带摇摆补偿的悬挂安装的户外照明器的制作方法

本发明涉及户外照明和通信网络领域。更具体地，本文公开了各种户外照明器和户外照明系统，其中照明器被布置为安装在线路上或悬挂在线路上，并且装配有调制和天线单元以用作无线数据网络中的无线节点。

背景技术：

1、过去，室外照明系统的设计和部署是为了提供照明以提高整个室外环境(例如街道、公园或公共场所)低日光条件下的能见度。然而，在过去的二十年里，户外照明系统的发展在一定程度上得益于网络技术的普及。

2、最近，全向无线电装置被添加到户外照明系统中的路灯，例如在美国专利申请us2007/0252528a1中所公开的情形。这些无线电装置能够使用无线照明控制网络来远程控制照明基础设施。无线电装置(例如基于ieee802.15.4技术的无线电装置)允许各个路灯或照明装置作为无线网状网络运行，当与中央控制器结合使用时，可以实现路灯的更加通用和灵活的操作。

3、在过去的十年中，对网络连接的需求不断增长，特别是在智慧城市背景下。通过部署音频、视频和环境传感器，市政当局可以监控室外环境，结合数据收集和人工智能，可以更好地了解并控制城市环境。此外，还需要部署更密集的终端用户通信服务基础设施，以便能够向城市环境内的用户提供新的和/或更好的服务。

技术实现思路

1、尽管户外照明系统是提供照明以外服务的良好候选者，但所连接的照明服务的采用似乎并不符合此类服务的需求。可能会发现一些障碍。成本是市政当局的一个重要障碍。尽管传统照明装置所在位置通常有电源，但通信基础设施通常并不存在。安装有线数据通信网络以支持室外照明系统内的数据通信网络的部署可能非常昂贵，因为它需要关闭道路并在安装后修复安装了这种有线通信链路的街道和/或人行道。

2、另一方面，无线数据通信网络的使用将需要将附加的无线电通信装置安装到照明装置，这导致在该照明装置上安装有通常相当难看的舱盒或模块。作为替代，本发明人建议通过在照明器内嵌入定向射频(rf)通信设备来在室外照明系统中安装高容量数据通信网络。

3、然而，当此类照明器使用具有各向异性辐射图案的无线电装置时(例如，当使用定向天线时)，并且此类照明器悬挂安装于线路时，摇摆可能对网络中的数据通信链路产生不利影响。因此，需要补偿摇摆以便维持无线电通信链路。

4、为了改善上述问题中的至少一个，本公开涉及户外照明器和户外照明系统。更具体地，本发明的目标通过根据权利要求1所述的户外照明器和根据权利要求10所述的户外照明系统来实现。

5、根据本发明的第一方面，提供了一种用于从线路悬挂安装或附接到线路的户外照明器，该照明器包括：照明器的外壳，其具有用于照明光出射的第一出射窗和用于无线电通信信号的入射和出射的第二出射窗；附接至外壳的紧固装置或安装点以用于将外壳附接至线路；用于向照明器提供电力的电力输入；调平单元，其附接到外壳或附接到以固定方式附接到外壳的构件，并且附接到外壳的内部腔体内的天线单元，该调平单元被配置为无源地利用重力，或者有源地利用旋转致动器，照明器的反向旋转运动沿着平行于位于安装点处的线路的旋转轴线；以及第一调制单元，用作连接到天线单元的无线数据网络中的通信节点，第一调制单元被配置为产生第一调制信号；该天线单元附接至调平单元，其中天线单元包括至少一个天线以用于：当照明器处于水平状态时，通过第二出射窗发射基于第一调制信号的第一无线电信号，该第一无线电信号具有辐射图案，当照明器已安装时该辐射图案与正交于重力轴线的平面一致；并且通过该第二出射窗接收第二无线电信号；以及照明单元，包括用于通过第一出射窗发射照明光的一个或多个光源。

6、根据第一方面的照明器当安装在电线上并经受要素时(例如在风的影响下)可能会摇摆。使用定向天线时，摇摆可能会影响天线方向，进而对链路质量产生负面影响，并可能导致连接丢失。第一方面通过在照明器的外壳内部提供调平单元来解决这一点，该调平单元在至少一个旋转方向上为天线单元提供摇摆补偿，从而减少照明器摇摆对链路质量的影响。通过补偿旋转运动，可以减少由照明器旋转引起的高度变化(也可能减少方位角的变化——取决于相对于摇摆旋转的天线方向(方位角))。

