王琳 肖軍 王威

摘 要：?隨著智慧城市發(fā)展需求，城市管理對(duì)路燈系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。通過(guò)傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)等技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，研究了基于ZigBee技術(shù)的可組網(wǎng)太陽(yáng)能LED路燈終端控制器。詳細(xì)闡述了各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和可行性。

關(guān)鍵詞：?ZigBee技術(shù); 太陽(yáng)能; LED; 終端控制器

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Networkable Solar LED Street Lamp Terminal

Controller Based on ZigBee Technology

WANG Lin， XIAO Jun， WANG Wei

（School of Electronic Engineering， Xian Aeronautical University， Xian， Shanxi? 710077， China）

Abstract：

With the development of smart cities， the requirements of city management for street lamp system are getting higher and higher. In this paper， through the organic combination of sensor technology and wireless communication technology， the networkable solar LED street lamp terminal controller based on ZigBee technology is studied， and the key technologies are elaborated in detail. The experimental verification proves that the system has certain stability and feasibility.

Key words：

ZigBee technology; solar energy; LED; terminal controller

0 引言

隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，人類(lèi)夜間的出行安全也變得尤為重要，隨之便有了路燈，但是傳統(tǒng)的路燈比較浪費(fèi)人力、物力，自二十世紀(jì)中葉以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和人類(lèi)對(duì)于太陽(yáng)能的利用，順勢(shì)改變了太陽(yáng)能路燈在城市照明系統(tǒng)中的地位[1]。

太陽(yáng)能路燈顧名思義就是將太陽(yáng)能這種可持續(xù)發(fā)展能源轉(zhuǎn)換為我們生活中所需要的能量，這種路燈一般采用LED燈作為燈具，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，與LED路燈相結(jié)合，利用了太陽(yáng)能和LED燈的優(yōu)點(diǎn)，使其發(fā)光效率高、環(huán)保、不需要鋪設(shè)線路、利于管理。LED燈是市場(chǎng)上比較常見(jiàn)和便宜的低壓直流性的器件，它可以把太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源轉(zhuǎn)化為點(diǎn)能，為我們的生活更加的方便[2-3]。

傳統(tǒng)的道路照明方式大致分為三種，分別為時(shí)間控制、光照控制和半夜燈控制。這三種常見(jiàn)的控制方式，基本上是通過(guò)控制電路來(lái)達(dá)成路燈的統(tǒng)一開(kāi)關(guān)，這幾種方式在單燈的控制上沒(méi)有辦法完成，而且還沒(méi)有單燈的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，維修起來(lái)比較麻煩。

用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智能化的管理各大路段的路燈，以減少人力和物力資源的浪費(fèi)，大大加快了城市智能化的進(jìn)程，該方法不僅僅可以應(yīng)用到路燈方面，還可以應(yīng)用到智能家居方面[4-5]。本文通過(guò)ZigBee模塊以及自身具備的控制功能，能夠使LED路燈成為組網(wǎng)控制終端，從而通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及路燈控制中心對(duì)路燈進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理，能夠降低消耗并且降低人工管理和維護(hù)路燈的費(fèi)用[6-7]。

1 ZigBee技術(shù)的可組網(wǎng)太陽(yáng)能LED路燈終端控制器的硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由ZigBee可組網(wǎng)控制的太陽(yáng)能LED路燈的終端控制器。該終端控制器包括STC12LE5616AD單片機(jī)主模塊、能產(chǎn)生10 V和3.3 V直流電的電源模塊、充電模塊和放電模塊以及ZigBee模塊，主模塊分別與充放電模塊、電源模塊、以及ZigBee模塊相連接。充電模塊通過(guò)與太陽(yáng)能板連接吸收太陽(yáng)能為蓄電池充電，上述兩個(gè)電路都與蓄電池連接。本文通過(guò)ZigBee模塊以及自身具備的控制功能，能夠使LED路燈成為組網(wǎng)控制終端，從而通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及路燈控制中心對(duì)路燈進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理，能夠降低消耗并且降低人工管理和維護(hù)路燈的費(fèi)用?？傇O(shè)計(jì)原理框圖，如圖1所示。

