基于移動終端的路燈控制器無線組網系統設計

許正望，馮代偉，梅威，虞家奇

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

0 引言

光伏照明作為一種清潔能源，可以實現無輸電線路、無污染的照明供電[1]。在新能源產業前景如此廣闊的情況下，光伏照明的國內市場的發展前景廣闊，其主要應用是太陽能路燈。

但隨著道路照明中太陽能路燈使用規模的不斷擴大，也逐漸暴露出一些不足之處，由于規模較大長度較遠，路燈系統會出現控制器運行參數無法集中控制，故障也無法做到及時發現和及時檢修等問題[2]。目前的路燈系統都是獨立控制，智能化程度低、也無法和監測端進行通訊，這些問題都給路燈系統的管理和維護帶來許多的困難[3]。采用人工定期檢查的方式效果并不理想，不僅增加了人員的投入也加大了維護成本。

Zig Bee是一種實用的雙向無線通信技術，工作全球統一不需要授權的2.4GHz頻段[4]。但目前廣泛使用傳統的Zig Bee協議進行無線組網十分復雜，CC2530無線自組網模塊是建立在傳統Zig Bee協議的基礎之上，使用該模塊進行無線傳輸時可自動組成多跳網狀網絡，不需要掌握復雜的協議，可以節約很多的開發時間而且無線傳輸的穩定性很好，抗干擾能力強[5]。

1 系統整體設計

基于移動控制終端的無線自組網系統包括兩大部分，移動控制終端節點和路燈系統節點，如圖1所示。移動控制終端節點由HMI人機界面，STM32最小系統電路和CC2530無線自組網模塊組成，主要負責實時接收路燈控制器的運行參數和修改路燈控制器的運行參數。路燈系統節點由路燈控制器和CC2530無線自組網模塊構成。

當需要接收并查看路燈控制器運行參數時，在HMI人機界面上選取所需查看的路燈控制器的編號，并向STM32發送一個指令，不同的路燈對應不同的指令，STM32接收到指令后將此指令打包成一個CC2530模塊特定格式的數據包后發送給移動控制終端上的CC2530模塊，移動終端上的CC2530模塊將指令數據包發送到對應路燈控制器上的并由控制器接收，采集路燈控制器的實時運行參數打包成特定格式的數據包發送給CC2530模塊，最終由移動控制終端接收，STM32進行處理并發送到HMI人機界面上進行顯示。當需要修改路燈控制器的實時運行參數時，直接在HMI人機界面上進行修改，然后將修改好的參數數據打包成CC2530模塊特定格式的數據包并通過CC2530模塊發送到目標路燈控制器中，由控制器接收數據包并對數據包進行解析，提取有用的數據，完成對路燈控制器遠距離的參數修改，改變目前的運行狀態。

圖1 無線自組網太陽能路燈控制系統框圖

圖2 STM32最小系統電路圖

2 移動控制終端節點設計

2.1 STM32最小系統電路設計

路燈控制器要在保證路燈正常運行的情況下，保證盡量降低功耗，實現數據處理和存儲，遠距離通信等功能，因此要求路燈控制器具有不錯的運算處理能力和低功耗。考慮到實際應用范圍和成本，本文路燈控制器和移動控制終端中均選用STM32系列的 STM32F103C8T6為主控芯片，STM32F103C8T6有48個引腳，此款芯片的性價比較高，存儲器和外設資源豐富足以滿足本設計的需求。

在此基礎上設計出移動控制終端所需的STM32F103C8T6最小系統電路，其電路原理圖如圖2所示。STM32F103C8T6最小系統電路主要由STM32F103C8T6主控芯片、晶振電路、復位電路、供電電源濾波去噪電路、BOOT模式選擇電路以及接口控制電路等構成。

2.2 HMI人機界面

HMI是 Human Machine Interface的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面[6]。HMI人機界面任何界面顯示和控制指令都是通過設備內部自己實現，不需要外圍的MCU參與。圖3所示的是本系統路燈控制器需要通過無線自組網傳輸的數據參數（左），以及觸摸屏需要接收到的路燈的參數（右）。HMI人機界面與STM32通過Uart2進行通信，通過內部自帶的“get”指令發送數據給STM32，再由STM32發送給CC2530無線自組網模塊。

3 路燈系統節點設計

3.1 路燈控制器

路燈控制器節點由路燈控制器和CC2530模塊構成。路燈控制器的主電路采用的是成本低、體積較小的雙向DC-DC電路，當雙向DC-DC電路正向運行時，電路以BUCK的形式降壓運行，太陽能板能量向鋰電池轉移，給蓄電池充電，并引進太陽能電池的MPPT功能，提高太陽能電池的輸出能量;主電路反向運行時，電路以BOOST的形式升壓運行，鋰電池能量向路燈轉移[7]。當蓄電池放電時，系統實現對負載的恒流驅動，同時可以調節PWM占空比來進行調光。另外，同步整流DC-DC電路采用通態電阻很小MOSFET管，這樣可使系統的整流損耗減小。STM32單片機為控制器的控制核心，它接受電路檢測的信號、運行控制算法、輸出控制信號，并與無線組網模塊進行通信。驅動電路接受單片機的命令，并驅動MOS管，使電路工作于合適的模式及PWM占空比條件下。

