彭剛彬，鄒家賢，冷 潔，劉 嵩，羅 敏

(湖北民族學院信息工程學院，湖北 恩施 445000)

隨著經濟的高速發(fā)展，道路照明、燈飾工程等逐漸受到重視，在交通、通信、人們日常生活等領域形成了數(shù)量巨大、錯綜復雜的照明網絡。與此同時，光伏照明的電能消耗和設備損耗也越來越大。傳統(tǒng)的光伏照明系統(tǒng)通訊程度差，故障監(jiān)測主要采用人工排查的方式，這無疑會增加工作人員的勞動量和工程的復雜度，給光伏照明系統(tǒng)的管理和維護帶來很大困難，也給人們的生產生活帶來了諸多的不便。本文設計的系統(tǒng)利用無線傳感技術，實現(xiàn)對各個節(jié)點的精確定位和智能監(jiān)測，工作人員只需通過手機、電腦等網絡終端就可方便了解照明設備的工作狀態(tài)，減少了人力、物力的投入，從而使得故障監(jiān)測更為人性化。

1 物聯(lián)網及相關技術介紹

物聯(lián)網是指各種終端設備和設施，在專網或互聯(lián)網環(huán)境下，通過無線或有線的方式實現(xiàn)互聯(lián)互通，采用適當?shù)男畔踩Ｕ蠙C制，提供個性化的實時遠程控制、遠程維護等管理和服務功能，實現(xiàn)對設備的管控一體化。而ZigBee 技術被列為當今世界發(fā)展最快，市場前景最廣闊的十大新技術之一，也是物聯(lián)網應用最關鍵的技術之一［1］。它是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術。其Z－Stack 協(xié)議棧具有清晰的層次結構，主要由物理層(PHY)、介質接入控制層(MAC)、網絡層(NWK)及應用層(APL)組成。在ZigBee 網絡中，用戶通過編譯以上協(xié)議即可輕松定義各個單元的作用。

2 系統(tǒng)的總體架構

本系統(tǒng)由ZigBee 無線傳感網絡及信息處理中心組成，主要實現(xiàn)了無線傳感網絡與信息處理中心之間的數(shù)據(jù)交換和信息處理。系統(tǒng)總體設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.1 信息處理中心

信息處理中心主要包括中央處理器、顯示器、外部存儲器、時鐘電路、串口通信模塊、網絡模塊等部分，其結構如圖2 所示，相關組件功能描述如下:

圖2 信息處理中心結構示意圖

1)中央處理器:中央處理器作為數(shù)據(jù)處理的核心單元，主要由高性價比的STM32F103ZET6 承擔，其工作頻率可達72 MHz，具有可移植的實時操作系統(tǒng)μC/OS 和通用的文件系統(tǒng)模塊FatFs，因此可以輕松勝任各種繁多的數(shù)據(jù)處理。其實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理與顯示、信息存儲、指令發(fā)送與接受等功能。

2)顯示器:本系統(tǒng)的顯示器應用μC/GUI 圖形支持系統(tǒng)，結合觸屏操作、彩色顯示等功能，使得顯示和操作更為人性化。

3)外部存儲器:中央處理器通過掛載一個外部存儲器，實現(xiàn)了各個單元工作信息的本地備份，工作人員就可以通過此備份查閱相關節(jié)點的工作狀態(tài)，進而有針對性地實施維護。

4)串口通信模塊:其主要采用RS－232 標準串口設計的電源轉換芯片MAX232 來完成中央處理器與ZigBee 協(xié)調器的數(shù)據(jù)互傳，從而實現(xiàn)了信息處理中心與無線傳感網絡之間的有線通信。

5)時鐘電路:本部分采用低功耗時鐘芯片DS1302 來為系統(tǒng)提供實時時間，從而達到故障數(shù)據(jù)與當前時間同步記錄的目的。

6)網絡模塊:該模塊主要是利用以太網控制器ENC28J60 將各個節(jié)點的工作信息定時上傳到互聯(lián)網上，工作人員通過網絡就可了解相關節(jié)點的工作狀態(tài)。

2.2 ZigBee 無線傳感網絡

ZigBee 無線傳感網絡由協(xié)調器、路由器、終端三種功能節(jié)點組成，該網絡實現(xiàn)了各個節(jié)點狀態(tài)信息的采集、傳輸以及執(zhí)行由中央處理器發(fā)送的指令［2］。

2.2.1 硬件結構

三種功能節(jié)點硬件部分均以CC2530 為核心處理器，包括天線電路、太陽能電池板和蓄電池等模塊，其中協(xié)調器增加了一個串口通信模塊，用來實現(xiàn)協(xié)調器與中央處理器的信息交換;終端增加了工作狀態(tài)監(jiān)測電路和照明控制模塊。下面將以終端節(jié)點為例進行詳述，其結構如圖3 所示。

圖3 終端節(jié)點結構示意圖

1)工作狀態(tài)監(jiān)測電路:本部分主要包括照明設備、蓄電池、太陽能電池板三個部分的工作狀態(tài)檢測。照明設備的檢測是通過光敏傳感器實現(xiàn)，蓄電池、太陽能電池板工作狀態(tài)的檢測是利用CC2530 芯片片內自帶的8 路高分辨率模數(shù)轉換器，再配合少量的采樣電路實現(xiàn)。

