基于ZigBee的光伏照明控制系統(tǒng)設計

田裕康,馬雙寶

(武漢科技學院 電信學院,武漢 430073)

田裕康(講師),研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡。

引 言

光伏發(fā)電作為利用太陽能的主要方式,已經(jīng)得到廣泛的應用。光伏照明是一種獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)[1],主要用于城市和建筑物照明系統(tǒng)的建設和改造。目前,照明控制系統(tǒng)中多采用有線網(wǎng)絡方式[2],維護起來比較復雜,如何簡化施工、降低成本并實現(xiàn)遠距離控制是一個值得探討的問題。本文介紹了一種利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)光伏照明系統(tǒng)遠程監(jiān)控的方案,并給出了詳細的軟硬件設計。

1 光伏照明控制系統(tǒng)組成及工作原理

光伏照明控制系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和監(jiān)控計算機3個部分組成。

光伏發(fā)電系統(tǒng)由建筑頂部的太陽能電池板、鉛酸蓄電池組和光伏充電機構成。太陽能電池是照明系統(tǒng)的輸入電源,為照明系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。白天,在光照充足的條件下將所接收的光能轉換為電能,經(jīng)光伏充電機對蓄電池組充電;夜晚,蓄電池組將儲存的電能經(jīng)光伏充電機切換輸出到路燈負載。當光伏充電機對蓄電池組進行充電時,為延長蓄電池壽命,必須避免蓄電池處于過充電或者過放電的狀態(tài)。因此,需要對光伏充電機充電電流、電壓和發(fā)電量等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和保存,還要求能對路燈進行獨立的開關控制。

由于本系統(tǒng)中太陽能電池板位于圖書館頂部,監(jiān)控計算機處于相隔200 m的另外一個建筑物中,中間相隔了水池,如果采用有線通信方式則需要重新進行布線,施工復雜且成本較高,因此,采用無線通信網(wǎng)絡。無線通信方式不僅簡單靈活,無需考慮布線問題,還可以通過和其他總線通信方式的結合,實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸和路燈控制。采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)對充電機狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸;同時,監(jiān)控計算機可以通過無線網(wǎng)絡控制路燈的開關狀態(tài),實現(xiàn)了對充電機狀態(tài)的實時監(jiān)控和燈光控制效果。控制范圍在300 m以內,如果增加路由器,還可擴展到更遠的范圍。

ZigBee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[3],非常適合于低功耗和低數(shù)據(jù)量的短距離無線傳輸。ZigBee的低功耗特點限制了節(jié)點之間的通信距離(一般為70 m)。本系統(tǒng)中,節(jié)點之間的距離超過了其正常通信距離。有2種解決辦法:一種是通過增加路由器節(jié)點來擴大覆蓋范圍,缺點是增加硬件成本;另一種是利用PA(Power Amplification,功率放大)提高發(fā)射功率,該方法較為簡單且成本較低。本設計中采用后者來擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。

ZigBee設備可分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。FFD可以與 RFD或者FFD通信,而RFD只能和FFD通信;FFD可作為網(wǎng)絡協(xié)調器、路由器或終端設備,RFD只能作為終端設備。本系統(tǒng)中網(wǎng)絡協(xié)調器和監(jiān)控計算機通過RS485總線相連,負責建立、管理和維護網(wǎng)絡,控制其他節(jié)點接收數(shù)據(jù)等功能。路由器通過 RS485總線和光伏充電機相連,實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)的采集和控制,終端節(jié)點接收監(jiān)控計算機的命令控制路燈電源的開關。ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構支持星形(Star)、樹形(Cluster-tree)和網(wǎng)狀(Mesh)。為簡化設計,無線網(wǎng)絡采用樹形網(wǎng)絡拓撲,系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 光伏照明控制系統(tǒng)組成框圖

監(jiān)控計算機負責光伏數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)管理,通過RS485總線和安裝在戶外的網(wǎng)絡協(xié)調器進行通信。光伏充電機數(shù)據(jù)通過 RS485總線傳送到路由器節(jié)點,再由協(xié)調器轉發(fā)到監(jiān)控計算機。路由器還起到延長ZigBee網(wǎng)絡傳輸距離的作用。監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送命令給路由器,實現(xiàn)對充電機電源開關的切換控制。路燈供電線纜通電后,終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)調器對終端節(jié)點進行檢查,并將節(jié)點狀態(tài)傳輸給監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送命令給各個終端節(jié)點,控制各個節(jié)點路燈電源開關導通或者斷開,從而實現(xiàn)路燈的單獨或者分段照明控制。當需要實現(xiàn)景觀燈效果時,可通過監(jiān)控軟件設計向各個終端節(jié)點發(fā)送相應的控制命令。

