一种基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器及方法与流程

本发明涉及机场助航灯光技术领域，尤其是一种基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器及方法。

背景技术

机场助航灯光系统作为保障飞机在夜间、低能见度或者其它复杂运行条件下，进行正常的起飞、着陆、滑行的必要目视助航系统，其运行状况直接关系到飞机起降安全，是保障机场安全运行的重要基础设施之一。

随着民航领域的快速发展，机场助航灯光系统仅仅实现目视助航设备的照明功能已不能满足当前安全运行保障的需求。a-smgcs(先进机场场面引导与控制系统)是国际民航组织提出的当前最先进的场面运行控制系统，该系统综合运用多种传感器技术获取机场场面运动物体的位置信息，并通过对机场助航灯光的单灯控制来实现对航空器在场面的运行态势进行冲突预警、滑行引导等功能，以保障飞行安全。目前机场大多采用调光器控制的方式对整条助航灯光回路的助航灯具进行开关控制，存在工程建设成本高、灯具失效检测困难、不能实现单灯控制、人工控制及维护成本高等问题。

由于机场助航灯具根据功能特性分布安装在机场飞行区特定的位置区域，对于现有或新建机场的助航灯具单灯可控的升级需求，受限于机场飞行区面积以及助航灯具安装位置区域，敷设助航灯具控制器通信线路的工程成本都是极高的。为了降低助航灯具单灯可控的工程建设难度以及易实现性，可考虑利用无线物联网通信技术进行数据传输。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段。随着物联网的发展，无线物联网通信技术也得到很大的发展。目前业界主流的远距离无线物联网通信技术包括lora、nwave、sigfox、rpma、weightless、nb-iot、lte-iot等，短距离无线物联网通信技术包括bluetooth、wifi、thread、zigbee、z-wave、dash7等。无线物联网通信技术使各种设备可以便捷的接入物联网络，极大的降低了部署安装成本。目前无线物联网通信技术在工业、农业、医疗、智能家居、城市安保、环境监测、智能交通等众多领域被广泛的应用。在助航灯光技术领域，经查询，目前现有发明仅公布了基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器(cn105813354a一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器)，还没有针对基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器的专利公布。

请参考图1，目前市面上成熟的助航灯具控制器产品均采用电力线载波通信技术，在隔离变压器的次级实现信号的调制传输。由于电力线载波通信信号的调制解调需要经过一个隔离变压器，并且在利用助航灯光一次缆进行串行回路传输时需要经过多个助航灯具，信号回传路径过长，该设计经过多个机场长期应用后发现，受隔离变压器衰减及环境工况影响，实际效果欠佳；并且整个电力线载波通信回路都埋于地下，也给后期的线路检修带来困难。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器及方法，克服了现有技术的不足。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的一种基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器，包括灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、无线接口通信单元、无线通信组件单元和arm处理器单元；所述灯具检测单元的信号输出端与所述arm处理器单元的信号输入端相连，所述arm处理器单元的信号输出端与所述灯具控制单元的信号输入端相连，所述工况监测单元与所述arm处理器单元电性连接，所述arm处理器单元与所述无线接口通信单元电性连接，所述无线接口通信单元与所述无线通信组件单元电性连接。

作为本申请一种优选的实施方式，所述助航灯具控制器还包括电源转换单元；所述电源转换单元分别与所述灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、无线接口通信单元、无线通信组件单元和arm处理器单元电性连接。

作为本申请一种优选的实施方式，所述电源转换单元包括隔离变压器次级、输入保护电路、整流电路和恒流稳压电路，所述隔离变压器次级、输入保护电路、整流电路和恒流稳压电路依次连接，所述恒流稳压电路的输出作为所述助航灯具控制器的恒流稳压电源。

作为本申请一种优选的实施方式，所述恒流稳压电源包括12v线性电源和3.3v开关电源。

第二方面，本发明提供的一种基于无线物联网通信技术的助航灯具控制方法，所述助航灯具控制方法适用于本发明的第一方面中所述的助航灯具控制器，所述助航灯具控制器，包括灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、无线接口通信单元、无线通信组件单元和arm处理器单元，所述基于无线物联网通信技术的助航灯具控制方法包括如下步骤：

