基于ZigBee的太阳能灯监测系统的研究

2015-06-28徐进

电源技术 2015年10期

徐进

(1.苏州经贸职业技术学院SOC 研发中心，江苏苏州 215009；2．东南大学机械工程学院，江苏南京 210096)

随着我国城市化水平的不断提高和经济进步，城市照明系统不断扩大，如何节约能源，提高灯光照明系统管理水平，已经是急需解决的课题。

对于照明灯具的开关控制，人们一直都在寻求一种既高效又可靠的办法。近几年来，随着电力电子技术的不断进步，智能灯光控制已经成为现实，例如北京市路灯在每台变压器都装了一个编好程序的控制仪，按照日出和日落的时间控制路灯的亮灭。广州采用RDD-3000 城市照明集中监控系统，兼容有线和无线方式，可实现遥测功能，可按本地的经纬度自动控制灯具开或关，并能报告运行故障，指出故障路段。这些应用都极大地证明了智能灯光控制的现实性。

一个完整的智能照明控制系统需要具有以下功能和要求[1]：(1)控制网络能够实现点对点及多点对多点的通信；(2)通过编程，能够对网络内的节点进行分组控制；(3)能传输开关、亮度、故障分类等信号，利于节能和故障检测；(4)简洁的组网方式，方便维护，扩展性好；(5)尽可能选择标准协议，在不同厂家的产品间实现互操作；(6)强抗干扰能力和较远的传输距离。

1 太阳能灯介绍

太阳能灯是其中一项新的节约能源技术，它的原理是：太阳电池板受到光的照射时，白天吸收光照，将太阳能转化为电能储存在蓄电池里，到晚上通过蓄电池为灯具供电，用以照明。它不但省电而且环保，在灯具节能中有着很好的应用前景，并充分体现了循环经济的概念。但是太阳能灯在应用上同时也存在高成本、照度低、供电不稳定和控制可靠性较差、导致蓄电池和LED 灯泡容易损坏等问题，这些导致了太阳能灯在应用过程中存在着种种障碍。

太阳能灯主要由以下几个部分组成：太阳电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源，如果要求输出电源为交流220 V 或110 V，还需要配置逆变器。

太阳电池板是太阳能灯中的核心部分，也是太阳能灯中价值最高的部分，其作用是将太阳辐射的能量转换为电能，然后送至蓄电池中存储起来。其中较普遍且较实用的有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池及非晶硅太阳电池等三种。

对太阳能灯具而言，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。

由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd 蓄电池、Ni-H 蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：为保证系统正常运行，太阳电池功率必须比负载功率高出4 倍以上，太阳电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%，蓄电池容量必须比负载日耗量高6 倍以上为宜。

太阳能灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具有如下几种：低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED 光源。其中LED 灯寿命较长，可达1 000 000 h，工作电压低，不需要逆变器，而且光效较高。随着技术进步，LED 灯的性能将进一步提高，LED 作为太阳能灯的光源将是一种趋势。

2 系统整体设计

本研究中的无线太阳能灯监控系统主要由以下三部分组成：

(1)底层的数据采集及单灯控制层：每盏太阳能灯都装有基于ZigBee 的无线路灯控制器，控制器一方面采集电流、电压、光照度等信息，将这些信息传送至协调器及网关，另一方面接收来自于协调器发出的ZigBee 信号，并根据控制需求产生PWM 信号至LED 驱动来控制路灯的相应操作；

(2)数据传输层：该层由嵌入式网关和ZigBee 协调器构成，主要的功能是上下行数据的处理。上行数据就是底层的采集数据，协调器把从ZigBee 节点传送来的传感器参数通过网络上传至控制中心，以供控制中心进行数据分析；下行数据就是控制中心所产生的控制命令，需要能通过网关下传至各控制节点，以便实现对单个灯的控制。

各终端ZigBee 节点与ZigBee 协调器之间采用无线信号传输方式，利用Z-Stack 协议栈创建底层通信模块，ZigBee 协调器与嵌入式网关之间采用串口相连，而嵌入式网关所提供的功能是将符合Z-Stack 协议的数据改装成远程网络所需的数据格式。在本设计中，远程通信网络可利用以太网，也可采用3G 或4G 网络，只需所选嵌入式芯片携带相应模块就可；

(3)控制中心：控制中心由服务器来担当，服务器中创建相应数据库及监控程序，利用监控程序来分析存放在数据库中的监控数据，并依据所设定的算法进行灯光的开启、关闭、亮度等控制操作。同时服务器还是客户端软件与底层硬件系统的桥梁，可以在服务器中设置与其他客户端的连接程序，例如手机客户端程序，从而实现利用手机等设备对系统进行整体监控，实时监控灯具运行状态和接收采样信息的功能。

3 硬件部分实现

本系统网关采用Tiny4412 开发板，它是高性能的32 位Cortex-A9 核心板，采用三星高性能的Exynos4412 四核处理器，可支持以太网连接，Linux 及Android 等操作系统，非常适合于智能控制。

ZigBee 节点采用CC2530。CC2530 内部集成了标准增强型8051 微处理器和性能优越的RF 收发器，支持IEEE 802.15.4 标准，具有控制灵敏度高、安全性好、组网成本低、功耗低的优势。本系统中采用的CC2530F256RHAR 型号的主要参数及芯片的引脚如图1所示[2]。

CC2530 核心板外围电路的设计原则遵循TI 公司的参考设计电路，如图2所示。

图1 CC2530芯片介绍

图2 TICC2530外围电路参考

如图2所示，CC2530 芯片工作电压范围为2～3.6 V，本设计设计的供电电压为5 V，可以使用USB 口供电，也可以使用化学电池供电，电压的变换通过片内集成的低压差稳压器来实现，低压差稳压器产生内核工作所需的1.8 V 电压。同时，为提高电源工作的稳定性，还为1.8 V 稳压器设计了相应的去耦电容，通过CC2530 芯片管脚40 接一个1 μF 的电容来实现。

核心板的晶振部分是由1 个32 MHz 的石英谐振器和2个电容构成一个32 MHz 的晶振电路，具体晶振频率为32.768 kHz，并分别使用15P 和27P 的电容来提高RC 震荡的精度。

对于CC2530 系统来说，最重要的是天线设计。因为Zig-Bee 节点在我国的工作频段是2.4 GHz，这个频段是一个免费的高频频段，其他无线传输方式，例如蓝牙也是工作在这个频段，因此容易受到干扰。由于灯光控制属于远距离控制，所以本设计采用SMA 天线设计方法，理论有效范围可达400 米左右，但是SMA 天线属于单极性天线，所以设计了一个分立LC巴伦电路，从而利用巴伦算法来优化其性能。

本设计当中的传感器最主要的是光敏传感器，采用的是目前最常见、性能稳定的GY30 数字光模块。GY30 需要利用I2C 总线与CC2530 的引脚进行相连，而CC2530 芯片中并没有专门的的I2C 总线的硬件接口(在CC2533 芯片中有I2C 总线的硬件接口)，所以需要用软件进行I2C 总线的模拟。具体的方法如下：

I2C 的驱动在BH1750.c 和BH1750.h 中，其中封装了I2C的开始、结束、发送和接收，驱动的封装是按照I2C 技术相关文档上的时序图来完成的。下面的代码就是I2C 的启动代码：

void I2C_Start(void)

{

P0DIR|=0x20;

SDA=1; //数据线

P0DIR|=0x10;

SCL=1;//时钟线

Delay_1us(50); //延时

P0DIR|=0x20;

SDA=0;

Delay_1us(50);

SCL=0;