基于雙組網(wǎng)模式的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)

王衍龍，章 杰，林培杰，賴松林，陳金伙，程樹英

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建 福州 350108）

在城市現(xiàn)代化高速發(fā)展的大背景下，人們對(duì)城市道路照明系統(tǒng)的要求越來越高，道路照明系統(tǒng)的發(fā)展不再僅僅是圍繞道路交通安全和城市美化兩個(gè)方面，而更需要在高效節(jié)能、低碳環(huán)保方面有更多突破[1]。面對(duì)節(jié)能環(huán)保方面的緊迫問題，太陽(yáng)能LED路燈漸漸得到了世界各國(guó)的高度關(guān)注，也逐漸在道路照明領(lǐng)域得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。然而，隨著太陽(yáng)能LED路燈數(shù)量的不斷增多，對(duì)路燈的集中管理、監(jiān)控和維護(hù)成為了一個(gè)急需解決的問題[2-3]。本文提出將ZigBee技術(shù)和RS-485總線應(yīng)用在太陽(yáng)能LED路燈中，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程控制與管理。

本文所提出的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使用ZigBee技術(shù)作為主要通信方式，實(shí)現(xiàn)路燈自組網(wǎng)；并支持將RS-485總線網(wǎng)絡(luò)作為備用通信方式。在供電方面，以太陽(yáng)能蓄電池供電為主；同時(shí)也留出市電供電接口，在蓄電池電量不足時(shí)直接切換至市電供電。因此，本文提出的是一個(gè)兼顧低功耗、高穩(wěn)定性、低復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定的一種短距離、低功耗的無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具有近距離、低復(fù)雜度、自組網(wǎng)、低功耗、低數(shù)據(jù)速率及低成本等特點(diǎn)。ZigBee協(xié)議棧由4個(gè)層組成，分別為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來緊湊而簡(jiǎn)單，無需人為操作就能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自組網(wǎng)。基于以上ZigBee的各種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本文將采用該技術(shù)作為路燈組網(wǎng)的主要技術(shù)[4]。另外，在路燈端和上位機(jī)端都加入RS-485接口，使用可長(zhǎng)距離、多點(diǎn)通信的RS-485總線網(wǎng)絡(luò)作為該系統(tǒng)的一種備用通信方式。

圖1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了ZigBee和RS-485兩種通信方式，實(shí)現(xiàn)了無線控制為主、有線控制為輔的控制方法，總體設(shè)計(jì)如圖2所示。在上位機(jī)部分，用戶可以通過PC上的主控界面與ZigBee網(wǎng)絡(luò)或RS-485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，達(dá)到控制路燈和反饋數(shù)據(jù)的目的。在路燈節(jié)點(diǎn)部分，ZigBee節(jié)點(diǎn)同樣與ZigBee網(wǎng)絡(luò)或RS 485總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，處理收到的命令或數(shù)據(jù)，繼而控制太陽(yáng)能LED路燈控制器，最終達(dá)到控制路燈開關(guān)、功率和采集路燈狀態(tài)的目的。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 路燈節(jié)點(diǎn)主控芯片

在路燈節(jié)點(diǎn)部分，主控芯片需要實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能，即與ZigBee網(wǎng)絡(luò)和RS-485總線通信、處理各種數(shù)據(jù)與命令、通過控制器控制太陽(yáng)能LED路燈和采集路燈狀態(tài)。對(duì)此，本設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2430芯片作為節(jié)點(diǎn)的主控芯片。CC2430是一顆真正的片上系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能，并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，以及對(duì)低成本、低功耗的要求。它結(jié)合了一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器[5]。節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

在圖3中，無線信號(hào)通過天線收發(fā)，天線連接至CC2430的RF收發(fā)端；RS-485有線信號(hào)通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器后直接與CC2430的串口0相連；在輸出控制信號(hào)部分，通過芯片的通用I/O口輸出控制信號(hào)至太陽(yáng)能LED路燈控制器；而電壓的狀態(tài)采集將使用CC2430的片內(nèi)ADC通道，對(duì)電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 控制電路

控制電路部分由太陽(yáng)能/市電供電模塊、控制模塊和恒流源3大部分組成，設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 控制電路設(shè)計(jì)框圖

太陽(yáng)能LED路燈的開關(guān)和功率調(diào)節(jié)是通過恒流源控制的，如見圖5所示，圖中A+端接電源正極時(shí)，L輸出100%功率；A+端接電源負(fù)極時(shí)，L輸出30%功率。

圖5 LED恒流源

圖6為控制模塊電路，主控芯片的I/O口在模塊中通過兩個(gè)開關(guān)三極管S8050驅(qū)動(dòng)繼電器，進(jìn)而控制兩路輸出電壓，最終通過恒流源控制LED路燈的開關(guān)和功率。