7、照明器优选地被构造为安装在两个杆之间的载荷承载线路或电线上(通常是钢缆)。多个照明器可以悬挂在单条线路上。照明器优选地以限制照明器的运动自由度的方式附接以最小化摇摆。这例如可以涉及具有夹具的照明器外壳，该夹具可以例如通过闭合夹具并使用螺钉或螺栓将其固定来夹持到电线。或者，夹具还可以包括作为照明器外壳或主体的一部分的刚性臂。尽管可以预见不同的安装方法，但为了最小化照明器的移动，优选将外壳直接安装到线路或电线上。

8、为了适应天线单元的重新定向，照明器具有腔体或空隙，换句话说，外壳内具有允许重新定向的开放空间。该腔体可以只是一个没有硬边界或壁的开放空间。或者，可以提供有壁的腔体，该腔体在腔体的内侧上包括衬垫，用于减少强风条件下天线单元移动的影响。

9、照明器的调制单元可以作为用于建立点对点链路的节点进行操作，或者替代地当与多个节点连接时，可以在一点对多点无线电通信系统中使用。第一调制单元的工作频率至少高于6ghz，并且优选地处在范围从30ghz到300ghz的毫米波频率范围内，更优选地处在大约跨越51-71ghz范围的60ghz的频带中。第一调制单元优选地是mu-mumo无线电装置，该mu-mumo无线电装置支持使用电子波束成形的定向链路，例如从ieee802.11ay到2021型无线电装置和/或terragraph系统中所获知的。

10、第一调制单元可以例如包括用于上变频的基带单元和rf单元，并且被配置为通过馈线朝向第一天线单元驱动发射信号以进行发射。或者，第一调制单元可以包括基带单元，并且天线单元可以包括rf单元。在这样的实施方式中，第一调制单元将输出基带信号并将其输出到天线单元。然后，位于天线单元处的射频单元将用于将馈线朝向天线驱动。

11、在双向通信的情况下，馈线用于传输发射信号以从rf单元发射到天线和/或接收信号从天线经由馈线发射到rf单元以进行下变频并且被随后提供给基带单元。

12、当使用双向通信时，可以使用不同的方法来实现双向操作。例如，第一调制单元可以利用时分双工(tdd)，其中第一天线单元以发送模式或接收模式交替地操作。在无线电协调接入的情况下，其他时分方法也是可行的，从而允许用于传输或接收的更灵活的时隙分配。当需要同时发送和接收时，可以设想替代的操作方法，其中可以包括频分双工或fdd。在这种情况下，不同的频率用于发送和接收，从而允许使用第一天线单元同时发送和接收。

13、在第一方面的第一选项中，调平单元是无源调平单元，该无源调平单元包括以下之一：安装在外壳的腔体内的悬挂元件，悬挂元件的一端附接到第一枢轴，该第一枢轴附接到外壳或附接到以固定方式附接到外壳的构件，悬挂元件的另一端附接到天线单元，使得天线单元可以在重力的影响下在该腔体内摆动；或无源常平架，其具有至少一个旋转轴线并安装在外壳的内部空间内，该无源常平架的一端附接到外壳的一部分上或附接到以固定方式附接到外壳的构件，该无源常平架的另一端附接到天线单元，使得天线单元可以在重力的影响下在腔体内沿着该至少一个旋转轴线旋转，该至少一个轴线平行于位于安装点处的线路。

14、当使用悬挂元件时，悬挂元件可以是一组三根电缆，其一端附接到第一枢转点，另一端附接到天线单元的至少三个点，从而将天线单元稳定在固定位置。或者，天线单元可以在穿过天线单元的质心的竖直线的点处从单根电缆悬挂，以提高稳定性，可以将附加重量附接到天线单元。更可选地，可以使用杆或钟摆状构造，其中第一枢转点是铰链，并且另一铰链设置在天线单元上、位于天线单元的质心上方。在此，与电缆实施方式相比，天线单元的运动范围可能受到限制。通过使用柔性悬挂元件，例如上述电缆安装器件，悬挂元件可以补偿除平行于安装点处的线路的旋转轴线之外的其他方向上的旋转运动。当使用无源常平架来补偿围绕单个旋转轴线的旋转时，这可以通过将天线单元安装在与安装点处的线路的方向平行的轴线上或优选地安装在该轴线下方来实现。由照明器的摇摆引起的旋转运动然后将被沿着至少一个旋转轴线的旋转运动抵消。尽管在一个方向上具有旋转运动的无源常平架意味着常平架可以是低成本的，但是当需要时，可以使用多轴线无源常平架来补偿在多个方向上的旋转运动。

