ZigBee的光伏照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 ZigBee的光伏照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的光伏照明控制系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造和節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案，以及軟件構(gòu)造設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用CC2430實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，采用CC2591功率放大器提高發(fā)射功率，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，有效地克服了傳統(tǒng)照明控制方式落后和布線復(fù)雜等缺點(diǎn)。 引言 光伏發(fā)電作為利用太陽能的主要方式，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。光伏照明是一種獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要用于城市和建筑物照明系統(tǒng)的建設(shè)和改造。目前，照明控制系統(tǒng)中多采用有線網(wǎng)絡(luò)方式，維護(hù)起來比較復(fù)雜，如何簡(jiǎn)化施工、降低成本并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制是一個(gè)值得探討的問題。本文介紹了

2、一種利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方案，并給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)。 1 光伏照明控制系統(tǒng)組成及工作原理 光伏照明控制系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)3個(gè)部分組成。 光伏發(fā)電系統(tǒng)由建筑頂部的太陽能電池板、鉛酸蓄電池組和光伏充電機(jī)構(gòu)成。太陽能電池是照明系統(tǒng)的輸入電源，為照明系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。白天，在光照充足的條件下將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)光伏充電機(jī)對(duì)蓄電池組充電；夜晚，蓄電池組將儲(chǔ)存的電能經(jīng)光伏充電機(jī)切換輸出到路燈負(fù)載。當(dāng)光伏充電機(jī)對(duì)蓄電池組開展充電時(shí)，為延長(zhǎng)蓄電池壽命，必須防止蓄電池處于過充電或者過放電的狀態(tài)。因此，需要對(duì)光伏充電機(jī)充電電流

3、、電壓和發(fā)電量等數(shù)據(jù)開展實(shí)時(shí)監(jiān)控和保存，還要求能對(duì)路燈開展獨(dú)立的開關(guān)控制。 由于本系統(tǒng)中太陽能電池板位于圖書館頂部，監(jiān)控計(jì)算機(jī)處于相隔200 m的另外一個(gè)建筑物中，中間相隔了水池，如果采用有線通信方式則需要重新開展布線，施工復(fù)雜且成本較高，因此，采用無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線通信方式不僅簡(jiǎn)單靈活，無需考慮布線問題，還可以通過和其他總線通信方式的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和路燈控制。采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸；同時(shí)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)控制路燈的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和燈光控制效果。控制范圍在300 m以內(nèi)，如果增加路由器，還可擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的范圍。

4、ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度的無線傳輸技術(shù)，非常適合于低功耗和低數(shù)據(jù)量的短距離無線傳輸。ZigBee的低功耗特點(diǎn)限制了節(jié)點(diǎn)之間的通信距離(一般為70 m)。本系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)之間的距離超過了其正常通信距離。有2種解決方法：一種是通過增加路由器節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)大覆蓋范圍，缺點(diǎn)是增加硬件成本；另一種是利用PA(Power Amplification，功率放大)提高發(fā)射功率，該方法較為簡(jiǎn)單且成本較低。本設(shè)計(jì)中采用后者來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。 ZigBee設(shè)備可分為全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD可以與RFD或者FFD通信，而RFD只能和FFD通信；FFD可作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)

5、調(diào)器、路由器或終端設(shè)備，RFD只能作為終端設(shè)備。本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過RS485總線相連，負(fù)責(zé)建立、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，控制其他節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)等功能。路由器通過RS485總線和光伏充電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)其數(shù)據(jù)的采集和控制，終端節(jié)點(diǎn)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的命令控制路燈電源的開關(guān)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造支持星形(Star)、樹形(Clustetree)和網(wǎng)狀(Mesh)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，無線網(wǎng)絡(luò)采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，系統(tǒng)組成如圖1所示。 監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)光伏數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)管理，通過RS485總線和安裝在戶外的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開展通信。光伏充電機(jī)數(shù)據(jù)通過RS485總線傳送到路由器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。路由器

