許正望，馮代偉，梅威，虞家奇

（湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

0 引言

光伏照明作為一種清潔能源，可以實現(xiàn)無輸電線路、無污染的照明供電[1]。在新能源產業(yè)前景如此廣闊的情況下，光伏照明的國內市場的發(fā)展前景廣闊，其主要應用是太陽能路燈。

但隨著道路照明中太陽能路燈使用規(guī)模的不斷擴大，也逐漸暴露出一些不足之處，由于規(guī)模較大長度較遠，路燈系統(tǒng)會出現(xiàn)控制器運行參數(shù)無法集中控制，故障也無法做到及時發(fā)現(xiàn)和及時檢修等問題[2]。目前的路燈系統(tǒng)都是獨立控制，智能化程度低、也無法和監(jiān)測端進行通訊，這些問題都給路燈系統(tǒng)的管理和維護帶來許多的困難[3]。采用人工定期檢查的方式效果并不理想，不僅增加了人員的投入也加大了維護成本。

Zig Bee是一種實用的雙向無線通信技術，工作全球統(tǒng)一不需要授權的2.4GHz頻段[4]。但目前廣泛使用傳統(tǒng)的Zig Bee協(xié)議進行無線組網十分復雜，CC2530無線自組網模塊是建立在傳統(tǒng)Zig Bee協(xié)議的基礎之上，使用該模塊進行無線傳輸時可自動組成多跳網狀網絡，不需要掌握復雜的協(xié)議，可以節(jié)約很多的開發(fā)時間而且無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性很好，抗干擾能力強[5]。

1 系統(tǒng)整體設計

基于移動控制終端的無線自組網系統(tǒng)包括兩大部分，移動控制終端節(jié)點和路燈系統(tǒng)節(jié)點，如圖1所示。移動控制終端節(jié)點由HMI人機界面，STM32最小系統(tǒng)電路和CC2530無線自組網模塊組成，主要負責實時接收路燈控制器的運行參數(shù)和修改路燈控制器的運行參數(shù)。路燈系統(tǒng)節(jié)點由路燈控制器和CC2530無線自組網模塊構成。

當需要接收并查看路燈控制器運行參數(shù)時，在HMI人機界面上選取所需查看的路燈控制器的編號，并向STM32發(fā)送一個指令，不同的路燈對應不同的指令，STM32接收到指令后將此指令打包成一個CC2530模塊特定格式的數(shù)據(jù)包后發(fā)送給移動控制終端上的CC2530模塊，移動終端上的CC2530模塊將指令數(shù)據(jù)包發(fā)送到對應路燈控制器上的并由控制器接收，采集路燈控制器的實時運行參數(shù)打包成特定格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送給CC2530模塊，最終由移動控制終端接收，STM32進行處理并發(fā)送到HMI人機界面上進行顯示。當需要修改路燈控制器的實時運行參數(shù)時，直接在HMI人機界面上進行修改，然后將修改好的參數(shù)數(shù)據(jù)打包成CC2530模塊特定格式的數(shù)據(jù)包并通過CC2530模塊發(fā)送到目標路燈控制器中，由控制器接收數(shù)據(jù)包并對數(shù)據(jù)包進行解析，提取有用的數(shù)據(jù)，完成對路燈控制器遠距離的參數(shù)修改，改變目前的運行狀態(tài)。

圖1 無線自組網太陽能路燈控制系統(tǒng)框圖

圖2 STM32最小系統(tǒng)電路圖

2 移動控制終端節(jié)點設計

2.1 STM32最小系統(tǒng)電路設計

路燈控制器要在保證路燈正常運行的情況下，保證盡量降低功耗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和存儲，遠距離通信等功能，因此要求路燈控制器具有不錯的運算處理能力和低功耗?？紤]到實際應用范圍和成本，本文路燈控制器和移動控制終端中均選用STM32系列的 STM32F103C8T6為主控芯片，STM32F103C8T6有48個引腳，此款芯片的性價比較高，存儲器和外設資源豐富足以滿足本設計的需求。