所述灯具检测单元对助航灯具的工作状态和故障状态进行检测，并将助航灯具的检测结果发送给所述arm处理器单元；

所述灯具控制单元接收所述arm处理器单元的控制信号，根据所述控制信号完成对灯具的状态控制；

所述工况监测单元对助航灯具控制器的工作状况进行监测，并将助航灯具控制器的工作状况信息发送给所述arm处理器单元；

所述无线接口通信单元采用通信协议将来自于所述arm处理器单元或无线通信组件单元的数据信息进行转换；

所述无线通信组件单元建立所述助航灯具控制器与灯光站助航灯具控制服务器间的连接，实现数据交互。

作为本申请一种优选的实施方式，所述灯具检测单元对助航灯具的工作状态和故障状态进行检测，并将助航灯具的检测结果发送给所述arm处理器单元具体包括：

所述灯具检测单元将采集的电流信号转换为电压信号，对所述电压信号进行调理，将调理后的电压信号送入arm处理器单元进行采样计算；

或者所述灯具检测单元对直接采集的电压信号进行调理，将调理后的电压信号送入arm处理器单元进行采样计算。

作为本申请一种优选的实施方式，所述灯具控制单元包括功率开关、功率驱动模块和功率开关状态回读模块；

所述功率驱动模块向功率开关提供驱动电流；

所述功率开关由arm处理器单元提供的开关信号独立控制接通和断开助航灯具；

所述功率开关状态回读模块监测功率开关的导通或关闭状态。

作为本申请一种优选的实施方式，所述灯具控制单元还包括保护电路；

所述保护电路为瞬时过电流泄流和过电压限制提供保护。

作为本申请一种优选的实施方式，所述工况监测单元对助航灯具控制器的工作状况进行监测具体包括：

所述工况监测单元对助航灯具控制器的工作电压、工作电流、功耗、环境温度和湿度进行监测。

作为本申请一种优选的实施方式，所述无线通信组件单元建立所述助航灯具控制器与灯光站助航灯具控制服务器间的连接，实现数据交互具体包括：

所述无线通信组件单元接收来自于所述无线接口通信单元的低速通信接口信号，并将所述低速通信接口信号调制成对应通信制式的无线载波信号，以及将所述无线载波信号发送给灯光站助航灯具控制服务器；

或者所述无线通信组件单元接收来自于所述灯光站助航灯具控制服务器的无线载波信号，并将所述无线载波信号调制成低速通信接口信号。

本发明的有益效果是：本发明涉及一种基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器及方法，该控制器设计了无线接口通信单元，对低速接口通信信号电平和通信协议进行转换，实现了多种无线物联通信技术的通信组件的兼容；该控制器通过电源转换单元直接在助航灯具供电回路上进行取电，同时不影响助航灯具的正常工作，充分利用现有的供电体制解决设备供电问题；该控制器通过灯具检测单元、灯具控制单元、arm处理器单元完成助航灯具的开关/闪烁控制功能以及电压/电流/功率检测等状态监视功能；该控制器通过工况监测单元为控制器提供状态监视功能；该控制器通过无线通信组件单元与灯光站助航灯具控制服务器间进行通信交互。该控制器充分利用现有助航灯光供电体制解决供电问题，并采用成熟的无线物联网技术实现通信功能，有效的提高了可靠性，同时避免了采用其它通信机制所需的线路土建工程，安装便捷，易实现性好，能够大幅减少智能助航灯光控制系统的建设和改造成本。

