РАДИОКОНТРОЛЛЕР ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО УПРАВЛЕНИЯ СВЕТИЛЬНИКАМИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ
RADIO CONTROLLER FOR WIRELESS CONTROL OF LAMPS AND ELECTRICAL EQUIPMENT

Изобретение относится к области беспроводных электронных технологий, в частности к программируемым аппаратам для беспроводного интеллектуального управления освещением, электроприборами и интеллектуальными системами.
Известна система беспроводного управления динамическим освещением, состоящая из светодиодных ламп или других источников света, способных принимать управляющие сигналы от пульта дистанционного управления. Лампы в системе установлены как шлюзовые, так и узловые, где лампы-шлюзы выполнены с возможностью принимать управляющие сигналы от пульта управления и/или других шлюзов и передавать управляющие сигналы другим шлюзам и/или узлам, а лампы-узлы выполнены с возможностью принимать управляющие сигналы от одних ламп сети и передавать управляющие сигналы другим лампам сети. Причем пульт управления выполнен с возможностью подключаться через лампу-шлюз для управления всей сетью ламп и содержит трансивер для связи с лампами-шлюзами и программное обеспечение, функция которого - управление лампами, причем каждая лампа выполнена с возможностью работать в нескольких настраиваемых режимах на различные цветовые оттенки, и/или уровни яркости, и/или скорости изменения этих и других параметров излучения света. По варианту исполнения лампа оснащена встроенным/внешним управляющим контроллером и встроенным/внешним беспроводным трансивером, работающим по цифровым радиоканалам связи типа Bluetooth, и/или ZigBee, и/или WiFi (по патенту RU115140, Н05В 37/00, опубл. 20.04.2012).
Недостатком данной системы и контроллера, в частности является ограниченная функциональность и низкая автоматизация процесса управления динамическим освещением.
Наиболее близким техническим решением является система управления освещением, реагирующая на условия окружающего освещения (по патенту RU2538786, Н05В 37/02, опубл. 10.01.2015).
Известная система управления освещением, реагирующая на условия окружающего освещения заявлена как варианты применения контроллера, способа и системы для управления освещением для достижения технического результата по энергосбережению. В качестве основных устройств представлены контроллер освещения для управления освещением, дисплей с запоминающим устройством, в котором хранится пользовательское предпочтение по освещению рабочего пространства; процессор, обращающийся к пользовательскому предпочтению в запоминающем устройстве; и интерфейс между процессором и электронным датчиком, расположенным вблизи дисплея, причем интерфейс снимает показание с электронного датчика. Процессор сравнивает показание с пользовательским предпочтением и отправляет по меньшей мере на одно осветительное устройство команду для регулировки освещения рабочего пространства. Электронным датчиком может быть, например, фотодатчик, датчик присутствия, датчик ориентации или датчик местоположения. В качестве связи между устройствами используется локальная сеть (LAN) или беспроводную локальную сеть (WLAN). Принцип действия основан на выявлении контроллером электронного датчика, расположенный вблизи дисплея, на приеме сигнала показаний от электронного датчика, представляющее освещение на дисплее, вблизи которого он находится, и определяет ориентацию дисплея, вблизи которого он находится, сравнивает сигнал с пользовательским предпочтением и отправляет команду на множество осветительных устройств для регулировки освещения рабочего пространства и освещения на дисплее.