15、在上述无源调平单元中，向天线单元底部添加附加重量可能是有益的，附加重量提高了天线单元的稳定性，因为它增加了施加在天线单元重量组合上的力。

16、在第一方面的第二选项中，调平单元是有源调平单元，包括：旋转传感器，其记录照明器或替代地天线单元相对于重力方向并沿着平行于安装点处的线路的旋转轴线的旋转角度；调平单元控制器，其布置成使用旋转传感器输出来生成旋转控制信号，以便对抗测量到的旋转；以及附接到外壳的旋转致动器，其由该旋转控制信号控制以调节天线单元相对于外壳的定向。

17、第二种选择的有源常平架允许通过旋转致动器改变天线单元相对于照明器外壳的相对方向。所使用的传感器通常是可以安装在照明器或天线单元上的加速度计或其他重力传感器。基于传感器的输出，调平单元控制器可以控制旋转致动器，以基于所确定的重力方向调平天线单元。当安装在天线单元上时(取决于安装方向)，控制器应最大化或最小化所测量的基于重力的加速度。当安装在照明器外壳上时，在优化过程中需要考虑旋转致动器的旋转角度。

18、在可以与上述任何选项组合的第一方面的第三选项中，天线单元包括以下之一：多个定向天线，每个定向天线具有主波瓣，其中定向天线的相应主波瓣沿着与所述平面一致的不同角度方向进行定向；或具有与所述平面一致的360度辐射图案的至少一个天线。

19、当照明器的天线发射图案具有各向异性特征时，调平功能提供了优势，因此天线的辐射图案的对准变得重要。虽然这在具有波束形状的辐射图案时是清楚的，但是当辐射图案在水平面中具有360度覆盖时，例如当辐射图案具有扁平圆环形状时，这也可能是适宜的。在这些情况下，摇摆可能会干扰辐射图案，摇摆补偿可能有助于提高摇摆时的链路质量。

20、上述天线配置通常具有各向异性特征，因为它们旨在实现基本正交于重力方向的平面中的射频(rf)覆盖，从而允许照明器与其附近的其他照明器通信。

21、在可以与上述任何选项组合的第一方面的第四选项中，天线单元和第一调制单元机械地彼此附接，或者集成在第一印刷电路板(pcb)上。

22、以这种方式，可以通过将两个单元放置在靠近基带的发射的位置来对基带单元、rf单元和天线单元的天线进行协调的共同定位和重新定向，和/或可以减小无线电信号的长度。

23、在可以与上述第一、第二和第三选项组合的第一方面的第五选项中，照明器包括主印刷电路板(pcb)，其包括第一调制单元和用于照明单元的驱动器。

24、这样，可以将基带单元设置在主pcb上，从而减少pcb的数量，并且有利于高频信号和基带分量的分离。

25、在可以与第一方面的任何其他选项组合的第一方面的第六选项中，照明器还包括用作照明控制网络中的通信节点的第二调制单元，其能够远程控制所述照明单元，所述第二调制单元连接到第二天线单元。

26、第六个选项允许照明器与传统照明控制网络结合使用，该网络利用基于诸如802.15.4、lora、nb-iot协议或蜂窝网络协议的其他射频通信协议。第二无线电单元可以允许照明器在现有无线照明控制网络中无缝地操作，该现有无线照明控制网络利用了使用nema/zhaga控制节点的已建立的照明控制系统。当与第一方面的第五选项组合时，第二无线电装置可以设置在主pcb上，但是替代地可以设置为可拆卸的nema/zhaga控制节点。

27、在可以与第一方面或第一方面的第一至第五选项中的任一个组合的第一方面的第七选项中，照明单元包括第一照明控制器，并且第一照明控制器连接到第一调制单元并被配置为从第一调制单元接收照明控制信息。

28、根据第七选项，无线数据网络不仅用于数据通信业务，还用于通过无线数据网络传送照明控制信息。照明控制信息可以包括诸如照明单元的且用于照明单元的命令、传感器数据和/或状态报告之类的数据。具体地，当无线数据网络利用ipv6时，可以向第一调制单元分配两个ipv6地址，其中一个ipv6地址被分配给作为照明节点的照明器，并且另一个ipv6地址被分配给作为数据通信节点的照明器。当建立新的组合的照明和数据通信网络基础设施时，这种方法可能特别有用。

