，则灯泡发光， 否则，灯泡熄灭；(3. 5)结束。(4) 按下列步骤进行灯器自动换泡控制 (4. 1)开始;(4. 2)在没有进入换泡流程前，不停地判断灯器是否处于发光状态，只有当灯器发光 后，才进入换泡流程；(4. 3)判断灯泡电流，如果灯泡工作电流小于先设定，则判定为灯泡故障；(4.4)切断灯泡供电；(4. 5)检查是否还有备用灯泡；(4. 6)如果换泡机上还有备用灯泡，则控制换泡机更换上新灯泡，然后重新给灯泡供电 使灯泡发光；(4. 7)如果已经没有备用灯泡，则发出灯泡故障告警； (4.8)结束。(5) 按下列步骤进行灯器通信模式自动控制 (5. 1)开始；(5. 2)对通信单元进行初始化；(5. 3)首先进行GPRS连接；(5. 4)判断GPRS连接是否成功；(5. 5)如果GPRS连接成功，则进入GPRS通信模式与遥控中心建立数据通信； (5. 6)如果GPRS连接不成功，则进入SMS通信模式与遥控中心建立数据通信； (5. 7)在SMS通信模式下，不断进行连接GPRS尝试，如果GPRS连接成功，则立即转入 GPRS通信模式，否则就继续保持SMS模式通信； (5.8)结束。
全文摘要
本发明公开了一种大型智能化航标旋转灯器及控制方法，由灯体(1)和控制器(2)两个部分组成，其特点是灯体(1)的底盘(3)上的中心支杆(4)下部安装有步进电机(9)，通过连轴器(10)带动转轴(11)转动，透镜笼(13)由下托板(14)连接于转轴(11)，中心支杆(4)上端安装有换泡机底座(18)、换泡机(19)、灯泡(20)；控制器(2)由控制单元组成，可进行灯器旋转控制、灯器转速调整过程控制、发光控制、自动换泡控制、通信模式自动控制，是一种智能化程度高、结构简单、能耗低、射程远、运输、安装及维护方便的大型智能化航标旋转灯器。
文档编号F21V19/00GK101694275SQ20091001834
公开日2010年4月14日 申请日期2009年9月5日 优先权日2009年9月5日
发明者侯嘉, 刘德波, 孔繁弘, 孙小鹏, 孙文远, 张临强, 徐津津, 曲辰, 李建涛, 李鲜枫, 王如政, 辛艺强, 郜喆, 钟建军, 马亚平 申请人:中华人民共和国天津海事局;