Недостатком известной системы управления освещением, реагирующей на условия окружающего освещения, является узкий спектр применения данного изобретения из-за сложности реализации системы на практике. Работа контроллера вблизи дисплея, персональное программирование устройств и проведение сложных настроек, накладывает большие ограничения при построении масштабных сетей управления промышленным и наружным освещением. А подключение устройств между собой по LAN и WLAN приводит к большим затратам на монтажные работы и установку дорогостоящего оборудования для организации беспроводной сети. Все данные недостатки системы управления освещением, реагирующей на условия окружающего освещения, сводят на минимум технический и экономический эффект энергосбережения.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в автоматизации и повышении удобства управления системами освещения, электроприборами и интеллектуальными системами энергосбережения и безопасности, экономии электроэнергии и расширении функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что радиоконтроллер для беспроводного управления светильниками и электрооборудованием по протоколам 0-10В, ШИМ, DALI включает в себя блок питания, модуль управления яркостью светодиодных светильников по аналоговому протоколу 0-10В, модуль управления яркостью светодиодных светильников по цифровому протоколу DALI, модуль управления яркостью светодиодных светильников по аналоговому и цифровому протоколу ШИМ, модуль для измерения и технического учета электроэнергии, потребляемой светильниками и электроприборами, модуль декодирования, модуль-реле, отвечающего за включения/выключения электроприборов мощностью до 1,5 кВт, модуль-датчик измерения температуры внутри контроллера,  модуль двухсторонней связи по радиоканалу на частоте в диапазоне 860-960 МГц с координатором и другими приборами, работающими по единому RF проприетарному протоколу в составе программно-аппаратного комплекса для маршрутизации данных и передачи команд управления.
Кроме того, модуль для двухсторонней связи по радиоканалу с координатором может иметь собственное программное обеспечение, позволяющее производить самостоятельные настройки и автоматически дистанционно подключаться к радиосети, инициированной координатором программно-аппаратного комплекса.
Кроме того, управление яркостью интерфейсных светильников и электрооборудованием через блок питания может происходить одновременно сразу по нескольким протоколам - через модуль 0-10В , через модуль ШИМ, через модуль DALI, при этом управление по каждому из протоколов происходит по независимым друг от друга каналам-шлюзам управления.
Кроме того, управление электрооборудованием через модуль-реле  может происходить под нагрузкой до 1,5 кВт независимо от работы других каналов по протоколам управления 0-10В, ШИМ, DALI, при этом контроллер обладает защитой от перенапряжения, а в случае выхода из строя радиоуправляемой части, контроллер продолжит работать и сохранит работу подключенных интерфейсных светильников по номинальной мощности на уровне 100% яркости.
Кроме того, управление интерфейсными светильниками по протоколу DALI может происходить в соответствии со стандартом IEC 62386, одновременно с управлением модуль DALI 104 осуществляет функции источника тока и поддерживает напряжение шины в диапазоне 16-22,5В и тока не больше 250 мА.
Кроме того, управление интерфейсными светильниками и электрооборудованием по протоколу 0-10В, может происходить в соответствии со стандартом ANSI E1.3 — 2001, где аналоговый сигнал внутри модуля 0-10В, проходя через модуль декодирования, преобразуется в цифровой вид и обработанная информация транслируется по радиосети до нужного адресата и обратно принимая по пути цифровые команды от координатора, преобразуя их через блок декодирования  обратно в аналоговые для управления интерфейсными светильниками и электрооборудованием.
Кроме того, модуль для измерения и технического учета электроэнергии может иметь функции отслеживания тока на светодиодной матрице светильника и источнике тока светодиодов и в случае отсутствия тока на одном из устройств, сообщать о случившемся на центральный координатор.
Кроме того, в качестве светильников и электрооборудования могут применяться интерфейсные и неинтерфейсные светодиодные светильники; люминесцентные светильники; индукционные лампы; электродвигатели; станки; кондиционеры; котлы; радиаторы; калориферы и другие электроприборы мощностью до 1,5 кВт.
Кроме того, радиоконтроллер может работать в составе источников тока светодиодов, поддерживающих интерфейсы управления 0-10В, DALI, ШИМ (широтно-импульсная модуляция) и используемых единый стандарт RF программно-аппаратного комплекса для ретрансляции и маршрутизации данных по радиосети.
Кроме того, радиоконтроллер может совмещать в себе две технологии управления светильниками: с помощью изменения постоянного напряжения в диапазоне от 0 до 10 В и широтно-импульсной модуляции (ШИМ) пропорционально требуемой яркости и с помощью цифрового протокола обмена совместимого с протоколом DALI.