6、還起到延長(zhǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離的作用。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送命令給路由器，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)電源開關(guān)的切換控制。路燈供電線纜通電后，終端節(jié)點(diǎn)參加ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)終端節(jié)點(diǎn)開展檢查，并將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送命令給各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)路燈電源開關(guān)導(dǎo)通或者斷開，從而實(shí)現(xiàn)路燈的單獨(dú)或者分段照明控制。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)景觀燈效果時(shí)，可通過監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)向各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的控制命令。 2 硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 考慮到無線通信系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能不完全相同，為了方便硬件設(shè)計(jì)和降低成本，對(duì)硬件部分開展了模塊化處理。節(jié)點(diǎn)的部分為ZigBee通信模塊，設(shè)計(jì)成只負(fù)責(zé)RF收發(fā)

7、，其他部分由路燈開關(guān)模塊、電源和RS485通信模塊等構(gòu)成。無線通信模塊采用支持ZigBee協(xié)議的超低功耗SoC芯片CC2430。該芯片集成ZigBee射頻RF前端、內(nèi)存和微控制器，具有8位增強(qiáng)型8051 MCU、128KB可編程閃存和8 KB的RAM，另外還包含AD轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、AESl28協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程IO引腳。TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧，可以方便地完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 2.1 ZigBee通信模塊硬件設(shè)計(jì) 圖2為ZigBee通信模塊原理圖。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和其他節(jié)點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn)，只采用CC24

8、30時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。為延長(zhǎng)無線通信模塊的通信距離，又采用了TI公司的高性能射頻前端CC2591。CC2591可提供22 dBm的輸出功率，能夠與CC2430無縫連接，射頻輸入輸出之間不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)單起見，圖中沒有給出電源和退耦電路、GPIO、JTAG等部分，空余引腳通過排座引出以便與其他模塊連接。 CC2591的HGM引腳為增益控制，當(dāng)它為高電平時(shí)處于高增益模式；EN和PAEN為高電平時(shí)CC2591工作在正常模式，為低電平時(shí)進(jìn)入低功耗模式。R1、R2為偏置電阻，為晶體振蕩器提供合適的工作電流。天線采用50 鞭狀天線。由于ZigBee模塊工作在2.4 GHz頻段，對(duì)PCB設(shè)計(jì)

9、要求很高，PCB板材、元件封裝、布局和布線必須參照TI公司的參考設(shè)計(jì)。特別是天線阻抗匹配部分，在布線中應(yīng)直接采用TI公司提供的GERBER文件，復(fù)制其PCB布線方式才能保證CC2591的高性能和穩(wěn)定性。另外，PCB的電源退耦和地線處理也非常重要，退耦電容應(yīng)盡可能接近電源引腳，PCB空余的部分需開展覆銅接地處理，在頂層和底層覆銅之間按照一定的間隔用過孔相連。 2.2 協(xié)調(diào)器和路由器硬件設(shè)計(jì) 由于協(xié)調(diào)器和路由器都需要通過RS485總線和其他設(shè)備開展遠(yuǎn)距離通信，因此需要設(shè)計(jì)RS485通信模塊與ZigBee通信模塊相連。通信模塊采用MAX485和光耦實(shí)現(xiàn)，MAX485通過CC2430的PO.5腳完成R

10、S485收發(fā)控制。CC2430電源采用LTlll7-3.3等芯片供電。在ZigBee協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)路由控制等功能，因此必須保持工作狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)采集的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器正常工作時(shí)采用外部交流電源供電。當(dāng)外部交流電源掉電時(shí)，通過微處理器監(jiān)控芯片ADM690實(shí)現(xiàn)電源切換，利用電池組對(duì)其供電，以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定工作。ADM690具有低功耗、低導(dǎo)通電阻和大電流輸出等特性，非常適合實(shí)現(xiàn)微處理器的電池后備功能。該電路設(shè)計(jì)如圖3所示。其中，R1為充電限流電阻，在外部電源正常時(shí)可以對(duì)電池涓流充電。 2.3 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 終端節(jié)點(diǎn)的功能是接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令控制

