专利名称：全球定位系统智能路灯控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种路灯控制器，尤其是将全球定位系统GPS技术运用于路灯照明控制的智能路灯控制器。
背景技术：
路灯控制器现状对城市路灯照明的控制取决于两个因素，第一个因素是时间因素。就是在一个昼夜中要完成几个控制时间段，包括夜间段、白天段、黄昏段和黎明段。而这几个时间段受到当地经纬度和季节的变化影响，因此，路灯要进行时间的控制。这也正是不少以时间控制的路灯控制器被称为经纬控制的原因。第二个因素是光线的因素。就是当地天气状况，如晴天、阴天和雾天等等，所以，气象因素也要求路灯得到控制。这就是所谓的光控方式。路灯控制器发展到今天，很多产品被冠名为智能路灯控制器。它们大多采用时间控制和光学控制的双控方式，或者以时控为主，光控为辅；或反之。所谓时控就是将当地一年365天的日落和日出时间，根据大量统计规律得到的数据贮存到时钟控制的单片机中，以此对路灯的开、关进行控制。同时，另一路控制指令则来自于光控电路。根据事先装定的启动光照度和关闭光照度，控制路灯的开和关。目前，国产的路灯控制器基本上或者采用时控方式，或者采用光控方式，或者两者兼而有之。
时钟控制存在的问题目前时控型路灯控制器内部均有实时时钟芯片。这种时钟芯片存在的最大问题就是温度漂移现象。一般应用的民品实时时钟芯片在20℃环境温度下，其偏差为±10PPM(±5分钟/年)，在-20℃～+85℃环境温度下，其累积偏差可达±100PPM(±50分钟/年)；最高级专用的实时时钟在20℃环境温度下，其偏差也会达到±2PPM(±1分钟/年)，在在-20℃～+85℃环境温度下，其累积偏差可达±8PPM(±4分钟/年)。当前，出于成本的考虑，路灯控制器大多采用一般的民品实时时钟芯片。附表1列出了各级时钟晶振的温漂数据。
附表1 各类时钟晶振的温漂数据
时控型路灯控制器还存在另外的问题，就是易受干扰。当电网波动或者强电磁干扰时，会使路灯控制器走时异常，即所谓“失控”，而且不能正常恢复。一是时间停走现象。正常实时时钟小时的循环设定值应小于24，分钟和秒钟值应小于60。但是当上述干扰突然出现时，会使所设定值失控，产生时钟的误操作。例如，秒钟变为了80，实时时钟当然不会计数运行了。这种停走现象是不能自动恢复的。二是外来的强干扰增大了时钟的累积误差。这虽然不是时钟芯片本身温漂造成的，但其后果却是相同的。出现白天误亮，夜间的误暗。这当然也必须及时维修或更换设备。
光控存在的问题光控方式，由于光敏元件的参数分散性，也极其容易受到外界的干扰，会造成控制的不均匀，不可靠。路灯控制器往往工作在复杂恶劣的环境中，电网的质量、季节的变更、气候的异常，以及周围磁场的变化等因素，都会对系统的稳定性产生影响。
综上所述，路灯控制器的工作环境是极其恶劣的，但真正对其干扰构成威胁的来源主要有两个，一是来自电网的波动；二是来自周围磁场的变化。具体表现可能为如下几个方面。(1)电网“掉电”，电压瞬间跌至正常工作范围以下；(2)电压不稳定，夜间电压超出正常工作电压的10％左右；(3)高压涌流。突然产生一个几周、或几十周高幅度的电压波；(4)随机产生的高频尖峰脉冲；(5)电网频率偏移；(6)周围设备启动产生的电磁干扰，等等。引起上述环境的变化既有电网质量因素，也包括路灯设备自身的因素。路灯属于大的感性负载设备，突然的启停其瞬态电流、电压的变化是非常复杂的，会伴随高压涌流、反激电压、高频脉冲的产生，对控制器极具破坏性，轻者使系统数据丢失、程序紊乱，重者将损坏机器设备。另外控制设备中的继电器、接触器的开/关电弧产生的高频电磁干扰，也能串入电路内部，干扰控制器正常运行。虽然路灯控制器都设计有简单的滤波装置，但滤波范围有限，应付不了复杂频率的变化。可见在路灯控制系统应用环境下，没有良好的抗干扰性能是无法保证系统可靠性的。像常见的程序“死循环”即显示混乱或无显示等，就是典型的故障特征。
