基于太陽能的無線航道燈管理系統設計

陸昊，史雨雨，李雪

（東華大學 科學與技術學院，上海 201620）

基于太陽能的無線航道燈管理系統設計

陸昊，史雨雨，李雪

（東華大學 科學與技術學院，上海 201620）

由于港口海上航道路燈的外部環境比較特殊，需要實現路燈的實時監測、路燈遠程調光、路燈故障警報等。本文針對這些問題，提出了基于太陽能的無線航道燈管理系統設計方案。該系統的設計主要由5個模塊構成：太陽能控制模塊、控制處理模塊、無線通信模塊、可控LED驅動模塊、管理界面模塊。太陽能控制模塊：控制太陽能電板對蓄電池的充電和蓄電池的供能；控制處理模塊：處理數據信息；無線通信模塊：采用Zigbee技術搭建無線網絡，進行數據信息的收發；可控LED驅動模塊：控制路燈的開關和燈光調節；管理界面模塊：直觀顯示系統的監測和控制信息。在系統測試中，該系統基本實現功能要求，驗證了方案的可行性，具有智能化管理程度高、操作簡便、節能環保的特點。

太陽能；Zigbee；可控LED；智能化管理

隨著近幾年國家對能源結構的不斷調整，能源需求不斷加大，太陽能作為一種可再生能源，其環保、無污染、分布廣泛的特點越來越受到人們的關注。以太陽能路燈應用為代表的道路照明工程越來越多的地方被各級政府所看好［1］。

同時，隨著無線通信技術尤其是Zigbee技術的不斷發展和廣泛應用，提出了將Zigbee技術應用于路燈的管理控制。這種方法靈活方便、無需考慮布線、維護簡單，可以遠距離實現路燈的控制管理。

由于港口航道路燈架設在海上，外部環境惡劣，本系統設計適合并且必須利用Zigbee技術來實現，同時將太陽能作為系統供能環節，更加節能、環保。

1 ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種低速、短距離、低功耗的無線通信傳輸技術。ZigBee技術具有功耗低、成本低、速率低、距離近、時延短、容量高、安全高等特點。ZigBee協議從下到上共分5層，分別為物理層 （PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。Zigbee網絡由協調器、路由器、終端節點構成，支持星型、網型、樹狀的無線網絡拓撲結構。

每一個ZigBee網絡中最多能夠擁65 535個節點，每個節點的地址都是由ZigBee的網絡協調節點負責分配。每個節點的傳輸范圍都是在30～100 m之間，除此之外，每個節點的傳輸距離可以通過使用功率放大器以及多跳網狀網絡結構得到擴展［2］。

2 系統硬件設計

本系統由太陽能控制器將太陽能板和蓄電池的充放電狀態、路燈的狀態信息通過串口傳輸給控制處理器，控制處理器通過另一串口將采集的信息發送給Zigbee模塊，Zigbee模塊將狀態信息無線傳輸到基站進行匯總。

同時，控制處理器輸出一個占空比可調的PWM信號給驅動器，此PWM信號控制驅動器的輸出功率隨占空比呈線性變化來控制路燈的亮滅和亮度。最終，控制采集器將太陽能板和蓄電池充放電狀態、路燈的通信狀態、電壓、電流以及溫度等信息通過無線通信模塊傳輸給服務器，并將這些信息在顯示屏上顯示出來。其系統框圖如圖1所示。

2.1 太陽能模塊設計

此模塊的主要工作機理是晴天時太陽能板吸收光能，為蓄電池充電的同時對路燈和無線網絡控制模塊提供電能，遇到陰天或下雨等無光照天氣，則由蓄電池代替其為路燈和無線網絡控制模塊提供所需的能量，以保證系統的正常運行。其中，太陽能板通過 MPPT（最大功率點跟蹤）太陽能電源控制器進行連接，MPPT分別與路燈、蓄電池和控制處理模塊進行連接，完成該模塊的功能。將MPPT與電腦相連，可以觀測太陽能板吸收光能以及對蓄電池充電的情況，數據清晰準確。如圖2是太陽能控制模塊的連接示意圖。