Кроме того, может использоваться оригинальный протокол информационного обмена по беспроводному каналу связи, оптимизированный для максимально-производительной работы сети, скорости доставки управляющих команд и скорости реакции на происходящие в системе события.
Кроме того, может использоваться специальный программный шлюз, обеспечивающий трансляцию сообщений из протокола MQTT в протокол информационного обмена по беспроводному каналу связи RF программно-аппаратного комплекса.
Для целей настоящей заявки под протоколом DALI понимается цифровой интерфейс освещения с возможностью адресации (Digital Addressable Lighting Interface), один из стандартных цифровых протоколов управления освещением.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими схемами, которые показывают варианты осуществления настоящего изобретения, соответствуют настоящему изобретению и, вместе с описанием, служат для пояснения принципов настоящего изобретения:
Фиг. 1 – схематическое изображение радиоконтроллера и подключения к нему светильников и электрооборудования;
Фиг. 2 – схема управления светильниками через радиоконтроллеры;
Фиг. 3 – схема работы радиоконтроллера в составе программно-аппаратного комплекса, используя топологию сети «Активная звезда»;
Фиг. 4 – схема работы радиоконтроллера в составе программно-аппаратного комплекса, используя топологию сети «MESH».
Радиоконтроллер для беспроводного управления светильниками и электрооборудованием по протоколам 0-10В, ШИМ, DALI (фиг. 1), включает в себя блок питания 101, модуль управления яркостью светодиодных светильников по аналоговому протоколу 0-10В 102, модуль управления яркостью светодиодных светильников по аналоговому и цифровому протоколу ШИМ 103, модуль управления яркостью светодиодных светильников по цифровому протоколу DALI 104, модуль-реле, отвечающего за включения/выключения электроприборов мощностью до 1,5 кВт 105, модуль декодирования 106, модуль для измерения и технического учета электроэнергии 107, потребляемой светильниками и электроприборами, модуль-датчик измерения температуры внутри контроллера 108,  модуль двухсторонней связи по радиоканалу на частоте в диапазоне 860-960 МГц с координатором и другими приборами 109, работающими по единому RF проприетарному протоколу (ПП) в составе программно-аппаратного комплекса (ПАК) для маршрутизации данных и передачи команд управления.
Схема управления светильниками через радиоконтроллеры показана на фиг. 2. Управление и настройки радиоконтроллера в составе ПАК может происходить дистанционно по беспроводному радиоканалу на чистоте в диапазоне 860-960 МГц по единому радио протоколу RF ПП, обеспечивающему маршрутизацию данных и команд между контроллером и центральным координатором (сервером), а также другими аппаратами, работающими по единому радио протоколу RF ПП.
Управление и настройки внутренних модулей радиоконтроллеров 201, может осуществляться дистанционно через Интернет по беспроводному радиоканалу на чистоте 2,4 ГГц (Wi-Fi) или проводной TCP/IP LAN Ethernet через координатор (сервер). Координатор 202 связывается с радиоконтроллером, используя беспроводной радиоканал в диапазоне 860-960 МГц, по единому радио протоколу RF ПП, обеспечивающему маршрутизацию данных и команд между компьютером клиента 203 и радиоконтроллерами 201.
Радиоконтроллер в составе ПАК может выполнять следующие функции:
- регулировать уровень яркости светильников в заданной зоне, включать/выключать электроприборы, в зависимости от заданных условий по уровню интенсивности объекта (человека/автомобиля) в заданной зоне;
- регулировать уровень яркости светильников в заданной зоне, включать/выключать электроприборы (электрооборудование), в зависимости от заданных условий по уровню освещенности объекта и окружающей обстановки в заданной зоне;
- включать/выключать электроприборы (электрооборудование), в зависимости от заданных условий по уровню температуры окружающей среды;
- регулировать уровень яркости светильников в заданной зоне, включать/выключать светильники по расписанию, включать/выключать электроприборы, в зависимости от заданных условий в точное время или за период времени, в заданной зоне;
- регулировать уровень яркости светильников в заданной зоне, включать/выключать светильники по расписанию, включать/выключать электроприборы, а также включать/выключать интеллектуальные системы (интегрированные с ПАК) в зависимости от заданных условий и в соответствии с заранее смоделированным событием, в заданной зоне.
