基于CC2530的無線自組網太陽能路燈控制系統

劉玉良，楊偉明，張志允

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

基于CC2530的無線自組網太陽能路燈控制系統

劉玉良，楊偉明，張志允

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

為解決現有太陽能路燈控制器硬件成本高、通信效果差等問題，基于美國德州儀器公司ZigBee模塊CC2530設計了具有無線自組網功能的太陽能路燈系統．詳細闡述系統的硬件設計和上位機、下位機軟件設計．在控制器電壓、電流采集電路應用了負阻轉換器(NIC)設計，使蓄電池電壓可更真實地反饋到運算放大器的反向輸入端；過采樣技術的運用使采集到的電壓、電流值更精確．現場測試結果表明，該系統不僅實現了無線自組網絡、數據采集、控制等功能，而且提高了通信質量，降低了系統的制造成本．

無線自組網；太陽能路燈控制器；Z-STACK；狀態機

光伏照明作為新能源、新光源領域的新興產業，能提供夜間道路照明，其不消耗電網電能、不架設輸電線路、不污染環境、產品附加值高．在穩定國際市場的同時，大力開拓國內市場，光伏照明發展的前景廣闊[1–3]．

光伏照明的主要應用就是太陽能路燈．現有的太陽能路燈控制器一般為單機版和網絡版．單機版通常按照獨立光伏系統設計．控制器只監測本路燈的太陽能電池板、蓄電池電壓，采用電流控制路燈的開啟、關閉，多采用恒流模式充電．這種單機版的控制器不能實時監測太陽能路燈的狀況，例如燈具損壞、太陽能電池板損壞等故障，要由巡視人員進行定期檢查，提高了太陽能路燈的維護成本．網絡版太陽能路燈控制器利用Internet網絡或手機網絡對路燈系統工作狀況進行遠程監控和匯總[4–7]．由于Internet網絡需要鋪設網絡線路，應用場合受限制．手機網絡需配置的無線通信設備及通信費用的成本較高，實用性不好．楊超等[8]提出利用無線自組網來控制太陽能路燈系統，通過分離的控制器與無線透傳自組網節點實現路燈系統的自動控制．在系統實現過程中，每個太陽能路燈配備1個控制器和1個無線節點．控制器僅僅作為1個多節點控制終端，成本較高，而且控制器與無線自組網節點間的串口通信干擾較大，通信效果不好．

近年來，一種短距離、低功耗的無線通信網絡模塊——ZigBee模塊在自動控制領域得到了迅速的應用．本文基于美國德州儀器公司CC2530F256微控制器設計了無線自組網太陽能路燈控制系統，具有數據采集、終端控制和自組網功能，能實時監控太陽能路燈系統的工作，同時降低了硬件成本，提高了通信質量．

1 系統工作原理

無線自組網太陽能路燈控制系統結構如圖1所示．系統由上位機與ZigBee無線路燈網絡組成．上位機與ZigBee無線路燈網絡通過協調器相連；協調器通過ZigBee協議接收無線路燈網絡上傳的數據，然后通過RS–232與上位機通信，并接收上位機控制命令下發給無線路燈網絡．

圖2 太陽能路燈控制器節點結構框圖Fig. 2 Structure diagram of the solar energy streetlight control unit

上位機監控系統具有路燈監控、控制參數設置、ZigBee無線數據通信等功能；此外，可根據需要打開或關閉單燈、組燈，可通過控制單燈電流，達到節能目的；可對路燈模塊數據通信超時、狀態出錯、燈具故障等進行報警，可報告故障路燈的位置，以便及時維修，保證燈亮率．

協調器負責網絡的建立及參數配置．組建網絡包括網絡初始化及節點加入網絡2個主要步驟[9]．

圖1 無線自組網太陽能路燈控制系統結構框圖Fig. 1Structure diagram of the solar energy streetlight control system based on wireless Ad Hoc network

太陽能路燈控制器節點是無線路燈網絡的重要組成部分．節點由太陽能電池板、太陽能路燈控制器、蓄電池和燈具等組成，如圖2所示．

太陽能路燈控制器在無線自組網太陽能路燈系統中起重要作用，其控制功能有：(1)當外界光照條件符合要求時，控制太陽能電池板向蓄電池充電，當光照條件變化時，如黑夜或自然照明條件差時，控制蓄電池向負載供電；(2)通過對太陽能電池板和蓄電池電量進行精確檢測，防止蓄電池過充與過放，延長蓄電池使用壽命；(3)通過時控與人工控制確定路燈負載情況，使路燈工作更加人性化，從而延長系統的使用壽命，節約能源；(4)控制路燈節點穩定運行、自動加入無線網絡、接收并執行上位機的控制命令、上傳節點數據．