圖2 太陽能控制模塊的連接示意圖Fig.2 Connection diagram of solar control module

2.2 控制處理模塊設計

控制處理器主要對傳輸的數據的處理和命令的執行，實現對太陽能電板、蓄電池等硬件設備的監測和路燈的控制。這里選用C8051F380芯片來進行設計。

C8051F380芯片具有可達48 MI/s流水線結構的8051兼容微控制器內核：雙SMBus/I2C接口、雙增強型UART接口和一個增強型SPI串行接口；內置USB收發器和1 KB FIFO RAM的 USB功能控制器，帶有8個靈活的端點通道；內置電源穩壓器；帶有模擬多路器的10 bit 500 kHz的單端/差分ADC；多達64 KB的片內Flash存儲器；4 352 Byte片內RAM；6個通用16 bit定時計數器，5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列；帶有片內上電復位。VDD監視器和時鐘丟失檢測器；耐 5 V電壓輸入的40個I/O端口［3］。控制處理器模塊的硬件外圍電路如圖3所示，引腳標號為C8051F380芯片上的引腳標號。

圖3 控制處理器模塊Fig.3 Control processing module

2.3 無線通信模塊設計

無線通信模塊采用WL2420型號ZigBee模塊。該模塊經過功率放大傳輸距離可以達到1 000～1 500 m。ZigBee模塊作為協調器，負責搭建網絡和信息處理工作，體現在通過發送不同的字符給終端使其作相應的操作；作為終端路由，負責接收來自協調器的控制指令，同時發送控制處理器傳來的數據信息給協調器。無線通信模塊硬件電路如圖4所示。

2.4 可控LED驅動器設計

圖4 無線通信模塊Fig.4 Wireless communication module

可控 LED驅動器的設計采用的是 RCD_24模塊。RCD_24模塊是一種設計用來驅動大功率LED燈的降壓恒流電源，具有效率高，輸入電壓范圍寬，高溫度工作環境的特點，而且該模塊具有兩個調光方法：PWM/數字控制和模擬電壓調光。兩種調光控制都是獨立的，可以合并。如圖5所示，電路正是利用該模塊的PWM調光方式，輸出PWM信號，改變PWM信號的占空比來調節路燈的亮度。

2.5 界面顯示模塊設計

圖5 可控LED驅動器Fig.5 Controllable LED driver module

界面采用Visual studio2012開發環境，C#語言開發。如圖6左邊圖所示，實時監控其中一個港口航道路燈的狀況，左半邊分別顯示路燈開關、蓄電池剩余電量、燈桿傾斜角度；右半邊從上到下，顯示蓄電池電壓、太陽能電板電壓、環境溫度、濕度、設備通信狀況。

圖6 監控界面Fig.6 Monitoring and control interface

如圖6中間和右邊兩張圖所示，主機界面可以對路燈進行遠程無線控制。圖6中間是對某一個路燈的兩個燈泡分開獨立控制開關、亮度。圖6右邊是對所有路燈的開關、亮度集體控制。

3 系統網絡設計

本系統用于港口航道路燈監控，網絡子節點多。相對于星形網絡拓撲結構，樹狀網絡拓撲結構覆蓋的物理范圍更大，容納的網絡子節點更多，網絡可靠性更強。因此，系統設計網絡結構采用樹狀網絡拓撲結構。

在樹狀網絡中，設備除了能與自己的父節點或者子節點進行點對點直接通信外，其它消息的傳輸只能通過樹狀路由完成，且息的傳輸是先上行再下傳。

正如圖11的網絡結構圖所示，分配10個燈桿為一組，每組最后一根燈桿（例如在第一組的燈桿10）將被配置為路由節點基站。每組的基站收集本組各燈桿的信息。例如，燈桿1到燈桿9的信息收集發送到燈桿10，剩下的34組操作和第一組一樣。然后，燈桿10發送收集的信息到燈桿20，再轉發給燈桿30，依次下去，最后燈桿345獲得整個系統的信息并發送到網絡協調器。網絡協調器由大功率Zigbee模塊組成連接監控中心（PC）。到現在為止，PC接收到整個系統的所有數據信息。