2 硬件節(jié)點設計

考慮到無線通信系統(tǒng)中各個節(jié)點的功能不完全相同,為了方便硬件設計和降低成本,對硬件部分進行了模塊化處理。節(jié)點的核心部分為ZigBee通信模塊,設計成只負責RF收發(fā),其他部分由路燈開關模塊、電源和RS485通信模塊等構成。無線通信模塊采用支持ZigBee協(xié)議的超低功耗SoC芯片CC2430[4]。該芯片集成ZigBee射頻 RF前端、內存和微控制器,具有8位增強型8051 MCU、128 KB可編程閃存和8 KB的RAM,另外還包含A/D轉換器、定時器、AES128協(xié)處理器、看門狗定時器、休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。TI公司提供免費的ZigBee協(xié)議棧,可以方便地完成系統(tǒng)的硬件和軟件設計。

2.1 ZigBee通信模塊硬件設計

圖2為ZigBee通信模塊原理圖。經(jīng)過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),由于網(wǎng)絡協(xié)調器和其他節(jié)點之間距離較遠,只采用CC2430時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。為延長無線通信模塊的通信距離,又采用了 TI公司的高性能射頻前端CC2591[5]。CC2591可提供22 dBm的輸出功率,能夠與CC2430無縫連接,射頻輸入/輸出之間不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡。簡單起見,圖中沒有給出電源和退耦電路、GPIO、JTAG等部分,空余引腳通過排座引出以便與其他模塊連接。

圖2 ZigBee通信模塊原理圖

CC2591的HGM引腳為增益控制,當它為高電平時處于高增益模式;EN和PAEN為高電平時CC2591工作在正常模式,為低電平時進入低功耗模式。R1、R2為偏置電阻,為晶體振蕩器提供合適的工作電流。天線采用50Ω鞭狀天線。由于ZigBee模塊工作在2.4 GHz頻段,對PCB設計要求很高,PCB板材、元件封裝、布局和布線必須參照TI公司的參考設計。特別是天線阻抗匹配部分,在布線中應直接采用TI公司提供的GERBER文件,復制其PCB布線方式才能保證CC2591的高性能和穩(wěn)定性。另外,PCB的電源退耦和地線處理也非常重要,退耦電容應盡可能接近電源引腳,PCB空余的部分需進行覆銅接地處理,在頂層和底層覆銅之間按照一定的間隔用過孔相連。

2.2 協(xié)調器和路由器硬件設計

由于協(xié)調器和路由器都需要通過RS485總線和其他設備進行遠距離通信,因此需要設計 RS485通信模塊與ZigBee通信模塊相連。通信模塊采用MAX485和光耦實現(xiàn),MAX485通過CC2430的P0.5腳完成RS485收發(fā)控制。CC2430電源采用LT 1117-3.3等芯片供電。在Zig-Bee協(xié)議中,網(wǎng)絡協(xié)調器負責建立網(wǎng)絡和實現(xiàn)路由控制等功能,因此必須保持工作狀態(tài),保證數(shù)據(jù)采集的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中,網(wǎng)絡協(xié)調器和路由器正常工作時采用外部交流電源供電。當外部交流電源掉電時,通過微處理器監(jiān)控芯片ADM690實現(xiàn)電源切換,利用電池組對其供電,以保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定工作。ADM690具有低功耗、低導通電阻和大電流輸出等特性,非常適合實現(xiàn)微處理器的電池后備功能。該電路設計如圖3所示。其中,R1為充電限流電阻,在外部電源正常時可以對電池涓流充電。

圖3 電池后備電路

2.3 終端節(jié)點硬件設計

終端節(jié)點的功能是接收協(xié)調器發(fā)送的指令控制路燈開關。其電源是在監(jiān)控計算機發(fā)送命令到光伏充電機對路燈供電線纜供電之后提供,因此硬件部分不需要電池后備功能、光伏照明系統(tǒng)中供電電壓為直流220 V,終端節(jié)點電源部分采用DC—DC開關電源產生5 V直流供電,路燈開關控制則通過CC2430的GPIO和三極管控制繼電器實現(xiàn)。由于 CC2430只有引腳P1.0和P1.1具有20 m A的驅動能力,而其他引腳最大驅動電流為 4 m A,所以使用SN74HC04D作為輸出緩沖。其原理圖如圖4所示。