29、在可以与第一方面或第一方面的任何一个选项组合的第一方面的第八选项中，安装点或紧固装置是夹具，其夹持到线路或电线上并且具有沿线路或电线的方向的宽度，该宽度宽于5厘米或优选宽于10厘米。

30、第八选项优选地与照明器结合，其中安装点或紧固装置直接附接到照明器外壳，从而减少摇摆量，这与宽夹具结合将进一步限制在其他方向上的移动量。

31、根据本发明的第二方面，提供了一种具有通信功能的户外照明系统，其包括：多个杆，其具有悬挂在杆对之间的用于安装照明器的线路，并且其中对于每个杆对而言，该杆对中的至少第一杆包括电源和连接到电源的供电链路以用于向其他装置提供电力；多个根据第一方面所述的照明器，其安装在相应杆对之间的线路上，并且布置成由相应杆对的第一杆供电，其中照明器的第一调制单元被配置形成无线数据网络；以及网关，其包括用于与无线数据网络通信的网关无线电装置，并设有有线或无线链路以提供对远程网络的访问。

32、第一方面的照明器可以用在照明系统中以建立适合回程和/或前程业务的数据通信网络。为此，照明器可以配备gb速度的无线电装置，例如符合ieee802.11ay标准的无线电装置。这种类型的照明系统可用于部署高速网络结构，其为家庭提供“最后一英里”的网络连接。

33、根据第二方面的照明系统的第一选项，第二方面的照明系统可以优选地被适配为使得该杆对之一的至少一个杆配备有需要网络连接功能的第一外围装置，该第一外围装置是以下之一：具有网络连接功能的环境传感器，具有网络连接功能的相机，蜂窝基站，wi-fi热点，为用户提供用户界面以访问信息服务的信息亭，并且其中第一外围装置由来自该杆对中的第一杆的供电链路供电，并且所述网络连接功能由安装在该杆对之间的线路上的照明器提供。

34、第二方面的第一选项利用了基于照明器的无线数据网络所提供的连接性，作为安装在其中一个杆上的另外的装置的连接性提供者，在各杆之间悬挂有线路或电线，照明器安装在该线路或电线上。替代地，当这样的另外的装置足够小以装配在照明器外壳内时，该装置可以替代地集成在照明器中。

35、根据可以与第二方面的第一选项组合的第二方面的第二选项，所述电源是连接到市电供电线路的poe供电装置，并且所述杆对之一的第一杆的供电链路由一根或多根以太网供电poe电缆(255)所形成，从而能够使用一根或多根poe电缆向安装在悬挂在该杆对之一之间的线路上的照明器(10)提供电力和网络连接功能。

36、poe电缆形式的供电链路从杆对的第一杆向照明器提供电力，而同时提供从照明器到第一杆的连接。使用poe链路，电力和连接可以被部署到杆处的另外的装置，诸如在第二方面的第一选项下所描述的那样。

37、根据第二方面的第三选项，照明系统还包括：安装在另一杆上的杆式安装的照明器；该杆式安装的照明器包括：另一个天线单元，和另一调制单元，用作连接到另一天线单元的无线数据网络中的通信节点。

38、尽管在新开发的户外照明系统部署中，悬挂式照明器可能美观，但环境可能不允许在所有情况下都在各杆之间系线。为此，设想了混合系统，其中部署了悬挂式照明器和杆式安装的照明器。

39、根据建立在第二方面的第三选项之上的第二方面的第四选项，所述杆式安装的照明器向安装在所述另一杆上的第二外围装置提供对所述无线数据网络的访问，所述第二外围装置是以下之一：具有网络连接功能的环境传感器，具有网络连接功能的相机，蜂窝基站，wi-fi热点，为用户提供用户界面以访问信息服务的信息亭。

40、在混合系统中，杆式安装的照明器可用于向终端用户提供类似的服务，为此，杆式安装的照明器还可以部署电源结构，该电源结构使用poe并提供与照明器和第二外围装置的连接。

41、注意，上述装置可以基于具有离散的硬件部件、集成芯片或芯片模块布置的离散的硬件电路来实现，或者可以基于由存储在存储器中、写在计算机可读介质上或从网络(例如因特网)下载的软件例程或程序来控制的信号处理装置或芯片来实现。

42、应当理解，权利要求1的室外照明器和权利要求10的室外照明系统可以具有类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的优选实施例。

43、应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任意组合。

44、参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚并被阐明。