正是由于时钟芯片温漂造成的时间偏差，加之外部的严重干扰，目前的路灯控制器不得不经常性地进行大量手动校时工作，从而大大增加了路灯维护人员的工作量。而且，由于控制器的累积时间误差偏大时，引起开、关灯时间的偏差，造成大量投诉，影响到路灯管理部门的企业形象。
路灯控制器如何使硬件和软件可靠、高抗干扰，做到“零”误差和“免”维修一直是设计人员努力的方向。
实用新型内容本实用新型针对上述路灯控制器存在的技术问题，采用全新的设计思路，提出了一种智能路灯控制器，它解决了准确计时和自动校时这一关键性的技术问题，从而实现了高抗干扰以保正运行的可靠性。
本实用新型的技术方案它包括控制器电源电路，采用箱式变压器或变台内的低压侧交流220V供电；经过降压、整流、滤波电路转换成直流为控制器各部分供电；实时时钟，按年、月、日、时、分、秒计数运行；微处理器，根据实时时钟芯片提供的时钟信息，参照每日开关灯时间表，进行路灯控制器的时控操作；控制器输出部分，是路灯控制器的输出操作机构，由A和B两路构成，A路控制照明路灯，B路控制景观灯；光敏传感器，它与微处理器相连，将光信号转化为电信号输入给微处理器；键盘与显示，主要完成开、关灯时间查询，运行时间、开关灯时间偏移时工作方式的查询和设置，其设置参数通过微处理器存入非易失性存储器件中；其特征在于它还包括GPS接收模块和GPS接收天线；GPS模块通过串行通信方式，根据通信协议与微处理器进行数据通信；微处理器根据通信协议判别和提取正确的时间数据，对实时时钟进行校时；微处理器也可以提取正确的经、纬度数据，实现经、纬度自动测量，再根据经、纬度计算开关灯时间，真正实现经纬型路灯控制；在电源部分还设置有两级滤波电路包括差模和共模电路。
本实用新型可实现下述技术指标1.累积时间误差，路灯控制器对所设定的控制时间误差≤1S；年累积时间误差≤1S；2.系统复位，对于实时时钟出现“跳时”或“停表”现象，重新启动GPS系统，时间≤1min；3.经、纬度测量，可以自动测量当地经、纬度，进一步实现经、纬路灯控制器。
本实用新型GPS型路灯控制器的优点主要体现在
1.“零”累积误差，“免”校时，由于GPS接收到的是标准时间，作为时控芯片的基准时间，因此，实现“零”累积误差，“免”校时。使以前对路灯控制器进行校时功能的要求变得毫无必要。从技术上根本解决了路灯控制器存在计时不准确的关键问题。
2.可实现时间故障快速恢复。控制器软件具有时间故障鉴别能力，如出现“跳时”或“停表”时间故障，微处理器启动GPS，快速恢复正确时间。时间故障控制器维持原来输出状态不变，避免控制器误输出操作。GPS模块热启动定位时间平均8秒，冷启动平均48秒。
3.增加了差模和共模滤波电路，具有较强抗电磁干扰能力。具有硬件看门狗电路，能实现微处理器在故障状态下快速恢复。加之同光控功能的配合，整机的适应环境能力有很大的提高。
本实用新型GPS型路灯控制器效益分析运用全球定位系统技术路灯控制器属于新一代路灯控制器。它将为城市的路灯照明和“亮化”、“美化”提供全新的形象，产生良好的经济和社会效益。
1.统一开、关灯时间，节约电能，成功地解决了由于路灯照明时间偏差而造成的浪费现象。目前由于路灯控制的不准确、不到位，为了解决保证夜间的照明，路灯管理部门不得不在路灯运行时间上留出较大的冗余度。要求每天提前15分钟亮，而推迟15分钟灭，合计30分钟。这样，以沈阳市全市路灯总容量17000KW计算，按每KWH0.65元计算，全年就这笔冗余度的电费开支就是200万元。而提前开灯或者延时关灯而造成的浪费更是不计其数了。
