基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏照明故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭剛彬，鄒家賢，冷 潔，劉 嵩，羅 敏

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路照明、燈飾工程等逐漸受到重視，在交通、通信、人們?nèi)粘Ｉ畹阮I(lǐng)域形成了數(shù)量巨大、錯(cuò)綜復(fù)雜的照明網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，光伏照明的電能消耗和設(shè)備損耗也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的光伏照明系統(tǒng)通訊程度差，故障監(jiān)測(cè)主要采用人工排查的方式，這無(wú)疑會(huì)增加工作人員的勞動(dòng)量和工程的復(fù)雜度，給光伏照明系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來(lái)很大困難，也給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了諸多的不便。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用無(wú)線傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的精確定位和智能監(jiān)測(cè)，工作人員只需通過(guò)手機(jī)、電腦等網(wǎng)絡(luò)終端就可方便了解照明設(shè)備的工作狀態(tài)，減少了人力、物力的投入，從而使得故障監(jiān)測(cè)更為人性化。

1 物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)介紹

物聯(lián)網(wǎng)是指各種終端設(shè)備和設(shè)施，在專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，通過(guò)無(wú)線或有線的方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供個(gè)性化的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管控一體化。而ZigBee 技術(shù)被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快，市場(chǎng)前景最廣闊的十大新技術(shù)之一，也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最關(guān)鍵的技術(shù)之一［1］。它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。其Z－Stack 協(xié)議棧具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，主要由物理層(PHY)、介質(zhì)接入控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)及應(yīng)用層(APL)組成。在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過(guò)編譯以上協(xié)議即可輕松定義各個(gè)單元的作用。

2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本系統(tǒng)由ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及信息處理中心組成，主要實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與信息處理中心之間的數(shù)據(jù)交換和信息處理。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.1 信息處理中心

信息處理中心主要包括中央處理器、顯示器、外部存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等部分，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，相關(guān)組件功能描述如下:

圖2 信息處理中心結(jié)構(gòu)示意圖

1)中央處理器:中央處理器作為數(shù)據(jù)處理的核心單元，主要由高性價(jià)比的STM32F103ZET6 承擔(dān)，其工作頻率可達(dá)72 MHz，具有可移植的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS 和通用的文件系統(tǒng)模塊FatFs，因此可以輕松勝任各種繁多的數(shù)據(jù)處理。其實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理與顯示、信息存儲(chǔ)、指令發(fā)送與接受等功能。

2)顯示器:本系統(tǒng)的顯示器應(yīng)用μC/GUI 圖形支持系統(tǒng)，結(jié)合觸屏操作、彩色顯示等功能，使得顯示和操作更為人性化。

3)外部存儲(chǔ)器:中央處理器通過(guò)掛載一個(gè)外部存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)單元工作信息的本地備份，工作人員就可以通過(guò)此備份查閱相關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，進(jìn)而有針對(duì)性地實(shí)施維護(hù)。

4)串口通信模塊:其主要采用RS－232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換芯片MAX232 來(lái)完成中央處理器與ZigBee 協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)互傳，從而實(shí)現(xiàn)了信息處理中心與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)之間的有線通信。

5)時(shí)鐘電路:本部分采用低功耗時(shí)鐘芯片DS1302 來(lái)為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間，從而達(dá)到故障數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間同步記錄的目的。

6)網(wǎng)絡(luò)模塊:該模塊主要是利用以太網(wǎng)控制器ENC28J60 將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作信息定時(shí)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，工作人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可了解相關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

2.2 ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器、終端三種功能節(jié)點(diǎn)組成，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的采集、傳輸以及執(zhí)行由中央處理器發(fā)送的指令［2］。

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

三種功能節(jié)點(diǎn)硬件部分均以CC2530 為核心處理器，包括天線電路、太陽(yáng)能電池板和蓄電池等模塊，其中協(xié)調(diào)器增加了一個(gè)串口通信模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與中央處理器的信息交換;終端增加了工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路和照明控制模塊。下面將以終端節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行詳述，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

1)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路:本部分主要包括照明設(shè)備、蓄電池、太陽(yáng)能電池板三個(gè)部分的工作狀態(tài)檢測(cè)。照明設(shè)備的檢測(cè)是通過(guò)光敏傳感器實(shí)現(xiàn)，蓄電池、太陽(yáng)能電池板工作狀態(tài)的檢測(cè)是利用CC2530 芯片片內(nèi)自帶的8 路高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再配合少量的采樣電路實(shí)現(xiàn)。