附图说明

图1为现有技术中助航灯具控制器实施例的示意图；

图2为本发明助航灯具控制器实施例的示意图；

图3为本发明助航灯具控制器实施例的框图；

图4为本发明电源转换单元实施例的框图；

图5为本发明12v线性电源实施例的电路图；

图6为本发明3.3v开关电源实施例的电路图；

图7为本发明信号转换模块实施例的电路图；

图8为本发明第一信号调理模块实施例的电路图；

图9为本发明第二信号调理模块实施例的电路图；

图10为本发明灯具控制单元实施例的电路图一；

图11为本发明灯具控制单元实施例的电路图二；

图12为本发明工况监测单元实施例的电路图；

图13为本发明无线接口通信单元实施例的电路图；

图14为本发明无线通信组件单元实施例的电路图；

图15为本发明arm处理器单元实施例的电路图；

图16为本发明助航灯具控制方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

如图2-3所示，本发明的第一实施例中所示出的基于无线物联网通信技术的助航灯具控制器，包括灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、无线接口通信单元、无线通信组件单元和arm处理器单元；其特征在于：所述灯具检测单元的信号输出端与所述arm处理器单元的信号输入端相连，所述arm处理器单元的信号输出端与所述灯具控制单元的信号输入端相连，所述工况监测单元与所述arm处理器单元电性连接，所述arm处理器单元与所述无线接口通信单元电性连接，所述无线接口通信单元与所述无线通信组件单元电性连接。

如图4所示，所述电源转换单元分别与所述灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、电力线载波通信接口单元和arm处理器单元电性连接。所述电源转换单元包括隔离变压器次级、输入保护电路、整流电路和恒流稳压电路，所述隔离变压器次级、输入保护电路、整流电路和恒流稳压电路依次连接，所述恒流稳压电路的输出作为所述助航灯具控制器的恒流稳压电源。进一步地，所述恒流稳压电源包括12v线性电源和3.3v开关电源。

如图5所示，所述12v线性电源包括dc-dc转换芯片u1，所述dc-dc转换芯片u1的第3引脚与直流输入电源相连，所述dc-dc转换芯片u1的第1引脚通过电阻r50后接地，所述dc-dc转换芯片u1的第2引脚作为12v线性电源的输出，所述dc-dc转换芯片u1将输入稳压到12v并为其余功能单元提供工作电压。

如图6所示，所述3.3v开关电源包括dc-dc转换芯片u2，所述dc-dc转换芯片u2的第3引脚与直流输入电源相连，所述dc-dc转换芯片u2的第3引脚的第5引脚通过电阻r53后与所述dc-dc转换芯片u2的第3引脚相连，所述dc-dc转换芯片u2的第3引脚的第1引脚接地，所述dc-dc转换芯片u2的第3引脚的第6引脚通过电容c5后与所述dc-dc转换芯片u2的第2引脚相连，所述dc-dc转换芯片u2的第2引脚与电感l1相连，所述3.3v开关电源将输入稳压到3.3v，并为其余功能单元提供工作电压，提高了电源使用效率。

其中，所述灯具检测单元包括信号转换模块、第一信号调理模块和第二信号调理模块。

如图7所示，所述信号转换模块包括芯片u7，所述芯片u7的第1、2引脚与接口p5相连，所述芯片u7的第3、4引脚与灯具控制单元相连，所述芯片u7的第5引脚接地，所述芯片u7的第6引脚通过电容c39后接地，所述芯片u7的第7引脚与所述第一信号调理模块相连。

如图8所示，所述第一信号调理模块包括运放u1a，所述运放u1a的同相端通过电阻r3后与所述信号转换模块相连，所述运放u1a的反相端通过电阻r9后与电容c7的一端相连，所述电容c7的另一端接地，电阻r6和电容c6并联的一端与所述运放u1a的反相端相连，电阻r6和电容c6并联的另一端与所述运放u1a的输出端相连，所述运放u1a的输出端通过并联的r4和r5后与所述arm处理器单元的信号输入端相连。

如图9所示，所述第二信号调理模块包括运放u3a和运放u3b，电阻r19和电容c12并联的一端与所述运放u3a反相端相连，电阻r19和电容c12并联的另一端与所述运放u3a输出端相连，所述运放u3a的输出端与所述运放u3b的同相端相连，所述运放u3b的反相端通过并联后的电阻r20和电容c13后接地，所述u3b的反相端通过电阻r17后与所述运放u3b的输出端相连，所述运放u3b的输出端与所述arm处理器单元的信号输入端相连。

在实际的应用过程中，具体包括如下两种模式：1、当采集到的信号为电流信号时，所述芯片u7将采集的电流信号转换为电压信号，利用运放u1a对所述电压信号进行调理，将调理后的电压信号送入arm处理器单元进行采样计算。2、当采集到的信号为电压信号时，利用所述u3a和所述u3b直接对采集的电压信号进行调理，将调理后的电压信号送入arm处理器单元进行采样计算。