1.1 充電電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

充電電路是通過(guò)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，為太陽(yáng)能板進(jìn)行充電，然后將電能轉(zhuǎn)換為蓄電池的電能。充電電路也不是時(shí)時(shí)刻刻在給太陽(yáng)能板進(jìn)行充電，應(yīng)該根據(jù)實(shí)時(shí)的天氣進(jìn)行充電，如果太陽(yáng)能板上的電壓大于蓄電池電壓時(shí)，根據(jù)電勢(shì)能原理，應(yīng)該是太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，反之，則會(huì)關(guān)閉充電。在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)兩個(gè)N溝道的MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)充電控制的功能，但是前提是這兩個(gè)N溝道MOSFET必須鏡像對(duì)稱(chēng)。IRF3205雙柵場(chǎng)效應(yīng)管比較符合該充電電路設(shè)計(jì)的要求，由于它的導(dǎo)通壓降比較小在0.1～0.3 V內(nèi)，發(fā)熱量小，對(duì)電路不會(huì)造成破壞。

在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)充電控制功能是利用IRF3205雙柵場(chǎng)效應(yīng)管的N溝道MOSFET的Q1和Q2實(shí)現(xiàn)的。如果太陽(yáng)能板上的電勢(shì)比蓄電池上的電勢(shì)大時(shí)，僅僅一個(gè)N溝道MOSFET并不能實(shí)現(xiàn)充電電路的開(kāi)通和關(guān)斷，所以這里需要引入兩個(gè)N溝道MOSFET相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)充電電路的控制。太陽(yáng)能板產(chǎn)生了電壓Vmos，Vmos又給Q1的柵極提供電壓。太陽(yáng)能板的反接保護(hù)就是通過(guò)Q1的柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果太陽(yáng)能板反接，那么Q1將沒(méi)有正向的柵極電壓，無(wú)法導(dǎo)通，那么太陽(yáng)板就不會(huì)有任何的損壞。在電路中，為了保證處理器I/O接口不被損壞，使輸入/輸出能夠正常的運(yùn)行，在電路中采用P6KE68CA二極管，該二極管是雙向瞬態(tài)控制抑制二極管，可以避免電路中電子元件因?yàn)樗查g增大的電壓而損壞。在蓄電池充電的時(shí)候，太陽(yáng)能板上的電能會(huì)轉(zhuǎn)換到蓄電池中，太陽(yáng)能板上的電壓會(huì)大幅度的降低，所以在蓄電池充電時(shí)，可以不用對(duì)太陽(yáng)能板上的電壓進(jìn)行檢測(cè)。充電電流檢測(cè)原理圖，如圖2所示。

1.2 放電電路的設(shè)計(jì)

放電電路部分主要是將蓄電池中的電能釋放到LED負(fù)載上，以供LED負(fù)載照明，LED是一種典型的非線性發(fā)光二極管，如果LED兩端的電壓過(guò)低，二極管會(huì)處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)LED二極管兩邊的的電壓達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光，由于蓄電池電壓不容易控制，LED二極管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)電壓繼續(xù)增加，電流就會(huì)增大，如果不對(duì)電流加以限制，LED燈就會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而受到損壞，所以放電電路使用恒流控制方式。放電電路由升壓電路實(shí)現(xiàn)，升壓電路升壓，恒流驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。升壓電路的性能直接影響到控制電路的能量轉(zhuǎn)換效率、熱效率和使用壽命。升壓電路的工作過(guò)程是電感吸收能量和釋放能量的過(guò)程。對(duì)工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率是由處理器的PWM頻率來(lái)確定。在該設(shè)計(jì)中，PWM的頻率f滿(mǎn)足關(guān)系式：f=fosc/（2×256）;其中fosc是時(shí)鐘頻率，此處為11.059 2 MHZ，經(jīng)計(jì)算可得PWM頻率從為21.6 kHZ。

