МОДУЛЬ СВЯЗИ ДРАЙВЕРА СВЕТИЛЬНИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОТОКОЛА LoRaWAN Российский патент 2025 года по МПК H05B47/175 

Заявляемое изобретение относится к устройствам автоматизированного управления системами освещения и может быть использовано для удаленного управления режимами работы светильников, интенсивностью их освещения и мониторинга состояния осветительного прибора.

Из уровня техники известен модуль диммирования светильника (см. патент US9924582B2, 20.03.2018) на основе разъема типа NEMA. Модуль устанавливается непосредственно на наружную поверхность светильника и может работать по беспроводной связи, обеспечивая индивидуальное диммирование светильника, измерение и передачу параметров электрической энергии на уровне светильника. Недостатками такого модуля являются большие габариты и высокая стоимость.

Также известны модули управления по проводной технологии PLC G3 (управление освещением по силовой линии питания). Однако использование такой технологии не предусматривает добавление новых светильников в систему освещения и проведение работ по изменению текущих линий питания.

Решением указанных недостатков является управление системами освещения из автоматизированной системы управления наружным освещением (далее - АСУНО) по беспроводному каналу связи LoRaWAN, который является элементом инфраструктуры «Интернет вещей» (IoT).

Из уровня техники известна система управления уличным светильником и речевым оповещением по LoRaWAN (патент CN210120688U, опубл. 28.02.2020), включающая административный блок, блок управления, блок LoRa, датчик, уличный фонарь, модулятор света и проигрыватель произношения. Административный блок и блок управления сопряжены посредством беспроводной связи. Выход датчика соединен с входом блока управления. Выход блока управления соединен со входом блока LoRa. Выход блока LoRa соединен со входом модулятора света. Выход модулятора света соединен с входом уличного фонаря, проигрывателя произношения и административного беспроводного соединения устройства. Описанная система не обладает широкими возможностями диммирования, так как предполагает только два возможных значения яркости работы светильника. Также в указанной системе предполагается использование датчика внешней освещенности для принятия решения об использовании одного из двух значений яркости работы светильника, что удорожает и усложняет систему. Конструкция системы ограничена управлением только до 32 LoRa-контроллеров. Кроме того, с целью мониторинга работы светильников при использовании системы измеряется только напряжение, а не напряжение и ток.

Известна система уличного освещения (патент CN108419339B, опубл. 28.07.2020), основанная на сборе данных со следующих датчиков, установленных в уличном фонаре: светочувствительном, звуковом и инфракрасном. С помощью указанных датчиков собирается информация о внешней освещенности, а также интенсивности движения пешеходов и автомобилей. Команды управления выдаются на основании анализа собранного массива данных с помощью алгоритмов нечеткой нейронной сети. Данная система требуют оснащение каждого светильника тремя вышеперечисленными датчиками, что ведет к удорожанию инсталляций. Следует также отметить, что создание и настройка нейронной сети для корректного управления системой уличного освещения является весьма сложной, долгой и затратной задачей.

Известна схема управления освещением и терминал на основе связи LoRa (патент CN210143144U, опубл. 13.03.2020). Патент описывает модуль управления «умным» светильником на основе GPS-координат светильника. Помимо LoRaWAN и модуля GPS-приемника, описанное решение также включает GPRS-трансивер для передачи данных от светильника к удаленному терминалу. Стоит отметить, что использование помимо канала связи LoRaWAN модуля GPS-приемника и GPRS-трансивера приводит к удорожанию системы освещения. Также в указанном решении не специфицируются методы управления светильником (прямые команды или расписание) и количество уровней яркости (диммирование).

Задачей заявляемого технического решения является создание модема, встраиваемого в источник питания светильника, который обеспечивает по беспроводной сети LoRaWAN из АСУНО управление режимом работы светильника и мониторинг его неисправностей.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширение функциональных возможностей устройства, а именно в обеспечении возможности мониторинга состояния осветительного прибора, при одновременном обеспечении экономичности прибора и экономии электроэнергии для освещения за счет управления диммированием источника питания светильника (яркостью).