在此基礎上設計出移動控制終端所需的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路，其電路原理圖如圖2所示。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路主要由STM32F103C8T6主控芯片、晶振電路、復位電路、供電電源濾波去噪電路、BOOT模式選擇電路以及接口控制電路等構成。

2.2 HMI人機界面

HMI是 Human Machine Interface的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面[6]。HMI人機界面任何界面顯示和控制指令都是通過設備內部自己實現(xiàn)，不需要外圍的MCU參與。圖3所示的是本系統(tǒng)路燈控制器需要通過無線自組網傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)（左），以及觸摸屏需要接收到的路燈的參數(shù)（右）。HMI人機界面與STM32通過Uart2進行通信，通過內部自帶的“get”指令發(fā)送數(shù)據(jù)給STM32，再由STM32發(fā)送給CC2530無線自組網模塊。

3 路燈系統(tǒng)節(jié)點設計

3.1 路燈控制器

路燈控制器節(jié)點由路燈控制器和CC2530模塊構成。路燈控制器的主電路采用的是成本低、體積較小的雙向DC-DC電路，當雙向DC-DC電路正向運行時，電路以BUCK的形式降壓運行，太陽能板能量向鋰電池轉移，給蓄電池充電，并引進太陽能電池的MPPT功能，提高太陽能電池的輸出能量;主電路反向運行時，電路以BOOST的形式升壓運行，鋰電池能量向路燈轉移[7]。當蓄電池放電時，系統(tǒng)實現(xiàn)對負載的恒流驅動，同時可以調節(jié)PWM占空比來進行調光。另外，同步整流DC-DC電路采用通態(tài)電阻很小MOSFET管，這樣可使系統(tǒng)的整流損耗減小。STM32單片機為控制器的控制核心，它接受電路檢測的信號、運行控制算法、輸出控制信號，并與無線組網模塊進行通信。驅動電路接受單片機的命令，并驅動MOS管，使電路工作于合適的模式及PWM占空比條件下。

圖4 路燈控制器節(jié)點框圖

3.2 CC2530無線自組網模塊

本文無線組網系統(tǒng)選用CC2530無線自組網模塊中的DL-LN32P系列無線自組網模塊，芯片型號為CC2530F256，該芯片上集成了2.4 GHz的RF收發(fā)器，8051MCU，具有256 kB的存儲器。此芯片在發(fā)送模式和接收模式的工作電流分別為29mA、24mA，十分適合低功耗系統(tǒng)。

CC2530無線自組網模塊符合IEEE 802.15.4協(xié)議但相比傳統(tǒng)的Zig bee更為簡單穩(wěn)定，無需設計復雜的協(xié)議棧，地址可自主配置。該模塊工作時模塊與周圍的模塊組成一個無線多跳網絡，此網絡為對等網絡，不需要中心節(jié)點，兩個模塊之間的最大傳輸距離可達500米，具有確認傳輸功能,CC2530模塊之間可自動進行無線多跳傳輸，當傳輸距離超過兩個模塊之間的最大傳輸距離時可自動選擇就近的模塊進行跳轉傳輸，由此可達到遠距離傳輸?shù)哪康摹?/p>

CC2530無線自組網模塊的的引腳圖如圖5所示，管腳1、2、10、11、13未投入使用，在任何情況下都需要保持懸空狀態(tài)，管腳4、5在測試模式下輸出輸入測試信息，可作為可控IO口輸出，管腳6、9、16為GND，管腳7、8接電源，管腳14、15分別為模塊的輸出輸入。該模塊的工作電壓為2.5～3.6 V，一般都接入3.3 V電壓保證正常運行，工作電流為55 mA，無線發(fā)送功率為20 dBm。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 HMI人機界面軟件設計