1.3 電源電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)控制電路的性能要求，一般的電路，對(duì)電壓的要求是12 V或者24 V。所以電源模塊的輸入電壓應(yīng)該為直流，大概范圍為10～28 V，電源的硬件需要提供兩種不同的直流電以供驅(qū)動(dòng)電路和其他電路的使用，由于驅(qū)動(dòng)電路是總電路的核心，所以需要配置直流10 V的電源，主電源電路，還有ZigBee模塊和時(shí)鐘電路的功耗低，所以這里配置3.3 V直流電以供電路的正常運(yùn)作。

1.4 ZigBee模塊的設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，ZigBee是一種短距離可以無(wú)線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，和藍(lán)牙比較相似，不過(guò)傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藍(lán)牙的傳輸距離，最大可以達(dá)到幾公里的傳輸距離，利于管理，該無(wú)線傳輸協(xié)議還能同時(shí)容納成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

此次設(shè)計(jì)在ZigBee硬件模塊的選擇上，使用了以8051為內(nèi)核具有無(wú)線通訊協(xié)議CC2530單片機(jī)。CC2530的性能以及資源如下：

（1）比較適合本次設(shè)計(jì)的電源電壓為2～3.6 V;

（2）功耗低，在接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下消耗的電流均不超過(guò)30 mA;

（3）性能優(yōu)良，以8051為內(nèi)核，具有提取代碼的功能;

（4）為8051增強(qiáng)型的單片機(jī)，具有8051單片機(jī)的一切性能;

（5）內(nèi)部寫(xiě)有ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議，有標(biāo)準(zhǔn)的RF接收器，具有極高的靈敏度（-97 dbm）;

（6）數(shù)字RSSI/LQI精確，AES安全處理器和硬件支持CSMA/CA。

CC2530基本上吻合該設(shè)計(jì)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求。因?yàn)橛胁黄胶馓炀€的存在，在這里需要用一個(gè)簡(jiǎn)單的巴倫電路來(lái)優(yōu)化因?yàn)樘炀€不平衡而影響CC2530接受信號(hào)時(shí)受到的干擾，以維持CC2530在傳輸信號(hào)時(shí)的穩(wěn)定。因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)是關(guān)于路燈的設(shè)計(jì)，通常情況下兩個(gè)路燈之間的距離大概在50 m左右，考慮到通訊的要求，兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的距離必須大于50 m。在此次的太陽(yáng)能LED燈ZigBee設(shè)計(jì)中，還存在著射頻功率的放大。在這里，引入了RFX2401C射頻功率放大電路。該芯片內(nèi)部具有接收開(kāi)關(guān)

電路，以及網(wǎng)絡(luò)匹配和濾波器。它的外圍電路比較簡(jiǎn)單，在網(wǎng)絡(luò)上很容易找到該芯片的電路原理圖，如圖3所示。

其中它的TXEN和RXEN引腳的作用是來(lái)控制芯片。在圖3中，RXEN一直保持為高電平，CC2530則接到TXEN。當(dāng)ZigBee需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RFX2401C將會(huì)切換到發(fā)送模式。

綜上所述，該設(shè)計(jì)通過(guò)ZigBee模塊以及其自身具備的控制功能，能夠使LED路燈成為組網(wǎng)控制終端，從而通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及路燈控制中心對(duì)路燈進(jìn)行統(tǒng)一控制管理，起到節(jié)能并降低人工管理、維護(hù)路燈的費(fèi)用。