Технический результат достигается тем, что модуль связи драйвера светильника с использованием протокола LoRaWAN включает в себя микроконтроллер, часы реального времени, сообщающие микроконтроллеру точное астрономическое время, аккумулятор питания часов, электрическую цепь заряда аккумулятора, энергонезависимую память модуля связи с записанным годовым расписанием управления драйвером светильника, а также разъем для подключения к лампе светильника и разъем, подключенный через высокочастотный разъем к антенне LoRaWAN, интерфейс измерения входных сигналов с драйвера светильника, интерфейс управления выходным сигналом к драйверу светильника, радио-интерфейс входных сигналов с антенны LoRaWAN. На микроконтроллер установлено программное обеспечение, выполненное с возможностью сравнения текущего времени часов и годового расписания управления драйвером светильника, и выдачи сигналов управления мощностью светильника, а также подключения к автоматизированной системе управления наружным освещением через антенну LoRaWAN, подачи сигнала о неисправности светильника, принятия сигнала о степени диммирования светильника, принятия сигнала о показании часов, установки и обновления годового расписания управления драйвером светильника.

Годовое расписание управления драйвером светильника, записанное в память модема, может включать до 365 дневных расписаний с по меньшей мере четырьмя точками времени в каждом дневном расписании для переключения мощности освещения от 0 до 100%.

Программное обеспечение может быть выполнено с возможностью объединения с другими модемами через сеть LoRaWAN.

Для целей настоящей заявки под каналом связи LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) понимается беспроводная технология, которая используется для передачи данных телеметрии приборов учета на дальние расстояния при минимальном энергопотреблении, основанная на протоколе LoRa.

Заявляемое изобретение поясняется иллюстрациями, на которых изображено: на фиг. 1 - схема расположения модуля связи драйвера светильника, на фиг. 2 - интерфейсы модуля связи драйвера светильника, на фиг. 3 - внешний вид модуля связи драйвера светильника.

Модуль связи драйвера светильника предназначен для драйверов таких светильников как, например, галогеновая лампа, металлогалогеновая лампа, натриевая лампа высокого давления (HPS), натриевая лампа низкого давления (LPS), светодиодная лампа (LED), индукционный светильник, и выполнен на основе печатной платы, на которой установлен микроконтроллер с предустановленным программным обеспечением, при этом модуль связи обладает возможностью беспроводной передачи данных по каналу связи LoRaWAN через разъем (например, u.FL-разъем), подключенный посредством кабеля с высокочастотным (далее - ВЧ) разъемом к антенне LoRaWAN, Также модуль связи содержит штыревую вилку, к которой подключена лампа светильника. Антенна LoRaWAN подключена по беспроводному каналу связи известным способом к АСУНО. В качестве ВЧ-разъема для антенны LoRaWAN может быть использован, например, разъем SMA-female. ВЧ-разъем выведен наружу корпуса драйвера светильника. В качестве штыревой вилки может быть использован, разъем любого типа.

На печатной плате модуля связи установлены встроенные часы реального времени, сообщающие микроконтроллеру точное астрономическое время, аккумулятор для питания часов, электрическая цепь заряда аккумулятора и энергонезависимая память модуля связи с записанным на нее годовым расписанием управления драйвером светильника индивидуальным на каждый день года. Годовое расписание управления драйвером модуля связи включает до 365 дневных расписаний с по меньшей мере 4 точками времени в каждом дне для переключения мощности освещения от 0 до 100%. Годовое расписание выполнено с возможностью установки и обновления через беспроводную сеть LoRaWAN. Также модуль связи функцию коррекции часов через сеть беспроводную сеть LoRaWAN.

