基于ZigBee的太陽(yáng)能燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

徐 進(jìn)

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院SOC 研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215009；2．東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高和經(jīng)濟(jì)進(jìn)步，城市照明系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，如何節(jié)約能源，提高燈光照明系統(tǒng)管理水平，已經(jīng)是急需解決的課題。

對(duì)于照明燈具的開(kāi)關(guān)控制，人們一直都在尋求一種既高效又可靠的辦法。近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能燈光控制已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，例如北京市路燈在每臺(tái)變壓器都裝了一個(gè)編好程序的控制儀，按照日出和日落的時(shí)間控制路燈的亮滅。廣州采用RDD-3000 城市照明集中監(jiān)控系統(tǒng)，兼容有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)方式，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)功能，可按本地的經(jīng)緯度自動(dòng)控制燈具開(kāi)或關(guān)，并能報(bào)告運(yùn)行故障，指出故障路段。這些應(yīng)用都極大地證明了智能燈光控制的現(xiàn)實(shí)性。

一個(gè)完整的智能照明控制系統(tǒng)需要具有以下功能和要求[1]：(1)控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信；(2)通過(guò)編程，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組控制；(3)能傳輸開(kāi)關(guān)、亮度、故障分類(lèi)等信號(hào)，利于節(jié)能和故障檢測(cè)；(4)簡(jiǎn)潔的組網(wǎng)方式，方便維護(hù)，擴(kuò)展性好；(5)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品間實(shí)現(xiàn)互操作；(6)強(qiáng)抗干擾能力和較遠(yuǎn)的傳輸距離。

1 太陽(yáng)能燈介紹

太陽(yáng)能燈是其中一項(xiàng)新的節(jié)約能源技術(shù)，它的原理是：太陽(yáng)電池板受到光的照射時(shí)，白天吸收光照，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池里，到晚上通過(guò)蓄電池為燈具供電，用以照明。它不但省電而且環(huán)保，在燈具節(jié)能中有著很好的應(yīng)用前景，并充分體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的概念。但是太陽(yáng)能燈在應(yīng)用上同時(shí)也存在高成本、照度低、供電不穩(wěn)定和控制可靠性較差、導(dǎo)致蓄電池和LED 燈泡容易損壞等問(wèn)題，這些導(dǎo)致了太陽(yáng)能燈在應(yīng)用過(guò)程中存在著種種障礙。

太陽(yáng)能燈主要由以下幾個(gè)部分組成：太陽(yáng)電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組、光源，如果要求輸出電源為交流220 V 或110 V，還需要配置逆變器。

太陽(yáng)電池板是太陽(yáng)能燈中的核心部分，也是太陽(yáng)能燈中價(jià)值最高的部分，其作用是將太陽(yáng)輻射的能量轉(zhuǎn)換為電能，然后送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。其中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池及非晶硅太陽(yáng)電池等三種。

對(duì)太陽(yáng)能燈具而言，一個(gè)性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，必須對(duì)它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過(guò)充電及深度充電。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。

由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd 蓄電池、Ni-H 蓄電池。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，太陽(yáng)電池功率必須比負(fù)載功率高出4 倍以上，太陽(yáng)電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓20%～30%，蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6 倍以上為宜。

太陽(yáng)能燈采用何種光源是太陽(yáng)能燈具是否能正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽(yáng)能燈具有如下幾種：低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無(wú)極燈、LED 光源。其中LED 燈壽命較長(zhǎng)，可達(dá)1 000 000 h，工作電壓低，不需要逆變器，而且光效較高。隨著技術(shù)進(jìn)步，LED 燈的性能將進(jìn)一步提高，LED 作為太陽(yáng)能燈的光源將是一種趨勢(shì)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本研究中的無(wú)線(xiàn)太陽(yáng)能燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下三部分組成：

(1)底層的數(shù)據(jù)采集及單燈控制層：每盞太陽(yáng)能燈都裝有基于ZigBee 的無(wú)線(xiàn)路燈控制器，控制器一方面采集電流、電壓、光照度等信息，將這些信息傳送至協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)，另一方面接收來(lái)自于協(xié)調(diào)器發(fā)出的ZigBee 信號(hào)，并根據(jù)控制需求產(chǎn)生PWM 信號(hào)至LED 驅(qū)動(dòng)來(lái)控制路燈的相應(yīng)操作；

(2)數(shù)據(jù)傳輸層：該層由嵌入式網(wǎng)關(guān)和ZigBee 協(xié)調(diào)器構(gòu)成，主要的功能是上下行數(shù)據(jù)的處理。上行數(shù)據(jù)就是底層的采集數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器把從ZigBee 節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的傳感器參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心，以供控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；下行數(shù)據(jù)就是控制中心所產(chǎn)生的控制命令，需要能通過(guò)網(wǎng)關(guān)下傳至各控制節(jié)點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)燈的控制。

各終端ZigBee 節(jié)點(diǎn)與ZigBee 協(xié)調(diào)器之間采用無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸方式，利用Z-Stack 協(xié)議棧創(chuàng)建底層通信模塊，ZigBee 協(xié)調(diào)器與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間采用串口相連，而嵌入式網(wǎng)關(guān)所提供的功能是將符合Z-Stack 協(xié)議的數(shù)據(jù)改裝成遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)格式。在本設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)可利用以太網(wǎng)，也可采用3G 或4G 網(wǎng)絡(luò)，只需所選嵌入式芯片攜帶相應(yīng)模塊就可；