2 ZigBee 技術(shù)的組網(wǎng)及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于ZigBee 技術(shù)的組網(wǎng)

該系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建：由ZigBee 協(xié)調(diào)器掃描空閑信道，當(dāng)找到空閑信道時(shí)，就將產(chǎn)生一個(gè)新的唯一的PAN 協(xié)調(diào)器標(biāo)識(shí)符，表示網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)建立后，允許其它節(jié)點(diǎn)連入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先要搜索信道，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后，它將申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)，最后路由節(jié)點(diǎn)允許其接入網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)后，則要通過(guò)詢(xún)問(wèn)路由器節(jié)點(diǎn)，重新申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)[8]。

2.2 ZigBee模塊數(shù)據(jù)的流程設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽(yáng)能路燈開(kāi)始投入到應(yīng)用中，首先應(yīng)該對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，根據(jù)對(duì)太陽(yáng)能板上的電壓檢測(cè)判斷是否為白天，如果為白天，通過(guò)檢測(cè)到的太陽(yáng)能板上的電壓檢測(cè)數(shù)值的大小判斷是否陽(yáng)光充足。如果陽(yáng)光充足，蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池兩端的電壓超過(guò)12 V時(shí)，考慮到對(duì)蓄電池的充電保護(hù)，系統(tǒng)又回到初始化。如果陽(yáng)光不充足蓄電池就會(huì)關(guān)閉充電。如果為黑夜，蓄電池將會(huì)進(jìn)行放電，如果電壓小于12 V，將會(huì)回到初始化，就說(shuō)明今天白天陽(yáng)光不充足，沒(méi)有將蓄電池充滿(mǎn)，蓄電池

的電量只能給路燈供電很短的時(shí)間。反之，路燈發(fā)光，并通過(guò)無(wú)線通信記錄。

當(dāng)硬件電路程序設(shè)計(jì)完整無(wú)誤后，進(jìn)入到最為重要的環(huán)節(jié)，為ZigBee內(nèi)部程序的編寫(xiě)。因?yàn)閆igBee有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，在本環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)先初始化網(wǎng)絡(luò)，等待節(jié)點(diǎn)的加入，如果節(jié)點(diǎn)加入成功，將會(huì)進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)，反之，則繼續(xù)等待節(jié)點(diǎn)的加入。節(jié)點(diǎn)加入之后，接受發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到硬件電路模塊，檢查是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，則會(huì)接受新的數(shù)據(jù)，反之則會(huì)繼續(xù)等待發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊： ZigBee模塊設(shè)計(jì)、GPRS模塊設(shè)計(jì)、上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ZigBee 模塊設(shè)計(jì)包括： 協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中根據(jù)不同功能的模塊，應(yīng)下載不同的程序類(lèi)型， ZigBee 模塊軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了路燈電流檢測(cè)、路燈狀況判斷以及路燈開(kāi)關(guān)控制。GPRS模塊通過(guò)串口連接ZigBee協(xié)調(diào)器， 實(shí)現(xiàn)了中轉(zhuǎn)ZigBee 采集的數(shù)據(jù)， 并通過(guò)專(zhuān)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞給GPRS 模塊。

GPRS 軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信息交流的橋梁。GPRS模塊主要功能是收集ZigBee 協(xié)調(diào)器采集的數(shù)據(jù)， 并傳送命令給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。不僅如此，GPRS 模塊還連接管理軟件和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、信息命令的下達(dá)，所以要求通信協(xié)議具有高可靠性和良好的安全性[9]。

3 總結(jié)

結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了ZigBee技術(shù)的可組網(wǎng)太陽(yáng)能LED路燈終端控制器， 該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)路燈工作狀況， 根據(jù)路燈故障類(lèi)型進(jìn)行報(bào)警信息發(fā)送及故障地點(diǎn)通知等功能，管理員能夠?qū)λ新窡暨h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、管理與分析。該系統(tǒng)能夠達(dá)到節(jié)能目的， 降低了資金投入、減少了管理費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)果證明該路燈終端控制器具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)用價(jià)值，是一種網(wǎng)絡(luò)化的路燈控制系統(tǒng)[10]。

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（收稿日期： 2019.07.26）