Модуль связи содержит интерфейс измерения входных сигналов с драйвера светильника, представляющий из себя фактически один или два интерфейса для измерения напряжения и/или тока от драйвера светильника. Каждый интерфейс представляет собой аналого-цифровой преобразователь физической величины уровня сигнала в цифровое значение для его последующей обработки в программном обеспечении микроконтроллера модуля связи. Конструктивно интерфейс измерения тока связан с контактом Х2/4 разъема Х2, а интерфейс измерения напряжения связан с контактом Х2/5 разъема Х2. Указанный интерфейс обеспечивает возможность мониторинга неисправностей модуль связи драйвера светильника.

Модуль связи содержит интерфейс управления выходным сигналом к драйверу светильника, предназначенный для управления мощностью светильника (диммированием) за счет передачи сигнала широтно-импульсной модуляции (далее - ШИМ) с частотой 1…3 кГц. Конструктивно интерфейс ШИМ связан с контактом Х2/2 разъема Х2.

Модуль связи содержит радио-интерфейс входных сигналов с антенны LoRaWAN представляет из себя комбинацию электроники (антенно-фидерный тракт и трансивер в составе микроконтроллера модуля связи) и программного обеспечения (драйвер для транспортного уровня сети LoRaWAN) в составе микроконтроллера. В совокупности указанный интерфейс обеспечивает возможность приема и передачи данных из программного обеспечения микроконтроллера в беспроводную сеть LoRaWAN. Конструктивно указанный интерфейс связан с u.FL-разъемом Х1.

Программное обеспечение модуля связи реализовано с возможностью сравнения текущего времени часов реального времени и годового расписания управления драйвером светильника, а также выдачи сигналов управления мощностью светильника на лампу светильника через его драйвер. Кроме того, программное обеспечение выполнено с функцией поддержки объединения множества модулей связи в группы для группового управления (multicast) через сеть LoRaWAN, при этом количество объединяемых устройств не ограничено.

Работа модуля связи драйвера светильника осуществляется следующим образом. Модуль связи устанавливают в корпус драйвера светильника и подключают непосредственно к плате управления драйвера светильника, т.е. драйвер светильника со встроенным модулем связи представляют собой законченное единое изделие. При этом антенну LoRaWAN выводят вне экранирующих деталей корпуса светильника. По умолчанию драйвер светильника выключен, а его номинальная мощность принята за 0%. С АСУНО подают сигнал на антенну LoRaWAN о включении светильника. Модуль связи получает питание от драйвера светильника номинальным напряжением +5,0 В (+4,0 … +12,0 В) через контакт Х2/1 разъема Х2. Антенна принимает этот сигнал и передает по описанному каналу связи через u.FL-разъем Х1 (50 Ом) на программное обеспечение микроконтроллера модуля связи, где сигнал сравнивается с текущим временем и годовым расписанием, в зависимости от которых на лампу поступают сигналы ШИМ с частотой 1…3 кГц через разъем Х2/2. Лампа меняет свою яркость в соответствии с номинальной мощностью драйвера светильника в диапазоне 0…100%. Также с АСУНО может быть передан на антенну LoRaWAN сигнал на установку конкретной номинальной мощности драйвера светильника, в таком случае сигнал поступает непосредственно на лампу через ШИМ и регулирует яркость, при этом в программном обеспечении микроконтроллера команды управления из АСУНО являются приоритетными, в сравнении с фоновым режимом работы по годовому расписанию.

Посредством штыревой вилки осуществляется регулярное измерение тока через разъем Х2/4, потребляемого светильником через драйвер светильника, и/или напряжения через разъем Х2/5, выдаваемого драйвером светильника в светильник. Значения тока и напряжения поступают на программное обеспечение микроконтроллера модуля связи, где сравниваются с допустимыми нормами и в случае отклонения передаются по описанному каналу связи через антенну LoRaWAN на АСУНО, после чего персонал, ответственный за работу светильника, предпринимает меры по его починке. Измерение тока и напряжения инициируется по встроенному годовому расписанию модуля связи или по команде через беспроводную сеть LoRaWAN.

Таким образом на АСУНО по беспроводному каналу связи LoRaWAN поступает следующая информация о работе светильника:

• Результаты измерения тока, потребляемого светильником;

• Результаты измерения напряжения, выдаваемого драйвером светильника в светильник;

• Текущее состояние и режим работы модуля связи.