11、路燈開關(guān)。其電源是在監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送命令到光伏充電機(jī)對(duì)路燈供電線纜供電之后提供，因此硬件部分不需要電池后備功能、光伏照明系統(tǒng)中供電電壓為直流220 V，終端節(jié)點(diǎn)電源部分采用DC-DC開關(guān)電源產(chǎn)生5 V直流供電，路燈開關(guān)控制則通過CC2430的GPIO和三極管控制繼電器實(shí)現(xiàn)。由于CC2430只有引腳P1.O和P1.1具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力，而其他引腳驅(qū)動(dòng)電流為4 mA，所以使用SN74HC04D作為輸出緩沖。其原理圖如圖4所示。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序、終端節(jié)點(diǎn)程序和監(jiān)控計(jì)算機(jī)程序。監(jiān)控計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏照明系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，LED路燈

12、通斷控制，以及與之相連的另外一套光伏發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信通過二進(jìn)制編碼的方式開展通信，每隔5 s發(fā)送1次采集命令。其數(shù)據(jù)包格式如下： 其中，數(shù)據(jù)包*(HEADER)占2字節(jié)，可設(shè)置為0 x81、Ox82，用于區(qū)分是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)包輸出還是數(shù)據(jù)包輸入；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(LENGTH)為1字節(jié)；命令類型包括充電機(jī)數(shù)據(jù)采集、路燈開關(guān)狀態(tài)采集、環(huán)境參數(shù)采集等；數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由LENGTH指定；數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)占1字節(jié)。 ZigBee節(jié)點(diǎn)程序是在TI公司提供的ZStack-1.4.3-1.2.1協(xié)議棧的根底上編寫的，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立、節(jié)點(diǎn)參加和退出、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該協(xié)議棧將

13、應(yīng)用層和堆棧層開展了分離，提供了類似于操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制(OSAL)(主要包括任務(wù)的注冊(cè)、初始化、啟動(dòng)，任務(wù)間的消息交換，任務(wù)同步，中斷處理，以及時(shí)間管理和內(nèi)存分配等)，具有很好的可移植性。 節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。當(dāng)對(duì)硬件和協(xié)議棧各層初始化后，采用有限狀態(tài)機(jī)以事件輪詢方式對(duì)事件開展處理。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，則判斷事件優(yōu)先級(jí)后逐次處理。該協(xié)議棧提供了豐富的API函數(shù)供用戶調(diào)用，這種軟件構(gòu)架可方便地構(gòu)造用戶應(yīng)用程序。由于對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的供電是由光伏充電機(jī)根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的命令來控制，因此在正常情況下終端節(jié)點(diǎn)每天都會(huì)加人和退出網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的通信有兩種尋址方式，分別通過固定的64位IE

14、EE地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址來尋找網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。當(dāng)節(jié)點(diǎn)參加ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它可以通過協(xié)調(diào)器隨機(jī)獲取的l6位網(wǎng)絡(luò)地址。光伏照明系統(tǒng)要求能按照路燈的編號(hào)任意控制其點(diǎn)亮或者關(guān)閉，而要與特定節(jié)點(diǎn)通信必須采用IEEE地址，故利用TI公司提供的SmartRF軟件對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的64位IEEE地址開展人工分配。協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)使用AF_DataReqt-lest()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)需要節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址作為參數(shù)，通過IEEE地址獲取16位網(wǎng)絡(luò)地址的功能由NLME_GetShortAddr()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)中，在應(yīng)用層添加用戶所需要的任務(wù)，對(duì)接收到的事件開展處理。節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)需完成以下工作：初始化CC2430和協(xié)議棧；幫助協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)PAN ID，等待其他節(jié)點(diǎn)參加網(wǎng)絡(luò)；對(duì)監(jiān)控計(jì)算機(jī)傳送的命令開展解析和轉(zhuǎn)發(fā)；讀取路由器和各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)處理。 配置ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZD0)端點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)其端點(diǎn)ID和端點(diǎn)描述符必須相同，否