2)天線電路:本部分采用功率放大芯片CC2591 以及CC2530 芯片片內的調制解調模塊實現(xiàn)，可以完成400 m 距離的無線傳輸。

3)照明控制電路、太陽能電池板、蓄電池:此部分運用當前日趨成熟的太陽能采集與存儲技術和照明控制技術。

2.2.2 工作機理本系統(tǒng)是依靠以上三種功能節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其通信組合方式有:協(xié)調器與路由器之間的通信，路由器與路由器之間的通信以及路由器與終端之間的通信。除了具有通信功能外，它們各自還有不同的特點，其中協(xié)調器還負責啟動和建立整個無線傳感網絡，路由器負責其它路由器及終端加入或退出該網絡，終端則負責照明設備的控制和狀態(tài)檢測。當協(xié)調器通過串口UART 接受到中央處理器發(fā)送的指令時，協(xié)調器通過一個或多個路由器將指令傳送到指定終端節(jié)點并執(zhí)行。同時，終端節(jié)點將各個單元的工作信息經路由器傳輸?shù)絽f(xié)調器最終到達中央處理器，從而實現(xiàn)了中央處理器與終端之間的信息交互。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)格式的設計

該系統(tǒng)主要包括三層數(shù)據(jù)交換結構:終端與協(xié)調器的數(shù)據(jù)交換、協(xié)調器與中央處理器的數(shù)據(jù)交換、中央處理器與互聯(lián)網的數(shù)據(jù)交換。為此本系統(tǒng)為每一層數(shù)據(jù)通信設計了相應的數(shù)據(jù)交換格式。在系統(tǒng)中協(xié)調器只有一個，終端有多個，因而需要設計協(xié)調器發(fā)送廣播包，廣播包的內容如表1所示。BIT［15:14］為命令類型，CMD［1:0］用來表示燈的開關命令，CMD［1:0］為00:表示全關，01:表示全開，10:單點關，11:單點開。D［13:0］表示單個終端節(jié)點的編號。

表1 協(xié)調器發(fā)送給終端的數(shù)據(jù)格式

終端向協(xié)調器發(fā)送的是點對點的數(shù)據(jù)包，傳輸?shù)男畔ńK端節(jié)點標號、當前各個節(jié)點每部分的工作電壓等信息。

3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

ZigBee 無線傳感網絡的應用程序代碼主要是在ZStack－CC2530－2.3.0－1.4.0 協(xié)議棧的架構上編寫的。ZigBee協(xié)調器節(jié)點作為網絡的核心，負責網絡建立及數(shù)據(jù)交換的任務，其首先建立無線傳感網絡，而后一直處于工作狀態(tài)，并按一定的周期查詢是否有中央處理器發(fā)來的控制命令，如有控制命令，則通過路由器將命令發(fā)送到各終端節(jié)點上執(zhí)行。路由器作為網絡的中繼站，當收到來自其它節(jié)點的數(shù)據(jù)后，路由器將根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型向指定的目的節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包。終端節(jié)點用于對光伏照明設備的控制和狀態(tài)的監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點的工作狀態(tài)不正常時，終端通過多跳路由向中央處理器報告相應節(jié)點的故障信息。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗研究

根據(jù)上述分析及原理，本系統(tǒng)的界面顯示主要包括:光伏照明設備的開關狀態(tài)、太陽能電池板的工作狀態(tài)、蓄電池的工作狀態(tài)、燈泡的工作狀態(tài)以及有無故障等信息。用戶還可以通過右側的“向上、向下”按鍵來翻看其他節(jié)點的工作狀態(tài)。如果其中一個節(jié)點的太陽能電池板、照明設備、蓄電池中有一個或多個的電壓出現(xiàn)異常，該節(jié)點就將各個單元的工作狀態(tài)以及位置信息反饋回中央處理器并將故障信息以紅色字體顯示在觸摸屏上，從而使用戶方便地了解節(jié)點的工作狀態(tài)，并有針對性地實施維護，其工作狀態(tài)顯示界面如圖4 所示，其中1、3 為故障節(jié)點。

圖4 工作狀態(tài)顯示界面

5 結束語

通過對物聯(lián)網等技術的研究，實現(xiàn)了對光伏照明系統(tǒng)的故障監(jiān)測。該設計具有成本低、網絡建設簡單、維護方便、可拓展性強等特點。系統(tǒng)將各個節(jié)點的狀態(tài)信息定時進行存儲、統(tǒng)計、傳輸和顯示，減輕了工作人員的勞動負擔，增強了系統(tǒng)對終端節(jié)點的單燈監(jiān)測能力。若將本系統(tǒng)延伸到路燈、庭院燈、交通指示燈、無人值守中繼站等偏遠或者數(shù)量較大的網絡設備上，便可實現(xiàn)設備的精確化管理，因此本系統(tǒng)具有廣闊的應用前景和社會效應。

［1］王穎.基于物聯(lián)網技術的城市路燈無線網絡監(jiān)控系統(tǒng)［J］.山西電子技術，2012(6) ：36－39.

［2］高守瑋，吳燦陽.ZigBee 技術實踐教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.