2.取消人工巡视线路和设备，减少人员和车辆费用，大大节省了为路灯开关校时的人员维修资源。由于现行路灯控制器造成的累积偏差，各个街道变台控制的路灯开关时间相差很大，不断要求维修，一线工人每天都要进行大量的维修才能保证正常的路灯开关。
3.及时发现设备被盗及外力破坏，减少损失。
综上所述，仅沈阳市现有路灯运行就可以年度节约资金在300万元以上。
以上是针对沈阳市现已安装的路灯采用路灯控制器后的节约电能情况。路灯供电电源点为702个。另外，据来自沈阳市路灯管理局的资料表明，沈阳市建成区目前有道路2166条，一二级街路216条，现有路灯10万余盏，但是有689条街路还没有路灯，占近32％。所以，路灯控制器潜在的发展空间也很大。
4.可靠性高，寿命长，成本低廉，现行路灯控制器由于其累计计时偏差过大而又不便于校时，寿命一般仅为2、3年。而新型GPS路灯控制器可靠性高，寿命长，将不低于5年，从而使其成本相对低廉。
5.市场广阔，GPS新型路灯控制器具有时控和光控的复合控制功能，可以开发为多品种、多系列，用于多种场合照明和装饰灯的控制，例如街道、小区、庭院、楼群等等，其发展空间十分广阔，将为城市美化和亮化发挥重要的作用。
图1为路灯控制器电路方框图。
图2为路灯控制器显示电路结构图。
图3为路灯控制器电源电路结构图。
图4为路灯控制器控制电路结构图。
以下结合附图及具体实施例详细描述本实用新型具体实施方式
实施例1如图1所示，路灯控制器包括现有技术部分(图1的下部)和改进的特征部分(图1的上部)。
现有技术部分采用时控加光控的复合型，在时控型的基础上加光敏传感器形成复合型路灯控制器。采用箱式变压器或变台内的低压侧交流220V供电。在控制器内经过降压、整流、滤波电路转换成直流5V或12V为控制器各部分供电。此电源的性能影响整套装置的抗电磁干扰能力。实时时钟芯片相当于电子表，按年、月、日、时、分、秒计数运行，并且有后备电池，供外电停电时运行。微处理器对其读和写操作。微处理器根据实时时钟芯片提供的时钟信息，参照每日开关灯时间表，进行路灯控制器的时控操作。
路灯控制器一般需要一定数量的键盘并有相应的显示功能，主要完成时间查询和设置，开关灯时间的查询和工作方式的设定，开关灯时间偏移量的设置和查询等功能。其设置参数通过微处理器存入非易失性存储器件中。
控制器输出部分是路灯控制器的输出操作机构，一般地由两路构成，即A和B路。A路控制照明路灯，B路控制景观灯。
特征部分在硬件上增加了GPS接收模块和GPS接收天线。GPS模块通过串行通信方式，根据NMEA-0183.Version2.20协议与微处理器数据通信。微处理器根据协议判别和提取正确的时间数据，对实时时钟进行校时。微处理器也可以提取正确的经、纬度数据，实现经、纬度自动测量，再根据经、纬度计算开关灯时间，真正实现经纬型路灯控制器。
为了更有效地抗干扰，在电源部分增加了两级滤波电路包括差模和共模滤波电路。
如图2所示，路灯控制器显示电路是由LED和数码管显示电路以及实时时钟电路构成以及接线端子构成。
LED和数码管显示电路的构成A1～A8为74LS595为串行输入并口输出的锁存移位寄存器，A1～A7控制LL1～LL7七个共阳极的小数码管，A8起控制开闭D1～D4四个发光二极管的作用。左侧第一个小数码管可显示当时为第几功能状态，其它六个小数码管可显示对应状态的内容。四个发光二极管为GPS指示，光控指示，A路亮灯指示，B路亮灯指示。
实时时钟电路的构成DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK、I/O、RST。
DS1302采用32.768kHz晶振。C13为去耦电容。
端子J1～J4都是接线端子，J1，J2与电源板相连，J3，J4与CPU板相连。
