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        基于ZigBee技術的太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)設計

        2015-06-02 07:10:44劉洋
        科技創(chuàng)新導報 2015年6期
        關鍵詞: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(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)的遠程監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗、高穩(wěn)定性、組網方便等優(yōu)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(fā)展以及社會對高效節(jié)能、低碳環(huán)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(tǒng),是一種的獨立的照明系統(tǒng),它通過光伏板將太陽能轉化為系統(tǒng)可用的電能,實現系統(tǒng)的獨立運行。相對于傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng),太陽能路燈系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、不受地域限制、無需布線、安裝方便等優(yōu)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(tǒng)的實時監(jiān)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(jiān)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(tǒng)遠程無線監(jiān)測的方案,并給出了詳細的軟硬件設計。

        1 系統(tǒng)組成及原理

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

        1.1 太陽能路燈照明系統(tǒng)

        太陽能路燈照明系統(tǒng)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(wěn)壓、防過沖過放的功能。路燈系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的設計,主要是監(jiān)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(tǒng)的遠程監(jiān)控管理。

        1.2 ZigBee簡介

        作為太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)的核心,無線通信控制系統(tǒng)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(tǒng)。傳統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(xié)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(xié)調器、一個或多個路由器以及終端設備節(jié)點。每個網絡開始必須要有一個協(xié)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(jié)點使用;路由器負責網絡中終端設備與控制節(jié)點的數據傳遞,可以用來拓展網絡節(jié)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(xié)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(wěn)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(jié)點、兩個從節(jié)點的小型無線通信網絡,網絡主節(jié)點作為協(xié)調器,負責建立網絡、發(fā)送控制指令以及接收、轉發(fā)測量數據,從節(jié)點主要完成在主節(jié)點指令要求下的數據采集與發(fā)送,如果網絡需要中繼傳送,從節(jié)點還要擔當路由器的角色[7]。

        1.3 監(jiān)控計算機

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

        2 硬件設計

        2.1 測量電路

        本系統(tǒng)主要通過獲取電流、電壓兩個參數,實現太陽能路燈系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)的應用。系統(tǒng)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(tǒng)作為一個獨立的供電系統(tǒng),控制系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,Xbee-PRO模塊起到組建網絡、傳遞監(jiān)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(fā)送。

        3 軟件設計

        3.1 軟件流程

        系統(tǒng)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(tǒng)初始化后,網絡協(xié)調器(主節(jié)點)建立ZigBee網絡,終端器(從節(jié)點)搜索網絡,并按照設置加入網絡,系統(tǒng)發(fā)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(fā)送給主節(jié)點,在上位機上顯示出來。上位機也可以通過主節(jié)點給終端發(fā)送控制指令,實現終端的控制。

        3.2 系統(tǒng)測試

        系統(tǒng)主要針對太陽能路燈工作參數監(jiān)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(jiān)測裝置組成太陽能路燈終端(從節(jié)點),以另外一個監(jiān)測終端為主節(jié)點,利用PC機串口助手,進行了系統(tǒng)測試。

        該文在11:30~14:30時間段內,對太陽能路燈系統(tǒng)進行了測試,測試數據如圖7所示,路燈系統(tǒng)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(tǒng)工作正常,太陽能路燈無線監(jiān)測裝置可以實現太陽能路燈的無線監(jiān)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(tǒng)作為智慧城市的重要組成部分,如何低功耗、高穩(wěn)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(jiān)控系統(tǒng)設計方案,該方案考慮到了系統(tǒng)的低功耗、組網方便以及易于擴展等特點,經實際系統(tǒng)調試驗證了監(jiān)測設備的穩(wěn)定性及覆蓋范圍的可行性,該系統(tǒng)可以滿足太陽能路燈系統(tǒng)的監(jiān)測需求。

        參考文獻

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