2 硬件設計

無線自組網太陽能路燈控制系統的控制器采用CC2530F256．它提供了1個真正的片上系統(SoC)解決方案，能夠以較低的成本建立強大的網絡節點，其整合了領先的RF收發器、增強型8051CPU、強大的AES-128安全加密功能、2個可支持多種串行通信協議的USART、具有12位分辨率可配置的ADC和8路輸入，并且具有不同的運行模式，使得此控制器尤其適應超低功耗要求的系統．由于具有高集成度和強大的功能，使得CC2530F256只需很少的外圍設備，就可搭建無線自組網絡系統．

系統采用閥控密封式鉛酸(valve-regulated lead acid，VRLA)蓄電池，整體密封，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現象，安全可靠、使用壽命長．但是，過充電會引起VRLA蓄電池正極析氧，促使活性物質與板柵結合力變壞，導致蓄電池容量下降．過放電還會導致VRLA蓄電池表面生成PbSO4結晶，降低極板活性物質的孔率，縮短使用壽命．所以，控制器必須具有良好的防過充、過放電功能．

2.1 VRLA蓄電池閾值電壓溫度補償

圖3 VRLA蓄電池充、放電電路Fig. 3 Circuit of charge and discharge of the VRLA

VRLA蓄電池的閾值電壓與溫度有很大關系，充電器的輸出電壓必須隨VRLA蓄電池的電壓溫度系數改變．系統采用DS18B20數字溫度傳感器，將DS18B20通過液態硅膠緊貼在VRLA蓄電池表面采集VRLA蓄電池外殼的表面溫度．VRLA蓄電池的充電閾值電壓補償系數a為－4mV/(℃·單體)，補償后閾值電壓[10]為Uh＝U＋an(t－25)，其中U為25℃時的標準閾值電壓，t為VRLA蓄電池外殼的表面溫度，n為串聯單體數．

2.2 VRLA蓄電池充、放電電路

VRLA蓄電池充電電路工作在浮充、均充、停止充電狀態，并在浮充、均充、停止充電間自動切換．VRLA蓄電池放電電路工作在穩流放電、停止放電狀態，并當蓄電池低于放電電壓時自動切換到停止放電狀態. VRLA蓄電池充、放電電路如圖3所示．

運算放大器U2A、U2B、U2C，U2D，大功率達林頓三極管Q1，三極管Q2、Q3、Q4等組成蓄電池充電電路．其中Q4由程序控制，從而控制充電電路是否工作：當K1輸入高電平，Q4飽和導通，充電電路正常工作；當K1輸入低電平，Q4截至，關閉充電電路[11]．

運算放大器U2C用來消除電流取樣電阻R11上的壓降對蓄電池電壓測量的影響，它與R6、R7組成負阻轉換器(NIC)[12]，以提高蓄電池電壓采樣精度．R11上的壓降為正，U2C與R5、R6、R7組成反向差動放大器，輸出電壓為負，目的是在AD1的取樣信號中減去R11上的壓降，采集到真實的蓄電池電壓值．輸出電壓經R3、R4組成的分壓電路由AD1輸出做相應處理，同時送入U2A反向輸入端，完成充電電壓調節[13]．

充電電路中電壓調整三極管Q1的輸出電壓為

R11上的電壓為

蓄電池電壓為

將式(1)、式(2)代入式(3)得

設Uh為VRLA蓄電池溫度補償后浮充電壓值，Iq為蓄電池均充電流值．設置Upwma＝Uh，當UBat＞Upwma時，U2A工作在比較器狀態，U1A輸出低電平，截止，充電停止，實現防過充功能；當UBat＜Upwma時，U2A工作在線性放大器狀態，此時U2A輸出控制Q2實現浮充功能；當UBat?Upwma時，U2A工作在比較器狀態，U1A輸出高電平，飽和導通，此時由Upwmb(運算放大器U2B輸入端的電壓)控制Q3，實現均充．

U2B、U2D與三極管Q3等組成穩流電路．取樣電阻R11上流過的電流與U2D組成跨阻放大器，輸出電壓送入由U2B組成的反向放大器，完成電流調節和均流充電，電流值由式(4)得出．

