基于ZigBee技术的太阳能路灯监测系统设计

刘洋

摘 要：为了实现太阳能路灯的集中管理，提高维护效率，降低维护成本，该文设计了一种基于ZigBee技术的太阳能路灯无线网络监测系统。系统以MSP430F149单片机为控制核心，通过霍尔电流传感器、电阻分压电路分别获取太阳能光伏板及蓄电池的电流、电压信息，并通过ZigBee无线网络传输到上位机显示，实现太阳能路灯系统的远程监测。监测系统具有低功耗、高稳定性、组网方便等优势。

关键词：ZigBee技术 太阳能路灯 MSP430单片机 设计

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0003-03

近年来，伴随着太阳能、LED照明技术的发展以及社会对高效节能、低碳环保的需求，太阳能路灯得到广泛的应用。由于太阳能路灯系统，是一种的独立的照明系统，它通过光伏板将太阳能转化为系统可用的电能，实现系统的独立运行。相对于传统的路灯照明系统，太阳能路灯系统具有节能环保、不受地域限制、无需布线、安装方便等优势，但也存在因布局分散、相对独立而导致的管理难度大、维护成本高等问题。为了解决这一问题，实现太阳能路灯系统的实时监测和集中管理，国内相关文献，提出了一些基于GPRS、Zigbee网络等无线网络的路灯监控方案。该文在相关研究基础上，提出了一种基于低功耗单片机的ZigBee技术实现太阳能路灯系统远程无线监测的方案，并给出了详细的软硬件设计。

1 系统组成及原理

如图1所示，太阳能路灯监测系统主要由独立太阳能路灯照明系统、无线通信控制系统以及监控计算机三大部分组成。

1.1 太阳能路灯照明系统

太阳能路灯照明系统由太阳能光伏板、太阳能充放电控制器、电池以及大功率LED路灯构成。白天，太阳能光伏板通过充电控制电路为蓄电池充电；夜间，蓄电池通过放电控制电路为LED路灯供电；充放电控制器主要起到稳压、防过冲过放的功能。路灯系统工作的好坏，主要受太阳能光伏板、蓄电池以及LED灯的好坏影响，而LED灯寿命较长，因此，对于太阳能路灯监控系统的设计，主要是监测太阳能光伏板以及蓄电池的工作参数，并进行反馈控制，进而实现对太阳能路灯系统的远程监控管理。

1.2 ZigBee简介

作为太阳能路灯监测系统的核心，无线通信控制系统将独立的太阳能路灯通过无线联系在了一起，形成了一个可以集中控制的系统。传统的无线路灯控制一般采用GPRS、CDMA、GSM等公共网络实现，但是这些网络具有申请流程复杂、资费高等缺点。该文结合路灯相对距离近、数目多等布设特点，选取ZigBee网络作为太阳能路灯监测系统的无线通信网络。

ZigBee技术基于IEEE 802.15.4标准，是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，该技术所支持的无线设备可以工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz频段，最大数据速率是250 kbps。ZigBee无线网络通常包含三种逻辑设备类型：协调器、路由器以及终端设备，可以实现星形、簇状形和网状型等多种拓扑结构。如图2所示，一个ZigBee多点通信网络至少包含一个协调器、一个或多个路由器以及终端设备节点。每个网络开始必须要有一个协调器，它负责建立和配置网络，网络建立完成后可作为路由节点使用；路由器负责网络中终端设备与控制节点的数据传递，可以用来拓展网络节点；终端设备负责具体功能的实现，对维护网络没有作用。