如图10-11所示，所述灯具控制单元包括功率开关、功率驱动模块、功率开关状态回读模块和保护电路；进一步地，所述功率开关为功率继电器k1，所述保护电路为放电管v1。所述功率继电器k1的常开触点通过接口p4与相连所述芯片u7第3、4引脚相连，所述功率继电器k1的常开触点与放电管v1的第2端相连，所述放电管v1的第1端与所述功率继电器k1的公共端相连，所述功率继电器k1的线圈与所述arm处理器单元相连，所述功率继电器k1的线圈与mos管q4的第3端相连，所述mos管q4的第1端与所述arm处理器单元相连，所述mos管q4的第2端与mos管q5的第3端相连，所述mos管q5的第1端与所述arm处理器单元相连，所述mos管q5的第2端接地。

更进一步地，所述功率驱动模块向功率继电器k1提供驱动电流；所述功率继电器k1由arm处理器单元提供的开关信号实现独立控制接通和断开助航灯具；功率开关状态回读模块监测功率继电器k1的导通或关闭状态，并将数据上传给arm处理器单元，放电管v1为瞬时过电流泄流和过电压限制提供保护。

如图12所示，所述工况监测单元包括温湿度传感器u10，所述温湿度传感器u10的第1引脚与所述arm处理器单元相连，所述温湿度传感器u10的第2引脚接地，所述温湿度传感器u10的第5引脚与电源转换单元相连，所述温湿度传感器u10的第6引脚与所述arm处理器单元相连。

更进一步地，所述温湿度传感器u10提供与arm处理器单元的接口，通过该接口将温度和湿度的工况信息上传给arm处理器单元。

如图13所示，所述无线接口通信单元包括无线通信接口转换芯片u16，所述无线通信接口转换芯片u16的b1引脚与所述arm处理器单元相连，所述无线通信接口转换芯片u16的b2引脚与所述arm处理器单元相连，所述无线通信接口转换芯片u16的b3引脚与所述arm处理器单元相连，所述无线通信接口转换芯片u16的b4引脚与所述arm处理器单元相连。

更进一步地，所述无线通信接口转换芯片u16将arm处理器单元的标准低速通信接口电平和通信协议进行转换，实现与多种无线物联网通信技术(如nb-iot、elte-iot、lora等)的通信模组接口的匹配通信。

如图14所示，所述无线器件通信单元包括elte-iot无线物联通信技术的通信组件p6，所述通信组件p6的rst_r_m引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的a1引脚相连，所述通信组件p6的wakeup_in引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的a2引脚相连，所述通信组件p6的uarto_rxd引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的a3引脚相连，所述通信组件p6的uarto_txd引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的a4引脚相连。

更进一步地，所述无线器件通信单元为采用不同无线物联网通信技术的通信组件。本实施例中的基于elte-iot无线物联通信技术的通信组件p6与无线接口通信单元连接，负责按照相应的无线物联通信协议进行通信，并实现将低速通信接口信号调制成对应通信制式的无线载波信号通过天线进行发送，以及将通过天线接收的无线载波信号解调成低速通信接口信号，建立助航灯具控制器与灯光站助航灯具控制服务器间的连接，实现数据交互

如图15所示，所述arm处理器单元包括处理器u11a、调试接口p9和供电接口电路u11b，所述处理器u11a的njtrst引脚与所述调试接口p9的第3引脚相连，所述处理器u11a的jtdi引脚与所述调试接口p9的第5引脚相连，所述处理器u11a的jtms引脚与所述调试接口p9的第7引脚相连，所述处理器u11a的jtck引脚与所述调试接口p9的第9引脚相连，所述处理器u11a的jtdo引脚与所述调试接口p9的第13引脚相连，所述调试接口p9的第15引脚与所述供电接口电路u11b的nrst引脚相连，所述处理器u11a的osc_in引脚与时钟单元y2的第2端相连，所述处理器u11a的osc_out引脚与时钟单元y2的第1端相连，所述处理器u11a的osc32_in引脚与时钟单元y1的第2端相连，所述处理器u11a的osc32_out引脚与时钟单元y1的第1端相连，所述处理器u11a的pa4引脚与所述运放u3b的输出端相连，所述处理器u11a的pa6引脚通过电阻r5和电阻r4后与所述运放u1a的输出端相连，所述处理器u11a的pd12引脚与所述功率继电器k1的线圈相连，所述u11a的pd14引脚与所述mos管q5的第1端相连，所述u11a的pd15引脚与所述mos管q4的第1端相连，所述u11a的sda引脚与所述温湿度传感器u10的第1引脚相连，所述u11a的scl引脚与所述温湿度传感器u10的第6引脚相连，所述u11a的pe2引脚通过电阻r59后与发光二极管d4的正极相连，所述处理器u11a的pd1引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的b1引脚相连，所述处理器u11a的pd7引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的b2引脚相连，所述处理器u11a的pa9引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的b3引脚相连，所述处理器u11a的pa10引脚与所述无线通信接口转换芯片u16的b4引脚相连。