圖4 路燈控制器節點框圖

3.2 CC2530無線自組網模塊

本文無線組網系統選用CC2530無線自組網模塊中的DL-LN32P系列無線自組網模塊，芯片型號為CC2530F256，該芯片上集成了2.4 GHz的RF收發器，8051MCU，具有256 kB的存儲器。此芯片在發送模式和接收模式的工作電流分別為29mA、24mA，十分適合低功耗系統。

CC2530無線自組網模塊符合IEEE 802.15.4協議但相比傳統的Zig bee更為簡單穩定，無需設計復雜的協議棧，地址可自主配置。該模塊工作時模塊與周圍的模塊組成一個無線多跳網絡，此網絡為對等網絡，不需要中心節點，兩個模塊之間的最大傳輸距離可達500米，具有確認傳輸功能,CC2530模塊之間可自動進行無線多跳傳輸，當傳輸距離超過兩個模塊之間的最大傳輸距離時可自動選擇就近的模塊進行跳轉傳輸，由此可達到遠距離傳輸的目的。

CC2530無線自組網模塊的的引腳圖如圖5所示，管腳1、2、10、11、13未投入使用，在任何情況下都需要保持懸空狀態，管腳4、5在測試模式下輸出輸入測試信息，可作為可控IO口輸出，管腳6、9、16為GND，管腳7、8接電源，管腳14、15分別為模塊的輸出輸入。該模塊的工作電壓為2.5～3.6 V，一般都接入3.3 V電壓保證正常運行，工作電流為55 mA，無線發送功率為20 dBm。

4 系統軟件設計

4.1 HMI人機界面軟件設計

圖6為HMI人機界面內部界面顯示和發送數據指令的控制程序，通過上位機進行編寫，“get”指令為發送數據指令，“page”為翻動頁面指令，通過“get”指令將圖6中文本框中的數據發送到STM32單片機上并進行處理。

圖5 CC2530模塊引腳圖

使用“get”指令屏幕發送數據到STM32，圖7為屏幕發送數據后，模擬器接收的數據，數據格式以70作為開頭，FF FF FF作為結尾，2E代表參數中的小數點。通過模擬器進行模擬，HMI觸摸屏通過Urat發送出去的數據均可以被接收。

圖7 模擬器返回數據

HMI觸摸屏接收來自控制器的參數數據，移動控制終端中的STM32接收來自CC2530無線自組網模塊傳輸過來的控制器參數數據，通過如下程序將控制器參數數據顯示在HMI觸摸屏中：

HMISendstart();

HMISends("t0.txt=""");

HMISendb(0xff);

4.2 CC2530模塊軟件設計

CC2530無線自組網模塊使用Uart作為接口數據交互接口，其接口參數如下：數據位：8位，起始位：1位，停止位：1位，校驗位：無校驗[5]。

CC2530無線自組網模塊傳輸數據的格式為FE 05 91 90 3F 00 AB FF，包頭為FE 05，FE表示數據包的起始位，05代表數據包的長度。91和90分別代表包的源端口號和目的端口號。3F 00代表模塊的地址，每個路燈系統節點的無線自組網模塊都有單獨的地址，通過選擇地址可以選擇需要監測的路燈。AB代表具體的數據，長度不定。FF為包尾，表示一個數據包傳輸完成。

整個系統的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統軟件流程圖

5 測試結果

在實驗環境中主要進行自組網各節點的收包率及數據傳輸時間的測試，基于CC2530模塊本身存在傳輸距離的限制，并且當遇到障礙物時會出現數據包丟失的問題，因此進行收包率的測試對在實際戶外路燈系統有極大的參考意義。

實驗中暫時選用傳輸距離為45 m的DL-LN32系列進行丟包率測試來節省實驗成本，丟包率測試的實驗結果如表1所示。

因此，可總結為在以上實驗環境中，以最大傳輸距離45 m為基準，節點距離在25 m以下收包率良好，不會存在數據包丟失的現象，節點距離25 m以上會出現數據包丟失，節點距離增大和有障礙物遮擋都會造成丟包率的增加。丟包率的測試實驗可表明CC2530無線自組網模塊的傳輸穩定性高，距離和障礙物都會影響傳輸效率但影響并不大，在干擾不是特別嚴重的情況下可以保證很高的傳輸效率。

6 結論

本文介紹的以HMI人機界面為移動控制終端，以CC2530模塊作為無線傳輸的太陽能路燈監測系統，可以大大的改善目前太陽能路燈系統在遠程監測和調控上的不足，也可以降低采用人力進行定期檢查和維修的成本。本文進行了大量的無線傳輸過程實驗來檢測傳輸過程中數據包丟失概率。測試結果表明節點轉發信息時延時較短，丟包概率低，可對系統進行實時而且穩定的控制，提高了實時性和穩定性。此外，本文采用的無線自組網絡可移植性強，在智能家居，在線水質和土壤監測等領域也可有廣泛的應用[8]。

參考文獻：

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[7] 周志敏,紀愛華.太陽能LED路燈設計與應用（第2版）.[M].北京：電子工業出版社,2012.

[8] 劉毅力,焦尚彬.基于CC2530無線傳感網絡系統的設計[J].現代電子技術,2013,03.