2)天線電路:本部分采用功率放大芯片CC2591 以及CC2530 芯片片內(nèi)的調(diào)制解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)，可以完成400 m 距離的無(wú)線傳輸。

3)照明控制電路、太陽(yáng)能電池板、蓄電池:此部分運(yùn)用當(dāng)前日趨成熟的太陽(yáng)能采集與存儲(chǔ)技術(shù)和照明控制技術(shù)。

2.2.2 工作機(jī)理本系統(tǒng)是依靠以上三種功能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，其通信組合方式有:協(xié)調(diào)器與路由器之間的通信，路由器與路由器之間的通信以及路由器與終端之間的通信。除了具有通信功能外，它們各自還有不同的特點(diǎn)，其中協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)啟動(dòng)和建立整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，路由器負(fù)責(zé)其它路由器及終端加入或退出該網(wǎng)絡(luò)，終端則負(fù)責(zé)照明設(shè)備的控制和狀態(tài)檢測(cè)。當(dāng)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口UART 接受到中央處理器發(fā)送的指令時(shí)，協(xié)調(diào)器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)路由器將指令傳送到指定終端節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行。同時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將各個(gè)單元的工作信息經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器最終到達(dá)中央處理器，從而實(shí)現(xiàn)了中央處理器與終端之間的信息交互。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括三層數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu):終端與協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)交換、協(xié)調(diào)器與中央處理器的數(shù)據(jù)交換、中央處理器與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。為此本系統(tǒng)為每一層數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換格式。在系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器只有一個(gè)，終端有多個(gè)，因而需要設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播包，廣播包的內(nèi)容如表1所示。BIT［15:14］為命令類型，CMD［1:0］用來(lái)表示燈的開(kāi)關(guān)命令，CMD［1:0］為00:表示全關(guān)，01:表示全開(kāi)，10:單點(diǎn)關(guān)，11:單點(diǎn)開(kāi)。D［13:0］表示單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。

表1 協(xié)調(diào)器發(fā)送給終端的數(shù)據(jù)格式

終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，傳輸?shù)男畔ńK端節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)、當(dāng)前各個(gè)節(jié)點(diǎn)每部分的工作電壓等信息。

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序代碼主要是在ZStack－CC2530－2.3.0－1.4.0 協(xié)議棧的架構(gòu)上編寫(xiě)的。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)交換的任務(wù)，其首先建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，而后一直處于工作狀態(tài)，并按一定的周期查詢是否有中央處理器發(fā)來(lái)的控制命令，如有控制命令，則通過(guò)路由器將命令發(fā)送到各終端節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行。路由器作為網(wǎng)絡(luò)的中繼站，當(dāng)收到來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，路由器將根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型向指定的目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。終端節(jié)點(diǎn)用于對(duì)光伏照明設(shè)備的控制和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)不正常時(shí)，終端通過(guò)多跳路由向中央處理器報(bào)告相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的故障信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述分析及原理，本系統(tǒng)的界面顯示主要包括:光伏照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、太陽(yáng)能電池板的工作狀態(tài)、蓄電池的工作狀態(tài)、燈泡的工作狀態(tài)以及有無(wú)故障等信息。用戶還可以通過(guò)右側(cè)的“向上、向下”按鍵來(lái)翻看其他節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。如果其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能電池板、照明設(shè)備、蓄電池中有一個(gè)或多個(gè)的電壓出現(xiàn)異常，該節(jié)點(diǎn)就將各個(gè)單元的工作狀態(tài)以及位置信息反饋回中央處理器并將故障信息以紅色字體顯示在觸摸屏上，從而使用戶方便地了解節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并有針對(duì)性地實(shí)施維護(hù)，其工作狀態(tài)顯示界面如圖4 所示，其中1、3 為故障節(jié)點(diǎn)。

圖4 工作狀態(tài)顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏照明系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)具有成本低、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息定時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、傳輸和顯示，減輕了工作人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的單燈監(jiān)測(cè)能力。若將本系統(tǒng)延伸到路燈、庭院燈、交通指示燈、無(wú)人值守中繼站等偏遠(yuǎn)或者數(shù)量較大的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確化管理，因此本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)效應(yīng)。

［1］王穎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市路燈無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.山西電子技術(shù)，2012(6) ：36－39.

［2］高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee 技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.