圖6為HMI人機界面內部界面顯示和發(fā)送數(shù)據(jù)指令的控制程序，通過上位機進行編寫，“get”指令為發(fā)送數(shù)據(jù)指令，“page”為翻動頁面指令，通過“get”指令將圖6中文本框中的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機上并進行處理。

圖5 CC2530模塊引腳圖

使用“get”指令屏幕發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32，圖7為屏幕發(fā)送數(shù)據(jù)后，模擬器接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式以70作為開頭，F(xiàn)F FF FF作為結尾，2E代表參數(shù)中的小數(shù)點。通過模擬器進行模擬，HMI觸摸屏通過Urat發(fā)送出去的數(shù)據(jù)均可以被接收。

圖7 模擬器返回數(shù)據(jù)

HMI觸摸屏接收來自控制器的參數(shù)數(shù)據(jù)，移動控制終端中的STM32接收來自CC2530無線自組網模塊傳輸過來的控制器參數(shù)數(shù)據(jù)，通過如下程序將控制器參數(shù)數(shù)據(jù)顯示在HMI觸摸屏中：

HMISendstart();

HMISends("t0.txt=""");

HMISendb(0xff);

4.2 CC2530模塊軟件設計

CC2530無線自組網模塊使用Uart作為接口數(shù)據(jù)交互接口，其接口參數(shù)如下：數(shù)據(jù)位：8位，起始位：1位，停止位：1位，校驗位：無校驗[5]。

CC2530無線自組網模塊傳輸數(shù)據(jù)的格式為FE 05 91 90 3F 00 AB FF，包頭為FE 05，F(xiàn)E表示數(shù)據(jù)包的起始位，05代表數(shù)據(jù)包的長度。91和90分別代表包的源端口號和目的端口號。3F 00代表模塊的地址，每個路燈系統(tǒng)節(jié)點的無線自組網模塊都有單獨的地址，通過選擇地址可以選擇需要監(jiān)測的路燈。AB代表具體的數(shù)據(jù)，長度不定。FF為包尾，表示一個數(shù)據(jù)包傳輸完成。

整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

5 測試結果

在實驗環(huán)境中主要進行自組網各節(jié)點的收包率及數(shù)據(jù)傳輸時間的測試，基于CC2530模塊本身存在傳輸距離的限制，并且當遇到障礙物時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的問題，因此進行收包率的測試對在實際戶外路燈系統(tǒng)有極大的參考意義。

實驗中暫時選用傳輸距離為45 m的DL-LN32系列進行丟包率測試來節(jié)省實驗成本，丟包率測試的實驗結果如表1所示。

因此，可總結為在以上實驗環(huán)境中，以最大傳輸距離45 m為基準，節(jié)點距離在25 m以下收包率良好，不會存在數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，節(jié)點距離25 m以上會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失，節(jié)點距離增大和有障礙物遮擋都會造成丟包率的增加。丟包率的測試實驗可表明CC2530無線自組網模塊的傳輸穩(wěn)定性高，距離和障礙物都會影響傳輸效率但影響并不大，在干擾不是特別嚴重的情況下可以保證很高的傳輸效率。

6 結論

本文介紹的以HMI人機界面為移動控制終端，以CC2530模塊作為無線傳輸?shù)奶柲苈窡舯O(jiān)測系統(tǒng)，可以大大的改善目前太陽能路燈系統(tǒng)在遠程監(jiān)測和調控上的不足，也可以降低采用人力進行定期檢查和維修的成本。本文進行了大量的無線傳輸過程實驗來檢測傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失概率。測試結果表明節(jié)點轉發(fā)信息時延時較短，丟包概率低，可對系統(tǒng)進行實時而且穩(wěn)定的控制，提高了實時性和穩(wěn)定性。此外，本文采用的無線自組網絡可移植性強，在智能家居，在線水質和土壤監(jiān)測等領域也可有廣泛的應用[8]。

參考文獻：

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