Передаваемые данные предназначены для централизованного мониторинга в информационной системе АСУНО.

Разработанный модуль связи осуществляет обмен данными в беспроводной сети LoRaWAN в соответствии с ГОСТ Р 71168-2023 «Информационные технологии. Интернет вещей. Спецификация LoRaWAN RU». Устройство обеспечивает дальность связи до 3,5 км в плотной городской застройке и до 15 км в зоне прямой видимости.

Преимуществами заявляемого решения является:

- обеспечение экономии электроэнергии, потребляемой светильником за счет удаленного управления диммированием источника питания светильника;

- обеспечение дистанционного централизованного мониторинга неисправностей светильников.

Заявляемое устройство изготовлено в качестве опытного образца, успешно опробовано при использовании и обладает следующими характеристиками: диапазон частот 863…870 МГц, мощность передатчика 25 мВт, чувствительность приемника -137дБм, протокол LoRaWAN RU class C, дальность связи до 3,5 км в плотной городской застройке и до 15 км в зоне прямой видимости.

Изобретение относится к устройствам автоматизированного управления системами освещения и может быть использовано для удаленного управления режимами работы светильников. Технический результат - обеспечение возможности мониторинга состояния осветительного прибора при одновременном обеспечении экономичности прибора и экономии электроэнергии для освещения за счет управления диммированием источника питания светильника. Модуль связи включает в себя микроконтроллер, часы реального времени, аккумулятор питания часов, электрическую цепь заряда аккумулятора, энергонезависимую память с записанным годовым расписанием управления драйвером светильника, а также разъем для подключения к лампе и разъем, подключенный через высокочастотный разъем к антенне LoRaWAN, интерфейс измерения входных сигналов с драйвера, интерфейс управления выходным сигналом к драйверу, радио-интерфейс входных сигналов с антенны LoRaWAN. На микроконтроллер установлено программное обеспечение с возможностью сравнения текущего времени часов и годового расписания и выдачи сигналов управления мощностью светильника, а также подключения к автоматизированной системе управления наружным освещением через антенну LoRaWAN, подачи сигнала о неисправности, принятия сигнала о степени диммирования, принятия сигнала о показании часов, установки и обновления годового расписания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Модуль связи драйвера светильника с использованием протокола LoRaWAN, характеризующийся тем, что включает в себя микроконтроллер, часы реального времени, сообщающие микроконтроллеру точное астрономическое время, аккумулятор питания часов, электрическую цепь заряда аккумулятора, энергонезависимую память модуля связи с записанным годовым расписанием управления драйвером светильника, а также разъем для подключения к лампе светильника и разъем, подключенный через высокочастотный разъем к антенне LoRaWAN, интерфейс измерения входных сигналов с драйвера светильника, интерфейс управления выходным сигналом к драйверу светильника, радио-интерфейс входных сигналов с антенны LoRaWAN, причем на микроконтроллер установлено программное обеспечение, выполненное с возможностью сравнения текущего времени часов и годового расписания управления драйвером светильника, и выдачи сигналов управления мощностью светильника, а также с возможностью подключения к автоматизированной системе управления наружным освещением через антенну LoRaWAN, подачи сигнала о неисправности светильника, принятия сигнала о степени диммирования светильника, принятия сигнала о показании часов, установки и обновления годового расписания управления драйвером светильника.

2. Модуль связи драйвера светильника с использованием протокола LoRaWAN по п. 1, отличающийся тем, что годовое расписание управления драйвером светильника, записанное в память модема, включает до 365 дневных расписаний с по меньшей мере четырьмя точками времени в каждом дневном расписании для переключения мощности освещения от 0 до 100%.

3. Модуль связи драйвера светильника с использованием протокола LoRaWAN по п. 1, отличающийся тем, что предустановленное программное обеспечение выполнено с возможностью объединения с другими модемами через сеть LoRaWAN.