基于ZigBee技術的太陽能路燈監測系統設計

劉洋

摘 要：為了實現太陽能路燈的集中管理，提高維護效率，降低維護成本，該文設計了一種基于ZigBee技術的太陽能路燈無線網絡監測系統。系統以MSP430F149單片機為控制核心，通過霍爾電流傳感器、電阻分壓電路分別獲取太陽能光伏板及蓄電池的電流、電壓信息，并通過ZigBee無線網絡傳輸到上位機顯示，實現太陽能路燈系統的遠程監測。監測系統具有低功耗、高穩定性、組網方便等優勢。

關鍵詞：ZigBee技術 太陽能路燈 MSP430單片機 設計

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0003-03

近年來，伴隨著太陽能、LED照明技術的發展以及社會對高效節能、低碳環保的需求，太陽能路燈得到廣泛的應用。由于太陽能路燈系統，是一種的獨立的照明系統，它通過光伏板將太陽能轉化為系統可用的電能，實現系統的獨立運行。相對于傳統的路燈照明系統，太陽能路燈系統具有節能環保、不受地域限制、無需布線、安裝方便等優勢，但也存在因布局分散、相對獨立而導致的管理難度大、維護成本高等問題。為了解決這一問題，實現太陽能路燈系統的實時監測和集中管理，國內相關文獻，提出了一些基于GPRS、Zigbee網絡等無線網絡的路燈監控方案。該文在相關研究基礎上，提出了一種基于低功耗單片機的ZigBee技術實現太陽能路燈系統遠程無線監測的方案，并給出了詳細的軟硬件設計。

1 系統組成及原理

如圖1所示，太陽能路燈監測系統主要由獨立太陽能路燈照明系統、無線通信控制系統以及監控計算機三大部分組成。

1.1 太陽能路燈照明系統

太陽能路燈照明系統由太陽能光伏板、太陽能充放電控制器、電池以及大功率LED路燈構成。白天，太陽能光伏板通過充電控制電路為蓄電池充電；夜間，蓄電池通過放電控制電路為LED路燈供電；充放電控制器主要起到穩壓、防過沖過放的功能。路燈系統工作的好壞，主要受太陽能光伏板、蓄電池以及LED燈的好壞影響，而LED燈壽命較長，因此，對于太陽能路燈監控系統的設計，主要是監測太陽能光伏板以及蓄電池的工作參數，并進行反饋控制，進而實現對太陽能路燈系統的遠程監控管理。

1.2 ZigBee簡介

作為太陽能路燈監測系統的核心，無線通信控制系統將獨立的太陽能路燈通過無線聯系在了一起，形成了一個可以集中控制的系統。傳統的無線路燈控制一般采用GPRS、CDMA、GSM等公共網絡實現，但是這些網絡具有申請流程復雜、資費高等缺點。該文結合路燈相對距離近、數目多等布設特點，選取ZigBee網絡作為太陽能路燈監測系統的無線通信網絡。

ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，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，該技術所支持的無線設備可以工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz頻段，最大數據速率是250 kbps。ZigBee無線網絡通常包含三種邏輯設備類型：協調器、路由器以及終端設備，可以實現星形、簇狀形和網狀型等多種拓撲結構。如圖2所示，一個ZigBee多點通信網絡至少包含一個協調器、一個或多個路由器以及終端設備節點。每個網絡開始必須要有一個協調器，它負責建立和配置網絡，網絡建立完成后可作為路由節點使用；路由器負責網絡中終端設備與控制節點的數據傳遞，可以用來拓展網絡節點；終端設備負責具體功能的實現，對維護網絡沒有作用。

該文采用的是DiGi公司的XBee-PRO模塊，模塊以ZigBee協議，運作在ISM 2.4 GHz頻段。模塊只需要最小的功率，就能提供遠程設備之間的數據傳輸的可靠性，其傳輸距離室內或城市中可達100 m，戶外視線距離傳輸高達1500 m。該模塊也因具有接口簡單、設置方便、穩定性高、功耗低等特點，已被廣泛應用于電力電子等領域。本文根據ZigBee網絡結果設計了一個包含一個主節點、兩個從節點的小型無線通信網絡，網絡主節點作為協調器，負責建立網絡、發送控制指令以及接收、轉發測量數據，從節點主要完成在主節點指令要求下的數據采集與發送，如果網絡需要中繼傳送，從節點還要擔當路由器的角色[7]。