该文采用的是DiGi公司的XBee-PRO模块，模块以ZigBee协议，运作在ISM 2.4 GHz频段。模块只需要最小的功率，就能提供远程设备之间的数据传输的可靠性，其传输距离室内或城市中可达100 m，户外视线距离传输高达1500 m。该模块也因具有接口简单、设置方便、稳定性高、功耗低等特点，已被广泛应用于电力电子等领域。本文根据ZigBee网络结果设计了一个包含一个主节点、两个从节点的小型无线通信网络，网络主节点作为协调器，负责建立网络、发送控制指令以及接收、转发测量数据，从节点主要完成在主节点指令要求下的数据采集与发送，如果网络需要中继传送，从节点还要担当路由器的角色[7]。

1.3 监控计算机

监控计算机经串行通信接口与网络主节点建立连接，监控计算机通过上位机界面实时获取各个节点的数据，并通过主节点发送控制指令，实现各个节点的监测控制。

2 硬件设计

2.1 测量电路

本系统主要通过获取电流、电压两个参数，实现太阳能路灯系统工作状态的监控。因单片机I/O接口只能接收0～5 V的电压信号，电流参数，采用霍尔电流传感器测量，霍尔电流传感器可以在几乎不消耗能量情况下，将电流信号线性转换为电压信号输出，可以满足低功耗的需求。本系统采用HKA0.5-NP霍尔电流传感器，传感器额定输出电压为（4±1%）V，±12 V双电源供电，测量电流范围为0～1.5 A，基本满足小型太阳能路灯系统的应用。系统电压参数，采用电阻分压的方式测量。测量电路，如图3所示。

2.2 控制电路

太阳能路灯系统作为一个独立的供电系统，控制系统的设计需满足低功耗的要求。本方案，采用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149为控制核心，而且该单片机具有12位A/D转换器、UART等外设，满足了系统采样以及串行通信的需要。如图4所示，测量电路测得的电流、电压信号，经低通滤波后收入到单片机，单片机经过运算处理，获得实时电流电压信息后，通过异步串行通信接口传递给Xbee-PRO无线通信模块。

2.3 无线通信

作为监测系统的重要组成部分，Xbee-PRO模块起到组建网络、传递监测信息及控制指令的作用。如图5所示，模块DOUT、DIN引脚与单片机异步串行接口连接，单片机可以通过异步串行通信以透明传输的方式与模块实现数据、指令的接收与发送。

3 软件设计

3.1 软件流程

系统软件设计流程主要包括网络组建、参数测量、实时显示及无线传输四部分，如图6所示，系统初始化后，网络协调器（主节点）建立ZigBee网络，终端器（从节点）搜索网络，并按照设置加入网络，系统发送指令测试网络是否连接成功，网络连接成功后，单片机处理传感器获取的电流、电压信息，通过液晶实时显示电流、电压数据，同时将数据发送给主节点，在上位机上显示出来。上位机也可以通过主节点给终端发送控制指令，实现终端的控制。

3.2 系统测试

系统主要针对太阳能路灯工作参数监测进行了测试。该文选取10 W太阳能板、蓄电池（6 V）、太阳能控制器、LED灯以及本文设计的监测装置组成太阳能路灯终端（从节点），以另外一个监测终端为主节点，利用PC机串口助手，进行了系统测试。

该文在11：30～14：30时间段内，对太阳能路灯系统进行了测试，测试数据如图7所示，路灯系统的太阳能光伏板、蓄电池的电压、电流参数基本保持在正常波动范围内，无异常突变，据此可以判断太阳能板路灯系统工作正常，太阳能路灯无线监测装置可以实现太阳能路灯的无线监测的目的。

4 结语

伴随着LED照明技术的普及，太阳能LED路灯已经得到广泛的应用，而智能路灯系统作为智慧城市的重要组成部分，如何低功耗、高稳定性的实现路灯的智能管理已成为当前迫切要解决的问题。该文针对这一需求，提出了一种太阳能路灯无线监控系统设计方案，该方案考虑到了系统的低功耗、组网方便以及易于扩展等特点，经实际系统调试验证了监测设备的稳定性及覆盖范围的可行性，该系统可以满足太阳能路灯系统的监测需求。

参考文献

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