基于ZigBee技術的太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉洋

摘 要：為了實現(xiàn)太陽能路燈的集中管理，提高維護效率，降低維護成本，該文設計了一種基于ZigBee技術的太陽能路燈無線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，通過霍爾電流傳感器、電阻分壓電路分別獲取太陽能光伏板及蓄電池的電流、電壓信息，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C顯示，實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)的遠程監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗、高穩(wěn)定性、組網(wǎng)方便等優(yōu)勢。

關鍵詞：ZigBee技術 太陽能路燈 MSP430單片機 設計

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0003-03

近年來，伴隨著太陽能、LED照明技術的發(fā)展以及社會對高效節(jié)能、低碳環(huán)保的需求，太陽能路燈得到廣泛的應用。由于太陽能路燈系統(tǒng)，是一種的獨立的照明系統(tǒng)，它通過光伏板將太陽能轉化為系統(tǒng)可用的電能，實現(xiàn)系統(tǒng)的獨立運行。相對于傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)，太陽能路燈系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、不受地域限制、無需布線、安裝方便等優(yōu)勢，但也存在因布局分散、相對獨立而導致的管理難度大、維護成本高等問題。為了解決這一問題，實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)的實時監(jiān)測和集中管理，國內(nèi)相關文獻，提出了一些基于GPRS、Zigbee網(wǎng)絡等無線網(wǎng)絡的路燈監(jiān)控方案。該文在相關研究基礎上，提出了一種基于低功耗單片機的ZigBee技術實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)遠程無線監(jiān)測的方案，并給出了詳細的軟硬件設計。

1 系統(tǒng)組成及原理

如圖1所示，太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)主要由獨立太陽能路燈照明系統(tǒng)、無線通信控制系統(tǒng)以及監(jiān)控計算機三大部分組成。

1.1 太陽能路燈照明系統(tǒng)

太陽能路燈照明系統(tǒng)由太陽能光伏板、太陽能充放電控制器、電池以及大功率LED路燈構成。白天，太陽能光伏板通過充電控制電路為蓄電池充電；夜間，蓄電池通過放電控制電路為LED路燈供電；充放電控制器主要起到穩(wěn)壓、防過沖過放的功能。路燈系統(tǒng)工作的好壞，主要受太陽能光伏板、蓄電池以及LED燈的好壞影響，而LED燈壽命較長，因此，對于太陽能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設計，主要是監(jiān)測太陽能光伏板以及蓄電池的工作參數(shù)，并進行反饋控制，進而實現(xiàn)對太陽能路燈系統(tǒng)的遠程監(jiān)控管理。

1.2 ZigBee簡介

作為太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)的核心，無線通信控制系統(tǒng)將獨立的太陽能路燈通過無線聯(lián)系在了一起，形成了一個可以集中控制的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無線路燈控制一般采用GPRS、CDMA、GSM等公共網(wǎng)絡實現(xiàn)，但是這些網(wǎng)絡具有申請流程復雜、資費高等缺點。該文結合路燈相對距離近、數(shù)目多等布設特點，選取ZigBee網(wǎng)絡作為太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡。

ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的無線傳輸技術，該技術所支持的無線設備可以工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz頻段，最大數(shù)據(jù)速率是250 kbps。ZigBee無線網(wǎng)絡通常包含三種邏輯設備類型：協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設備，可以實現(xiàn)星形、簇狀形和網(wǎng)狀型等多種拓撲結構。如圖2所示，一個ZigBee多點通信網(wǎng)絡至少包含一個協(xié)調(diào)器、一個或多個路由器以及終端設備節(jié)點。每個網(wǎng)絡開始必須要有一個協(xié)調(diào)器，它負責建立和配置網(wǎng)絡，網(wǎng)絡建立完成后可作為路由節(jié)點使用；路由器負責網(wǎng)絡中終端設備與控制節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞，可以用來拓展網(wǎng)絡節(jié)點；終端設備負責具體功能的實現(xiàn)，對維護網(wǎng)絡沒有作用。

該文采用的是DiGi公司的XBee-PRO模塊，模塊以ZigBee協(xié)議，運作在ISM 2.4 GHz頻段。模塊只需要最小的功率，就能提供遠程設備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，其傳輸距離室內(nèi)或城市中可達100 m，戶外視線距離傳輸高達1500 m。該模塊也因具有接口簡單、設置方便、穩(wěn)定性高、功耗低等特點，已被廣泛應用于電力電子等領域。本文根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡結果設計了一個包含一個主節(jié)點、兩個從節(jié)點的小型無線通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡主節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，負責建立網(wǎng)絡、發(fā)送控制指令以及接收、轉發(fā)測量數(shù)據(jù)，從節(jié)點主要完成在主節(jié)點指令要求下的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，如果網(wǎng)絡需要中繼傳送，從節(jié)點還要擔當路由器的角色[7]。

