基于雙組網模式的太陽能路燈控制系統

王衍龍，章 杰，林培杰，賴松林，陳金伙，程樹英

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

在城市現代化高速發展的大背景下，人們對城市道路照明系統的要求越來越高，道路照明系統的發展不再僅僅是圍繞道路交通安全和城市美化兩個方面，而更需要在高效節能、低碳環保方面有更多突破[1]。面對節能環保方面的緊迫問題，太陽能LED路燈漸漸得到了世界各國的高度關注，也逐漸在道路照明領域得到認可和廣泛應用。然而，隨著太陽能LED路燈數量的不斷增多，對路燈的集中管理、監控和維護成為了一個急需解決的問題[2-3]。本文提出將ZigBee技術和RS-485總線應用在太陽能LED路燈中，實現對路燈的遠程控制與管理。

本文所提出的遠程控制系統使用ZigBee技術作為主要通信方式，實現路燈自組網；并支持將RS-485總線網絡作為備用通信方式。在供電方面，以太陽能蓄電池供電為主；同時也留出市電供電接口，在蓄電池電量不足時直接切換至市電供電。因此，本文提出的是一個兼顧低功耗、高穩定性、低復雜度的系統設計。

1 總體設計

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準制定的一種短距離、低功耗的無線個人網絡通信協議，具有近距離、低復雜度、自組網、低功耗、低數據速率及低成本等特點。ZigBee協議棧由4個層組成，分別為物理層、MAC層、網絡層和應用層，如圖1所示。相比于常見的無線通信標準，ZigBee協議實現起來緊湊而簡單，無需人為操作就能實現設備的自組網。基于以上ZigBee的各種技術優勢，本文將采用該技術作為路燈組網的主要技術[4]。另外，在路燈端和上位機端都加入RS-485接口，使用可長距離、多點通信的RS-485總線網絡作為該系統的一種備用通信方式。

圖1 ZigBee體系結構模型

本文設計的太陽能LED路燈遠程控制系統采用了ZigBee和RS-485兩種通信方式，實現了無線控制為主、有線控制為輔的控制方法，總體設計如圖2所示。在上位機部分，用戶可以通過PC上的主控界面與ZigBee網絡或RS-485網絡進行數據通信，達到控制路燈和反饋數據的目的。在路燈節點部分，ZigBee節點同樣與ZigBee網絡或RS 485總線網絡進行通信，處理收到的命令或數據，繼而控制太陽能LED路燈控制器，最終達到控制路燈開關、功率和采集路燈狀態的目的。

圖2 總體設計框圖

2 硬件設計

2.1 路燈節點主控芯片

在路燈節點部分，主控芯片需要實現4個功能，即與ZigBee網絡和RS-485總線通信、處理各種數據與命令、通過控制器控制太陽能LED路燈和采集路燈狀態。對此，本設計采用TI公司的CC2430芯片作為節點的主控芯片。CC2430是一顆真正的片上系統芯片（SoC）CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能，并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，以及對低成本、低功耗的要求。它結合了一個高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器[5]。節點硬件設計框圖如圖3所示。

圖3 節點硬件框圖

在圖3中，無線信號通過天線收發，天線連接至CC2430的RF收發端；RS-485有線信號通過RS-232/RS-485轉換器后直接與CC2430的串口0相連；在輸出控制信號部分，通過芯片的通用I/O口輸出控制信號至太陽能LED路燈控制器；而電壓的狀態采集將使用CC2430的片內ADC通道，對電壓進行A/D轉換。

2.2 控制電路

控制電路部分由太陽能/市電供電模塊、控制模塊和恒流源3大部分組成，設計框圖如圖4所示。

圖4 控制電路設計框圖

太陽能LED路燈的開關和功率調節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，L輸出100%功率；A+端接電源負極時，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開關三極管S8050驅動繼電器，進而控制兩路輸出電壓，最終通過恒流源控制LED路燈的開關和功率。

圖6 路燈控制電路

2.3 芯片供電

在節點的硬件電路中，由于需要給主控芯片CC2430和RS-232/RS-485轉換器供電，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5 V部分，為了提高效率，減少發熱，設計中使用LM2596T-5.0開關穩壓芯片輸出5 V電壓；在5 V轉3.3 V部分，使用一塊三端穩壓芯片LM1084T-3.3，通過線性穩壓的方式輸出3.3 V電壓。

圖7 芯片供電電路

3 軟件設計

對于ZigBee軟件部分，應用程序在Z-Stack協議棧基礎上開發。Z-Stack是TI公司推出的ZigBee協議棧，其符合ZigBee 2006規范，支持多種平臺，包括基于CC2420收發器和TI MSP430超低功耗MCU的平臺、CC2430 SoC平臺等[6]。Z-Stack是一種包含了網狀網絡拓撲的幾近于全功能的協議棧，在競爭激烈的ZigBee領域占有十分重要的地位。進行應用開發時，只需在ZStack的應用層上添加自己的事件處理任務，方便高效。圖8為Z-Stack的協議棧架構圖。

圖8 Z-Stack協議棧架構

本設計中，軟件部分包含了ZigBee協調器軟件和ZigBee終端節點軟件，它們共同實現串口收發、數據傳輸和控制管理的功能。在Z-Stack開發中，首先要在osalAddTasks（）函數中加入自己的任務，再在該任務的初始化函數和處理函數中寫入相應的處理代碼。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的。終端設備和協調器的程序流程圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 終端節點程序流程圖

圖10 協調器程序流程圖

在上位機控制界面部分，使用基于C++的MFC庫，開發基于對話框的控制界面，實現串口命令發送和數據接收顯示的功能。本設計中開發的路燈遠程控制系統界面如圖11所示。

圖11 路燈遠程控制管理系統界面

4 通信測試

本設計在實際應用中進行了通信測試，測試中使用該系統對并排的6盞太陽能LED路燈進行遠程監控，每兩盞路燈間距約20 m，具體測試環境如圖12所示。

圖12 系統測試環境

在監控中心可以方便地測試RS-485總線通信方式的穩定性，并通過移動ZigBee協調器的位置，測試ZigBee網絡通信的穩定性、組網距離以及障礙物對其通信的影響，具體測試結果如表1所示。

表1 通信測試結果

由表1通信測試結果發現，ZigBee網絡在一定的范圍內組網是穩定的，本設計所使用的模塊在80 m范圍內能夠正常組網；在ZigBee網絡中以單播的形式發送數據，該系統丟包率在可接受范圍內，但是受障礙物影響較大；在測試中，RS-485有線通信方式最為穩定，未出現丟包的現象。

本系統在太陽能LED路燈中加入遠程控制和管理的功能，易于實現，成本低且能可靠工作。系統在遠程通信上采用ZigBee技術和RS-485技術相結合的方式，一方面以ZigBee作為主要通信技術能方便地實現路燈節點大面積無線自組網；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。在遠程監控方面，CC2430主控芯片完成數據通信和I/O控制，并通過設計的控制電路和上位機軟件，最終實現對太陽能LED路燈的遠程控制與管理。

[1]史兆培，王玉爽，嚴登俊.城市路燈照明節能技術現狀與發展趨勢[J].中國照明電器，2009（10）：11-16.

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

[3]段現星，鄭安平.光伏太陽能LED路燈照明系統設計[J].機電一體化，2011（7）：77-79.

[4]龍興民，周靜.太陽能LED路燈的遠程監控系統設計與實現[J].照明工程學報，2011（12）：105-109.

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

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