充電電路工作在浮充、均充是由微控制器通過AD4端口測量運放U2A輸出電壓進行控制的，當U2A輸出電壓＞11V，Q2工作在飽和導通狀態，充電模式為由Upwmb控制的均充．當U2A輸出電壓＜1V時，充電模式為由Upwma控制的浮充模式．

由U1A、U1B、Q5、Q6、Q7、Q8等組成的放電電路可工作在穩流放電、停止放電狀態．當蓄電池低于放電電壓時，自動切換到停止放電狀態，工作原理與充電電路原理相同．

3 軟件設計

軟件設計包括上位機監控軟件與下位機軟件．下位機軟件包括路燈控制器節點軟件和協調器軟件，路燈控制器節點軟件實現數據采集、接收并轉發數據的路由功能；協調器軟件實現組網，按照ZigBee協議接收無線網絡中節點數據并通過RS–232與上位機監控軟件進行數據交互．

3.1 下位機軟件

下位機軟件基于Z-STACK協議棧進行開發，ZSTACK協議棧提供名為操作系統抽象層OSAL的協議棧調度程序，其庫代碼封裝了ZigBee協議棧的實現細節，向開發人員提供ZigBee協議描述的各層功能組件模塊的API接口．開發人員在協議棧調度程序中調用API接口進行應用程序開發，Z-STACK底層封裝了自動組建網絡、加入節點、數據收發等功能，其應用程序開發包括為3個步驟：(1)應用程序涉及的軟、硬件初始化編碼；(2)在Z-STACK協議棧中注冊該事件編碼；(3)在合適的地方調用功能函數編碼．在協議棧中，每個任務都是1個事件，且有相應的標志位．協議棧以任務輪詢方式工作，輪流查詢所有標志位，若標志位有效，則調度程序執行該任務事件處理函數；若同時有多個事件發生，則調度程序根據優先級順序執行相應事件處理函數．圖4為ZSTACK協議棧工作流程．

圖4 Z-STACK 協議棧工作流程Fig. 4 Working process of the Z-Stack

應用軟件是在Z-STACK提供的示例工程SampleApp.eww基礎上開發的．首先在APP文件夾中SampleApp.c與SampleApp.h中用戶添加事件初始化函數，包括定時器、I/O口、ADC、PWM初始化和事件處理函數；其次在SampleApp_Init()函數中調用應用程序初始化函數與注冊任務號，進行功能初始化并把相應的事件號添加到協議棧的事件數組中；最后根據要求觸發該事件來調用用戶功能函數，把采集到的數據通過void SampleApp_ SendPeriodicMessage(void)函數發送出去，或者將通過void SampleApp_ MessageMSGCB(afIncoming MSGPacket_t *pkt)函數接收到的數據進行解析、處理．

在事件處理函數中，對電壓、電流數據采集應用過采樣技術．過采樣是犧牲速度來換取分辨率的軟件手段，在軟件中將1個和采樣頻率相關的PWM白噪聲疊加到輸入端，按照過采樣理論，增加4倍采樣可提高1位分辨率，增加256倍采樣，理論上可提高4位分辨率，此時ADC每秒采樣4,000次，能夠滿足系統需要．采用過采樣技術使CC2530片上ADC的分辨率由12位提高到16位[14–15]，大大提高了數據采集的精度．

編譯SampleApp工程后，通過CoodinatorEB-Pro下載程序到協調器中．協調器運行軟件后，能夠自動加入無線網絡，收發無線自組網絡中數據，也能夠通過串口與上位機進行數據交互．

3.2 上位機軟件

在上位機軟件中主要實現了以下3個功能：

(1)協調器與上位機監控軟件通過RS–232串口通信．首先把SerialPort控件添加到主窗口中，選擇DtaReceived事件生成SerialPort1_DataReceived()函數，初始化串口屬性．DataReceived事件是在輔線程被觸發的，當接收到1條完整的數據返回主線程中處理時，需要進行跨線程處理．程序采用同步委托方法Invoke．首先聲明委托delegate void mydelegate1 (StringBuilder sb)，其次定義1個委托實例并實例化委托對象mydelegate1mydelegate＝new mydelegate1 (updateReceiveSB)，然后定義1個實例方法private void updateReceiveSB(StringBuilder sb)，最后進行調用this.Invoke(mydelegate，sb)．