圖6 路燈控制電路

2.3 芯片供電

在節(jié)點(diǎn)的硬件電路中，由于需要給主控芯片CC2430和RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器供電，因此還需要提供5 V和3.3 V的供電接口。圖7為芯片供電電路。在12 V轉(zhuǎn)5 V部分，為了提高效率，減少發(fā)熱，設(shè)計(jì)中使用LM2596T-5.0開關(guān)穩(wěn)壓芯片輸出5 V電壓；在5 V轉(zhuǎn)3.3 V部分，使用一塊三端穩(wěn)壓芯片LM1084T-3.3，通過線性穩(wěn)壓的方式輸出3.3 V電壓。

圖7 芯片供電電路

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于ZigBee軟件部分，應(yīng)用程序在Z-Stack協(xié)議?；A(chǔ)上開發(fā)。Z-Stack是TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧，其符合ZigBee 2006規(guī)范，支持多種平臺(tái)，包括基于CC2420收發(fā)器和TI MSP430超低功耗MCU的平臺(tái)、CC2430 SoC平臺(tái)等[6]。Z-Stack是一種包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膸捉谌δ艿膮f(xié)議棧，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的ZigBee領(lǐng)域占有十分重要的地位。進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)，只需在ZStack的應(yīng)用層上添加自己的事件處理任務(wù)，方便高效。圖8為Z-Stack的協(xié)議棧架構(gòu)圖。

圖8 Z-Stack協(xié)議棧架構(gòu)

本設(shè)計(jì)中，軟件部分包含了ZigBee協(xié)調(diào)器軟件和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件，它們共同實(shí)現(xiàn)串口收發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸和控制管理的功能。在Z-Stack開發(fā)中，首先要在osalAddTasks（）函數(shù)中加入自己的任務(wù)，再在該任務(wù)的初始化函數(shù)和處理函數(shù)中寫入相應(yīng)的處理代碼。由于在程序中需用到串口功能，因此需打開并配置串口0，在這里是以中斷的方式完成串口收發(fā)的。終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器的程序流程圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖10 協(xié)調(diào)器程序流程圖

在上位機(jī)控制界面部分，使用基于C++的MFC庫(kù)，開發(fā)基于對(duì)話框的控制界面，實(shí)現(xiàn)串口命令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收顯示的功能。本設(shè)計(jì)中開發(fā)的路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 路燈遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)界面

4 通信測(cè)試

本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了通信測(cè)試，測(cè)試中使用該系統(tǒng)對(duì)并排的6盞太陽(yáng)能LED路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，每?jī)杀K路燈間距約20 m，具體測(cè)試環(huán)境如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

在監(jiān)控中心可以方便地測(cè)試RS-485總線通信方式的穩(wěn)定性，并通過移動(dòng)ZigBee協(xié)調(diào)器的位置，測(cè)試ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性、組網(wǎng)距離以及障礙物對(duì)其通信的影響，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 通信測(cè)試結(jié)果

由表1通信測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在一定的范圍內(nèi)組網(wǎng)是穩(wěn)定的，本設(shè)計(jì)所使用的模塊在80 m范圍內(nèi)能夠正常組網(wǎng)；在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中以單播的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)丟包率在可接受范圍內(nèi)，但是受障礙物影響較大；在測(cè)試中，RS-485有線通信方式最為穩(wěn)定，未出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象。

本系統(tǒng)在太陽(yáng)能LED路燈中加入遠(yuǎn)程控制和管理的功能，易于實(shí)現(xiàn)，成本低且能可靠工作。系統(tǒng)在遠(yuǎn)程通信上采用ZigBee技術(shù)和RS-485技術(shù)相結(jié)合的方式，一方面以ZigBee作為主要通信技術(shù)能方便地實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)大面積無線自組網(wǎng)；另一方面又能選擇性地加入RS-485有線通信，保證重要通信鏈路的可靠性。在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，CC2430主控芯片完成數(shù)據(jù)通信和I/O控制，并通過設(shè)計(jì)的控制電路和上位機(jī)軟件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能LED路燈的遠(yuǎn)程控制與管理。

[1]史兆培，王玉爽，嚴(yán)登俊.城市路燈照明節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)照明電器，2009（10）：11-16.

[2]連永圣，程樹英.基于ZigBee的新型太陽(yáng)能 LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J].智能電網(wǎng)，2012（2）：10-15.

[3]段現(xiàn)星，鄭安平.光伏太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化，2011（7）：77-79.

[4]龍興民，周靜.太陽(yáng)能LED路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011（12）：105-109.

[5]Texas Instruments.CC2430 datasheet[Z].

[6]Jennic.ZigBee stack advanced user guide[Z].2008.