(3)控制中心：控制中心由服務(wù)器來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，服務(wù)器中創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)及監(jiān)控程序，利用監(jiān)控程序來(lái)分析存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并依據(jù)所設(shè)定的算法進(jìn)行燈光的開(kāi)啟、關(guān)閉、亮度等控制操作。同時(shí)服務(wù)器還是客戶(hù)端軟件與底層硬件系統(tǒng)的橋梁，可以在服務(wù)器中設(shè)置與其他客戶(hù)端的連接程序，例如手機(jī)客戶(hù)端程序，從而實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)等設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)艟哌\(yùn)行狀態(tài)和接收采樣信息的功能。

3 硬件部分實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用Tiny4412 開(kāi)發(fā)板，它是高性能的32 位Cortex-A9 核心板，采用三星高性能的Exynos4412 四核處理器，可支持以太網(wǎng)連接，Linux 及Android 等操作系統(tǒng)，非常適合于智能控制。

ZigBee 節(jié)點(diǎn)采用CC2530。CC2530 內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 微處理器和性能優(yōu)越的RF 收發(fā)器，支持IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，具有控制靈敏度高、安全性好、組網(wǎng)成本低、功耗低的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)中采用的CC2530F256RHAR 型號(hào)的主要參數(shù)及芯片的引腳如圖1所示[2]。

CC2530 核心板外圍電路的設(shè)計(jì)原則遵循TI 公司的參考設(shè)計(jì)電路，如圖2所示。

圖1 CC2530芯片介紹

圖2 TICC2530外圍電路參考

如圖2所示，CC2530 芯片工作電壓范圍為2～3.6 V，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的供電電壓為5 V，可以使用USB 口供電，也可以使用化學(xué)電池供電，電壓的變換通過(guò)片內(nèi)集成的低壓差穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)生內(nèi)核工作所需的1.8 V 電壓。同時(shí)，為提高電源工作的穩(wěn)定性，還為1.8 V 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的去耦電容，通過(guò)CC2530 芯片管腳40 接一個(gè)1 μF 的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。

核心板的晶振部分是由1 個(gè)32 MHz 的石英諧振器和2個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)32 MHz 的晶振電路，具體晶振頻率為32.768 kHz，并分別使用15P 和27P 的電容來(lái)提高RC 震蕩的精度。

對(duì)于CC2530 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的是天線(xiàn)設(shè)計(jì)。因?yàn)閆ig-Bee 節(jié)點(diǎn)在我國(guó)的工作頻段是2.4 GHz，這個(gè)頻段是一個(gè)免費(fèi)的高頻頻段，其他無(wú)線(xiàn)傳輸方式，例如藍(lán)牙也是工作在這個(gè)頻段，因此容易受到干擾。由于燈光控制屬于遠(yuǎn)距離控制，所以本設(shè)計(jì)采用SMA 天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，理論有效范圍可達(dá)400 米左右，但是SMA 天線(xiàn)屬于單極性天線(xiàn)，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)分立LC巴倫電路，從而利用巴倫算法來(lái)優(yōu)化其性能。

本設(shè)計(jì)當(dāng)中的傳感器最主要的是光敏傳感器，采用的是目前最常見(jiàn)、性能穩(wěn)定的GY30 數(shù)字光模塊。GY30 需要利用I2C 總線(xiàn)與CC2530 的引腳進(jìn)行相連，而CC2530 芯片中并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的的I2C 總線(xiàn)的硬件接口(在CC2533 芯片中有I2C 總線(xiàn)的硬件接口)，所以需要用軟件進(jìn)行I2C 總線(xiàn)的模擬。具體的方法如下：

I2C 的驅(qū)動(dòng)在BH1750.c 和BH1750.h 中，其中封裝了I2C的開(kāi)始、結(jié)束、發(fā)送和接收，驅(qū)動(dòng)的封裝是按照I2C 技術(shù)相關(guān)文檔上的時(shí)序圖來(lái)完成的。下面的代碼就是I2C 的啟動(dòng)代碼：

void I2C_Start(void)

{

P0DIR|=0x20;

SDA=1; //數(shù)據(jù)線(xiàn)

P0DIR|=0x10;

SCL=1;//時(shí)鐘線(xiàn)

Delay_1us(50); //延時(shí)

P0DIR|=0x20;

SDA=0;

Delay_1us(50);

SCL=0;

Delay_1us(50);

}

4 總結(jié)

本文圍繞建立可實(shí)時(shí)監(jiān)控的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出利用ZigBee 技術(shù)來(lái)解決這一實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題，提出了整個(gè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并對(duì)其中的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

對(duì)于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，本文的設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步細(xì)化和提高，例如防雨及防雷的設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

[1]姚慶梅，牟洵，賈燕，等.地下車(chē)庫(kù)燈光智能控制系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014(14):239-243.

[2]夏路易.電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程Protel99SE[M].北京：北京希望電子工業(yè)出版社，2002.