考慮到每組的基站可能出現問題，例如，如果第一組的基站（燈桿10）出現問題，數據信息的收集和發送將由燈桿9承擔，再由燈桿9轉發給燈桿20。這時，其他組的監測仍然正常，而第一組發送的信息是故障警報消息。

圖7 網絡結構圖Fig.7 Structure diagram of network

4 系統通信軟件設計

協調器和路由器在功能雖然有些區別，但在軟件上設計上流程是基本相同的。關于協調器和路由器通信程序設計，工作流程如圖8所示。

根據WL2420 ZigBee協議，數據傳輸格式如表1所示。

圖8 協調器、路由器軟件設計Fig.8 The software design of the coordinator and the router

表1 數據傳輸格式Tab.1 The format of data transmission

5 系統測試

受限于測試環境，測試時將8套設備組成網絡進行測試。每套設備之間相隔100 m，設地址為8001-8008。系統初始化，無線通信正常，通過主機界面訪問，依次查詢每個路燈的數據信息。如圖6左邊所示是地址為8002的路燈信息。并如圖6中間和右邊兩張圖，依次控制各路燈開關和亮度，最后一鍵控制所有路燈的開關和亮度。

測試結果正常，實現基本功能，驗證了本設計的可行性。雖然系統中會有延時狀況，但后期可以進一步優化。在此基礎上，也可以繼續深化，加入更多的功能。

6 結束語

文中設計的無線航道燈管理系統對全部路燈進行實時監控和管理，集中控制、監視、檢查，提高了巡查設備和路燈的工作效率，智能化程度高。設計還采用太陽能作為供能環節，在路燈控制方式上也加入調光設計，有效解決了路燈系統的節電問題，最終達到節能的目的；同時，提高路燈的使用壽命，獲得良好的經濟效益。

［1］韓瑜.太陽能路燈應用的現狀與分析［J］.科技信息，2011 （25）:435-436.

［2］彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網絡研究［J］.現代電子技術，2011（5）:49-51.

［3］陳海.基于C8051F380單片機的數據采集控制器設計［J］.電聲技術，2012，11:69-75，79.

［4］王貝貝，龔威，蘇剛，等.基于GSM的太陽能路燈聯網監控系統研究［J］.通信技術，2011（2）:135-137，143.

［5］閆沫.ZigBee協議棧的分析與設計［D］.廈門：廈門大學，2007.

Design of wireless channel lighting management system based on solar

LU Hao，SHI Yu-yu，LI Xue
（Institute of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

In consequence of the external environment of channel indicating lights in port is special，the lights need to implement the function about the real-time monitoring，the remote dimming，fault warning and so on.In view of these problems，this paper proposesthe design scheme of wireless lighting management system based on solar.The design of the system is mainly composed of five modules:solar control module，control processing module，wireless communication module，controllable LED driver module，management interface module.Solar control module:controlstorage battery charging from solar panel and storage battery power supply；control processing module:leverage data and information；wireless communication module:build a wireless network to send data and receive information through using Zigbee technology；controllable LED driver module:control the lights on or off and dimming；management interface module:display the monitoring and control information of the system intuitively.In system testing，the system implements the requirements of the function basically.The results show the feasibility of the configuration.The system can be operated easily and the degree of intelligent management is high.The system contributes to energy conservation and environmental protection.

solar；Zigbee；controllable LED；intelligent management

TN92

A

1674－6236（2016）04-0098-04

2015-03-20 稿件編號：201503278

陸 昊（1991—），男，江蘇南通人，碩士研究生。研究方向：現代無線通信技術。