圖4 路燈開關電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括ZigBee協(xié)調器節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序、終端節(jié)點程序和監(jiān)控計算機程序。監(jiān)控計算機程序實現(xiàn)對光伏照明系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理,LED路燈通斷控制,以及與之相連的另外一套光伏發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。監(jiān)控計算機與協(xié)調器節(jié)點通信通過二進制編碼的方式進行通信,每隔5 s發(fā)送1次采集命令。其數(shù)據(jù)包格式如下:

數(shù)據(jù)包包頭數(shù)據(jù)長度命令類型 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)校驗(CRC)

其中,數(shù)據(jù)包包頭(HEADER)占2字節(jié),可設置為0x81、0 x82,用于區(qū)分是計算機數(shù)據(jù)包輸出還是數(shù)據(jù)包輸入;數(shù)據(jù)長度(LENGTH)為1字節(jié);命令類型包括充電機數(shù)據(jù)采集、路燈開關狀態(tài)采集、環(huán)境參數(shù)采集等;數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由LENGTH指定;數(shù)據(jù)CRC校驗占1字節(jié)。

ZigBee節(jié)點程序是在 TI公司提供的ZStack-1.4.3-1.2.1協(xié)議棧的基礎上編寫的,可以實現(xiàn)網(wǎng)絡建立、節(jié)點加入和退出、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｔ搮f(xié)議棧將應用層和堆棧層進行了分離,提供了類似于操作系統(tǒng)的運行機制(OSAL)(主要包括任務的注冊、初始化、啟動,任務間的消息交換,任務同步,中斷處理,以及時間管理和內存分配等),具有很好的可移植性。

節(jié)點程序流程如圖5所示。當對硬件和協(xié)議棧各層初始化后,采用有限狀態(tài)機以事件輪詢方式對事件進行處理。如果同時有幾個事件發(fā)生 ,則判斷事件優(yōu)先級后逐次處理。該協(xié)議棧提供了豐富的API函數(shù)供用戶調用,這種軟件構架可方便地構造用戶應用程序。由于對終端節(jié)點的供電是由光伏充電機根據(jù)監(jiān)控計算機的命令來控制,因此在正常情況下終端節(jié)點每天都會加入和退出網(wǎng)絡。

ZigBee節(jié)點之間的通信有兩種尋址方式,分別通過固定的64位IEEE地址和16位網(wǎng)絡地址來尋找網(wǎng)絡設備。當節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡時,它可以通過協(xié)調器隨機獲取唯一的16位網(wǎng)絡地址。光伏照明系統(tǒng)要求能按照路燈的編號任意控制其點亮或者關閉,而要與特定節(jié)點通信必須采用IEEE地址,故利用TI公司提供的SmartRF軟件對ZigBee節(jié)點的64位IEEE地址進行人工分配。協(xié)調器向終端節(jié)點傳送數(shù)據(jù)使用AF_DataRequest()函數(shù)實現(xiàn),該函數(shù)需要節(jié)點的網(wǎng)絡地址作為參數(shù),通過IEEE地址獲取 16位網(wǎng)絡地址的功能由NLME_GetShortAddr()函數(shù)實現(xiàn)。程序設計中,在應用層添加用戶所需要的任務,對接收到的事件進行處理。節(jié)點在啟動時需完成以下工作:初始化CC2430和協(xié)議棧;幫助協(xié)調器節(jié)點建立ZigBee網(wǎng)絡,設置網(wǎng)絡PAN ID,等待其他節(jié)點加入網(wǎng)絡;對監(jiān)控計算機傳送的命令進行解析和轉發(fā);讀取路由器和各個終端節(jié)點發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù),并轉發(fā)給監(jiān)控計算機處理。

配置ZigBee設備對象(ZDO)端點時,網(wǎng)內的所有節(jié)點其端點ID和端點描述符必須相同,否則節(jié)點之間不能進行通信。圖5的程序流程主要是針對用戶事件處理(包括串口事件、數(shù)據(jù)傳送事件、定時器事件等),路由器和終端節(jié)點的程序設計流程類似,分別在用戶事件中根據(jù)協(xié)調器發(fā)送的命令類型完成充電機狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、回傳,以及路燈開關控制。

圖5 節(jié)點程序流程

結 語

將ZigBee無線網(wǎng)絡用于光伏照明系統(tǒng)控制,具有通信距離遠、成本低,維護方便等優(yōu)點,控制路燈總數(shù)可達64盞,覆蓋范圍大于300 m,并可以進一步擴展。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于建設部太陽能建筑應用示范工程,且通過建設部驗收。

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