1.3 監控計算機

監控計算機經串行通信接口與網絡主節點建立連接，監控計算機通過上位機界面實時獲取各個節點的數據，并通過主節點發送控制指令，實現各個節點的監測控制。

2 硬件設計

2.1 測量電路

本系統主要通過獲取電流、電壓兩個參數，實現太陽能路燈系統工作狀態的監控。因單片機I/O接口只能接收0～5 V的電壓信號，電流參數，采用霍爾電流傳感器測量，霍爾電流傳感器可以在幾乎不消耗能量情況下，將電流信號線性轉換為電壓信號輸出，可以滿足低功耗的需求。本系統采用HKA0.5-NP霍爾電流傳感器，傳感器額定輸出電壓為（4±1%）V，±12 V雙電源供電，測量電流范圍為0～1.5 A，基本滿足小型太陽能路燈系統的應用。系統電壓參數，采用電阻分壓的方式測量。測量電路，如圖3所示。

2.2 控制電路

太陽能路燈系統作為一個獨立的供電系統，控制系統的設計需滿足低功耗的要求。本方案，采用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149為控制核心，而且該單片機具有12位A/D轉換器、UART等外設，滿足了系統采樣以及串行通信的需要。如圖4所示，測量電路測得的電流、電壓信號，經低通濾波后收入到單片機，單片機經過運算處理，獲得實時電流電壓信息后，通過異步串行通信接口傳遞給Xbee-PRO無線通信模塊。

2.3 無線通信

作為監測系統的重要組成部分，Xbee-PRO模塊起到組建網絡、傳遞監測信息及控制指令的作用。如圖5所示，模塊DOUT、DIN引腳與單片機異步串行接口連接，單片機可以通過異步串行通信以透明傳輸的方式與模塊實現數據、指令的接收與發送。

3 軟件設計

3.1 軟件流程

系統軟件設計流程主要包括網絡組建、參數測量、實時顯示及無線傳輸四部分，如圖6所示，系統初始化后，網絡協調器（主節點）建立ZigBee網絡，終端器（從節點）搜索網絡，并按照設置加入網絡，系統發送指令測試網絡是否連接成功，網絡連接成功后，單片機處理傳感器獲取的電流、電壓信息，通過液晶實時顯示電流、電壓數據，同時將數據發送給主節點，在上位機上顯示出來。上位機也可以通過主節點給終端發送控制指令，實現終端的控制。

3.2 系統測試

系統主要針對太陽能路燈工作參數監測進行了測試。該文選取10 W太陽能板、蓄電池（6 V）、太陽能控制器、LED燈以及本文設計的監測裝置組成太陽能路燈終端（從節點），以另外一個監測終端為主節點，利用PC機串口助手，進行了系統測試。

該文在11：30～14：30時間段內，對太陽能路燈系統進行了測試，測試數據如圖7所示，路燈系統的太陽能光伏板、蓄電池的電壓、電流參數基本保持在正常波動范圍內，無異常突變，據此可以判斷太陽能板路燈系統工作正常，太陽能路燈無線監測裝置可以實現太陽能路燈的無線監測的目的。

4 結語

伴隨著LED照明技術的普及，太陽能LED路燈已經得到廣泛的應用，而智能路燈系統作為智慧城市的重要組成部分，如何低功耗、高穩定性的實現路燈的智能管理已成為當前迫切要解決的問題。該文針對這一需求，提出了一種太陽能路燈無線監控系統設計方案，該方案考慮到了系統的低功耗、組網方便以及易于擴展等特點，經實際系統調試驗證了監測設備的穩定性及覆蓋范圍的可行性，該系統可以滿足太陽能路燈系統的監測需求。

參考文獻

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