如图3所示，路灯控制器电源电路是由电源滤波电路以及控制输出电路构成。
电源滤波电路的构成C11、C12，H1为同心电感，起一次滤波作用。Z1为变压器的自恢复保险，用以保护变压器TRANS1。B1、B2为1A整流桥，在变压器二次侧的两部分起整流，C14起二级滤波作用。由LM317H和R6，R7构成2V稳压器，为数码管显示供电。MC78M05CT为三端稳压器，可确保稳压电压值Uo为5V，然后由C17，L1、L2进行三级滤波，为控制器主电路供电。
控制输出电路的构成由端子J6输出电压通过R9、R10控制三极管Q1、Q2。当高电平时，两个三极管导通，RELAY-SPST1、RELAY-SPST2有电，常开触电RLA、RLB闭合，通过端子J7输出给路灯的接触器。二极管D5、D6起保护继电器作用。R8和R7在上电、掉电输出时，起滤波作用。
如图4所示，路灯控制器CPU控制电路是由微处理器和看门狗电路、光控电路、GPS模块以及键盘构成。
微处理器和看门狗电路的构成系统选用ATMEL公司的单片机AT89C55为微处理器，采用12M晶振。采用U5(X25043)看门狗定时器和E2PROM，R20为上拉电阻。光控电路的构成由比较器LM293(U6)和R13，R14，R15，及6K光敏电阻，构成光控传感器。
GPS模块GPS模块选用TAIWAN FALCON AEROSPACE公司的TFAG-30(U7)。GPS模块天线采用台湾GPS P1MAL天线。
键盘ZP1为按键上拉阻排，J11接按键。
权利要求1.一种全球定位系统智能路灯控制器，它包括控制器电源电路，采用箱式变压器或变台内的低压侧交流220V供电；经过降压、整流、滤波电路转换成直流为控制器各部分供电；实时时钟，按年、月、日、时、分、秒计数运行；微处理器，进行读和写操作，根据实时时钟芯片提供的时钟信息，参照每日开关灯时间表，进行路灯控制器的时控操作；控制器输出部分，是路灯控制器的输出操作机构，由A和B两路构成，A路控制照明路灯，B路控制景观灯；光敏传感器，它与微处理器相连，将光信号转化为电信号输入给微处理器；键盘与显示，用于运行时间、开关灯时间偏移量的设置和查询，工作方式的设定，其设置参数通过微处理器存入非易失性存储器件中；其特征在于它还包括GPS接收模块和GPS接收天线；GPS模块通过串行通信方式，根据通信协议与微处理器数据通信；微处理器根据通信协议判别和提取正确的时间数据，对实时时钟进行校时；微处理器也可以提取正确的经、纬度数据，实现经、纬度自动测量，再根据经、纬度计算开关灯时间，真正实现经纬型路灯控制。
2.根据权利要求1所述的全球定位系统智能路灯控制器，其特征在于所述的电源部分还设置有两级滤波电路包括差模和共模抑制能力。
3.根据权利要求1所述的全球定位系统智能路灯控制器，其特征在于所述的GPS接收模块根据NMEA-0183.Version2.20协议与微处理器数据通信。
专利摘要一种全球定位系统智能路灯控制器，它包括控制器电源电路，实时时钟，微处理器，控制器输出部分，光敏传感器，键盘与显示，其特征在于它还包括GPS接收模块和GPS接收天线；GPS模块通过串行通信方式，根据通信协议与微处理器数据通信；微处理器根据通信协议判别和提取正确的时间数据，对实时时钟进行校时；微处理器也可以提取正确的经、纬度数据，实现经、纬度自动测量，再根据经、纬度计算开关灯时间，真正实现经纬型路灯控制。本实用新型GPS型路灯控制器解决了准确计时和自动校时这一关键性的技术问题，从而实现了高抗干扰以保正运行的可靠性。
文档编号H05B37/02GK2657326SQ200320105350
公开日2004年11月17日 申请日期2003年11月10日 优先权日2003年11月10日
发明者朱建新, 王占元 申请人:沈阳电力工程技术研究所