(2)協調器與上位機監控軟件之間傳輸數據的編碼與解碼，解析出控制命令與數據．監控軟件處理協議數據時采用有限狀態機模式，把復雜的協議數據分解成有限個穩定的狀態，在每個狀態上判斷事件，將連續處理變為離散數字處理，符合計算機的工作特點，同時因為有限狀態機具有有限個狀態，所以在實際的工程中更容易實現．

(3)實時對上傳的數據進行解析，并根據解析的控制命令字和數據進行快速響應處理，程序采用事件觸發方式對采集到的數據進行實時處理．以上傳模塊控制測試數據事件為例：

首先定義委托public delegate void delegateRequestUploadModuleTstData(string recStr)；

定義事件public event delegateRequestUpload-ModuleTestData eventRequestUploadModuleTestData；

定義事件觸發函數public void requestUpload-ModuleTestDataFun(){

eventRequestUploadModuleTestData(_recStr)；}.

然后，在可能有該事件產生的窗口中注冊該事件mainform.eventRequestUploadModuleTestData＋＝ret-SuccessRequestUploadModuleTestData. 其中retSuccessRequestUploadModuleTestData為該事件處理函數.

最后，在產生該事件的地方調用事件觸發函數requestUploadModuleTestDataFun()．

4 測試實驗

基于CC2530無線自組網太陽能路燈系統方案已在常州某太陽能電池板公司的廠區道路進行了性能測試，包括無線自組網測試和遠程控制測試．廠區鋪設太陽能路燈的道路寬約10m，兩路燈間距約40m，共50盞路燈、1臺上位機與1個協調器組成測試系統．

無線自組網測試分別在晴天、霧天、陰天和雨天4種天氣條件下進行．為了簡化測試，在測試自組網絡成功率時屏蔽了傳感器數據發送環節．測試表明，在實驗條件下節點的組網成功率均達到100%．

進行遠程控制測試實驗時，廠區的車輛較少，基本上沒有障礙物，在上位機操作界面對太陽能路燈的平均響應時間進行測試．將50個路燈節點平均分為5組，進行了全開、全閉、組開、組閉、單燈控制和上傳數據6項控制，結果見表1．

表1 太陽能路燈遠程控制測試結果Tab. 1Result of remote control test of the solar energy streetlight control system

測試結果表明：該設計性能組網穩定，在有效距離內，能準確控制路燈的亮與滅；電路設計和通信方式的改進，使得控制器的利用率較高，降低了硬件成本，也明顯改善了組網、數據傳輸通信質量；系統實現了數據采集、控制等功能，提高了設備的智能化控制程度，方便對照明系統進行管理．

5 結 語

本文以ZigBee模塊CC2530為控制核心，實現了無線自組網太陽能路燈系統設計，實現了過充、過放保護和溫度補償功能，并進行了測試．設計中利用電流采樣電阻分壓技術進行補償，使得測量值更接近蓄電池端電壓．利用過采樣技術，進一步提高了電壓測量精度．由于硬件結構和通信方式的改進，控制器的利用率較高，降低了硬件成本，也明顯改善了通信質量．

該無線自組網系統不僅可以應用在太陽能路燈控制，還可以推廣應用到農業節水灌溉、池塘水產養殖等無人值守現場的監測和控制．

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責任編輯：常濤

Solar Energy Streetlight Control System Based on Wireless Ad Hoc Network with CC2530

LIU Yuliang，YANG Weiming，ZHANG Zhiyun
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

In order to solve the problem of high costs，poor communications effect of the solar energy streetlight control system，a new design of control system with wireless Ad Hoc network was developed based on TI CC2530 model. The hardware and software of the system were described. The design of controller adoption NIC was applied in order to calculate the battery voltage feed back on the inverting input of the amplifier more accuratly. Over sampling was also used to make the measurement more precise. Field test showed that the new system can not only realize the function of wireless Ad Hoc network and better data collection，but also reduce the cost of the system greatly.

wireless Ad Hoc network；solar energy streetlight control system；Z-STACK；state machine

TK513

A

1672-6510(2014)01-0059-06

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.01.012

2013–10–12；

2013–11–13

天津市高等學校科技發展基金資助項目(20130707)；天津科技大學科學研究基金資助項目(20110123)

劉玉良（1972—），男，河北遷安人，副教授；通信作者：楊偉明，實驗師，yangwm@tust.edu.cn.