В организованной (инициированной) координатором (сервером) ПАК беспроводной сети, радиоконтоллер может работать, используя два вида топологии: «Активная звезда» и «MESH-сеть».
При использовании топологии беспроводной сети «Активная звезда» (фиг. 3), когда в центре сети находится координатор (сервер),  радиоконтроллер получает пакеты информации от координатора (сервера) напрямую.
При использовании ячеистой топологии беспроводной сети «MESH-сеть» (фиг. 4), когда координатор (сервер) выполняет настройки и координацию работы сети, радиоконтроллер получает пакеты информации от самого, вблизи расположенного, другого радиоконтроллера, выполняющего функции коммутатора. При этом пакеты информации от координатора (сервера) доходят до конечных устройств по принципу «каждый с каждым»,  используя маршрут трафика с самым широким выбора путей доставки пакетов информации.
Программное обеспечение (ПО) радиоконтроллера может обеспечивать работу следующих функций:
- двухсторонняя связь по радиоканалу на частоте в диапазоне 860-960 МГц с координатором и другими приборами, работающими по единому протоколу RF ПП с ПАК;
- работа по радиоканалу в беспроводной сети топологии «Активная звезда»;
- работа по радиоканалу в беспроводной сети топологии «MESH-сеть»;
- двухсторонний обмен пакетами данных/информации между другими радиоконтроллерами и устройствами ПАК по принципу «каждый с каждым» с целью поиска короткого пути трафика до координатора (сервера);
- двухсторонний обмен пакетами данных/информации с сервером (координатором) для автоматического обнаружения в сети и самостоятельного закрепления за координатором под своим уникальным адресом;
- работа модуля управления яркостью светодиодных светильников по аналоговому протоколу 0-10В;
- работа модуля управления яркостью светодиодных светильников по цифровому протоколу DALI;
- работа модуля управления яркостью светодиодных светильников по аналоговому протоколу ШИМ;
- работа модуля измерения и технического учета электроэнергии, потребляемой светильниками и электроприборами;
- работа модуля-реле, отвечающего за включения/выключения электроприборов мощностью до 1,5 кВт;
- работа модуля-датчика измерения температуры внутри контроллера;
ПО модуля API клиента может обеспечивать работу следующих функций, применимых для радиоконтроллера:
-просмотр подключенных радиоконтроллеров с отображением ID номеров каждого устройства;
- подключение/исключение из сети радиоконтроллеров;
- создание неограниченное разделов-помещений для размещения в них подключенных радиоконтроллеров;
- закрепление за выбранными разделами-помещений необходимого количества радиоконтроллеров;
- удаление радиоконтроллеров из выбранного помещения, где устройства были закреплены;
- загрузка схем помещений в выбранные разделы-помещений;
- отображение на схеме раздела-помещений, закрепленных радиоконтроллеров в виде специальных пиктограмм;
- отображение функций радиоконтроллеров в виде виджетов, открывающихся при нажатии на пиктограмму;
- инициация событий сценарных скриптов;
- группирование радиоконтроллеров;
- отображение графиков мониторинга электропотребления;
- просмотр видеопотока с IP видеокамер.
Радиоконтроллер способен работать в системе управления интеллектуальным освещением, подстраиваясь под любые заданные требования по освещенности в люксах в заданной зоне, позволяет добиться максимального полезного уровня освещенности для комфортной работы человека не нарушая ГОСТы и другие нормативные требования по освещению и максимального экономического эффекта по энергосбережению освещения нефункциональных зон.