1.3 監(jiān)控計算機

監(jiān)控計算機經(jīng)串行通信接口與網(wǎng)絡主節(jié)點建立連接，監(jiān)控計算機通過上位機界面實時獲取各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過主節(jié)點發(fā)送控制指令，實現(xiàn)各個節(jié)點的監(jiān)測控制。

2 硬件設計

2.1 測量電路

本系統(tǒng)主要通過獲取電流、電壓兩個參數(shù)，實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。因單片機I/O接口只能接收0～5 V的電壓信號，電流參數(shù)，采用霍爾電流傳感器測量，霍爾電流傳感器可以在幾乎不消耗能量情況下，將電流信號線性轉換為電壓信號輸出，可以滿足低功耗的需求。本系統(tǒng)采用HKA0.5-NP霍爾電流傳感器，傳感器額定輸出電壓為（4±1%）V，±12 V雙電源供電，測量電流范圍為0～1.5 A，基本滿足小型太陽能路燈系統(tǒng)的應用。系統(tǒng)電壓參數(shù)，采用電阻分壓的方式測量。測量電路，如圖3所示。

2.2 控制電路

太陽能路燈系統(tǒng)作為一個獨立的供電系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的設計需滿足低功耗的要求。本方案，采用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149為控制核心，而且該單片機具有12位A/D轉換器、UART等外設，滿足了系統(tǒng)采樣以及串行通信的需要。如圖4所示，測量電路測得的電流、電壓信號，經(jīng)低通濾波后收入到單片機，單片機經(jīng)過運算處理，獲得實時電流電壓信息后，通過異步串行通信接口傳遞給Xbee-PRO無線通信模塊。

2.3 無線通信

作為監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，Xbee-PRO模塊起到組建網(wǎng)絡、傳遞監(jiān)測信息及控制指令的作用。如圖5所示，模塊DOUT、DIN引腳與單片機異步串行接口連接，單片機可以通過異步串行通信以透明傳輸?shù)姆绞脚c模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的接收與發(fā)送。

3 軟件設計

3.1 軟件流程

系統(tǒng)軟件設計流程主要包括網(wǎng)絡組建、參數(shù)測量、實時顯示及無線傳輸四部分，如圖6所示，系統(tǒng)初始化后，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（主節(jié)點）建立ZigBee網(wǎng)絡，終端器（從節(jié)點）搜索網(wǎng)絡，并按照設置加入網(wǎng)絡，系統(tǒng)發(fā)送指令測試網(wǎng)絡是否連接成功，網(wǎng)絡連接成功后，單片機處理傳感器獲取的電流、電壓信息，通過液晶實時顯示電流、電壓數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點，在上位機上顯示出來。上位機也可以通過主節(jié)點給終端發(fā)送控制指令，實現(xiàn)終端的控制。

3.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)主要針對太陽能路燈工作參數(shù)監(jiān)測進行了測試。該文選取10 W太陽能板、蓄電池（6 V）、太陽能控制器、LED燈以及本文設計的監(jiān)測裝置組成太陽能路燈終端（從節(jié)點），以另外一個監(jiān)測終端為主節(jié)點，利用PC機串口助手，進行了系統(tǒng)測試。

該文在11：30～14：30時間段內(nèi)，對太陽能路燈系統(tǒng)進行了測試，測試數(shù)據(jù)如圖7所示，路燈系統(tǒng)的太陽能光伏板、蓄電池的電壓、電流參數(shù)基本保持在正常波動范圍內(nèi)，無異常突變，據(jù)此可以判斷太陽能板路燈系統(tǒng)工作正常，太陽能路燈無線監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)太陽能路燈的無線監(jiān)測的目的。

4 結語

伴隨著LED照明技術的普及，太陽能LED路燈已經(jīng)得到廣泛的應用，而智能路燈系統(tǒng)作為智慧城市的重要組成部分，如何低功耗、高穩(wěn)定性的實現(xiàn)路燈的智能管理已成為當前迫切要解決的問題。該文針對這一需求，提出了一種太陽能路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，該方案考慮到了系統(tǒng)的低功耗、組網(wǎng)方便以及易于擴展等特點，經(jīng)實際系統(tǒng)調(diào)試驗證了監(jiān)測設備的穩(wěn)定性及覆蓋范圍的可行性，該系統(tǒng)可以滿足太陽能路燈系統(tǒng)的監(jiān)測需求。

參考文獻

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