更进一步地，所述arm处理器单元包括以cortex-m3为内核的32位嵌入式系统处理器u11a，用于调试的jtag接口p9，外部时钟源y1和y2，供电接口电路u11b、以及u11的工作状态指示d4。处理器u11a提供了与灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、电力线载波通信接口单元的通信接口，主要包括i2c、usart、开关量、adc采样接口等。电源转换单元通过u11b部分为处理器u11a提供正常工作所需的电压，d4指示处理器u11a的正常工作状态，外部时钟源包括频率为25mhz的时钟单元y1，为arm处理器u11a输入高速主时钟信号，以及频率为32khz的时钟单元y2，为处理器u11a提供rtc时钟信号。

如图16所示，本发明的第二实施例中所示出的基于无线物联网通信技术的助航灯具控制方法，所述助航灯具控制方法适用于本发明第一实施中所述的助航灯具控制器包括灯具检测单元、灯具控制单元、工况监测单元、无线接口通信单元、无线通信组件单元和arm处理器单元。所述助航灯具控制方法包括如下步骤：

s1，所述灯具检测单元对助航灯具的工作状态和故障状态进行检测，并将助航灯具的检测结果发送给所述arm处理器单元。

具体的，所述灯具检测单元将采集的电流信号转换为电压信号，对所述电压信号进行调理，将调理后的电压信号送入arm处理器单元进行采样计算；或者所述灯具检测单元对直接采集的电压信号进行调理，将调理后的电压信号送入arm处理器单元进行采样计算。

s2，所述灯具控制单元接收所述arm处理器单元的控制信号，根据所述控制信号完成对灯具的状态控制；

具体的，所述灯具控制单元包括功率开关、功率驱动模块和功率开关状态回读模块；所述功率驱动模块向功率开关提供驱动电流；所述功率开关由arm处理器单元提供的开关信号独立控制接通和断开助航灯具；所述功率开关状态回读模块监测功率开关的导通或关闭状态。进一步地，所述灯具控制单元还包括保护电路，所述保护电路为瞬时过电流泄流和过电压限制提供保护。

s3，所述工况监测单元对助航灯具控制器的工作状况进行监测，并将助航灯具控制器的工作状况信息发送给所述arm处理器单元；

具体的，所述工况监测单元对助航灯具控制器的工作电压、工作电流、功耗、环境温度和湿度进行监测。

s4，所述无线接口通信单元采用通信协议将来自于所述arm处理器单元或无线通信组件单元的数据信息进行转换。

具体的，无线接口通信单元arm处理器单元的标准低速通信接口电平和通信协议进行转换，实现与多种无线物联网通信技术(如nb-iot、elte-iot、lora等)的通信模组接口的匹配通信，从而实现助航灯具控制器与灯光站助航灯具控制服务器间的通信交互。

s5，所述无线通信组件单元建立所述助航灯具控制器与灯光站助航灯具控制服务器间的连接，实现数据交互。

具体的，无线通信组件单元为采用不同无线物联网通信技术的通信组件。在本实施例中所述无线通信组件单元是基于elte-iot无线物联通信技术的通信组件，该接口与无线接口通信单元连接，负责按照相应的无线物联通信协议进行通信，并实现将低速通信接口信号调制成对应通信制式的无线载波信号通过天线进行发送，以及将通过天线接收的无线载波信号解调成低速通信接口信号。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。