Применение радиоконтроллеров в разы уменьшает расходы на пусконаладочные и монтажные работы, для контроля потребления электроэнергии нет необходимости в установке дополнительного оборудования, весь технический учет потребления электроэнергии в заданной зоне ведется напрямую из радиоконтроллера/радиоконтроллеров и данные транслируются на сервер, которые в виде графика потребления электроэнергии отображаются в приложении на компьютере клиента. С помощью графиков потребления электроэнергии можно определить пики нагрузок и уровень экономии электроэнергии, а также настроить алгоритмы работы сценарных скриптов для дополнительного улучшения экономического эффекта.
Применение радиоконтроллеров, используя топологию сети «MESH», позволяет подключать неограниченное количество магистральных светильников с входом управления 0-10В, DALI, ШИМ, контролировать и дистанционно управлять магистральным освещением на протяжении десятки километров, без необходимости строительства специальных станций для ретрансляции радиосигналов, а также без необходимости применения GPRS технологий. Распространение радиосигнала на больших территориях происходит за счет повторяющихся радиосигналов, охватывающих и покрывающих за один сигнал («кольцевой импульс») множество радиоконтроллеров. Количество таких импульсов может быть неограниченно, и радиосигнал может распространяться на многие десятки километров вдоль поверхности Земли, огибая различные препятствия. При этом скорость передачи данных колеблется от 125 до 250 кбит/сек, в зависимости от удаленности радиоконтроллера от координатора (сервера).
Применение радиоконтроллеров позволяют продлить эффективный ресурс работы светодиодных матриц светильника и сохранить гарантийный срок службы светильника. За счет плавной регулировки напряжения, никогда не позволить разгореться светодиодам в матрице на 100%, а источник тока светодиодов (ИТС) всегда находится под контролем и работает в щадящем режиме. Радиоконтроллер никогда не отключается от питающей сети 220В и всегда готов принять на себя все скачки напряжения в сети, вплоть до короткого замыкания (выдерживая нагрузки до 380В), тем самым защищая и ИТС, и светодиодную матрицу от нежелательных последствий. За счет этого гарантийный̆ срок эффективной̆ службы светодиодных светильников может быть продлён в разы.
В радиоконтроллере имеется оригинальный алгоритм подсчёта экономического эффекта, получаемого при работе системы управления промышленным и наружным освещением, использующий накопленные статистические данные.
Технический результат достигается за счет различных технических решений, применения настоящего изобретения и может включать в себя следующие положительные эффекты:
- позволяет выполнять управляющие действия в соответствии с изменениями состояний обстановки и, таким образом, обеспечивает интеллектуальное управление и расширяет область применения интеллектуального освещения, электроприборов, интеллектуальных систем, а также позволяет избавиться от необходимости ручных операций при управлении интеллектуальным освещением, электроприборами, интеллектуальными системами и добиться безопасной среды и максимальной экономии электроэнергии;
- обеспечивает доступность управления освещением, электроприборами, интеллектуальными системами в труднодоступных местах, в зданиях, сооружениях, на открытой местности, улицах, автомобильных магистралях,
- обеспечивает автоматическое управление интеллектуальным освещением, электроприборами, интеллектуальными системами и делает управление интеллектуальным освещением, электроприборами, интеллектуальными системами комфортным и безопасным;
- радиоконтроллер способствует получению экономического эффекта путём оптимального управления яркостью светильников с учётом естественного освещения, графика работы, интенсивности движения, посещаемости каждого участка помещения (частоты и времени пребывания людей, автомобилей и др.), а также за счет уменьшения издержек при проведении пуско-наладочных, монтажных работ, сокращения затрат на прокладку кабельных линий;
- радиоконтроллер, благодаря своей универсальной интеграции с самыми популярными протоколами управления освещением в мире и оригинальной технологии построения беспроводных сетей управления светильниками, способствует быстрому внедрению и запуску АСУО и АСУНО без изменения и модернизации уже действующих линий промышленного и наружного освещения.
Таким образом, изобретение обеспечивает достижение технического результата и эффекта энергосбережения.