發(fā)布時間:2018/8/20 8:57:23 來源:本站
近年來,伴隨著太陽能、LED照明技術(shù)的發(fā)展以及社會對高效節(jié)能、低碳環(huán)保的需求,太陽能路燈得到廣泛的應(yīng)用。由于太陽能路燈系統(tǒng),是一種的獨立的照明系統(tǒng),它通過光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可用的電能,實現(xiàn)系統(tǒng)的獨立運行。相對于傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng),太陽能路燈系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、不受地域限制、無需布線、安裝方便等優(yōu)勢,但也存在因布局分散、相對獨立而導(dǎo)致的管理難度大、維護成本高等問題。為了解決這一問題,實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)的實時監(jiān)測和集中管理,國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn),提出了一些基于GPRS、Zigbee網(wǎng)絡(luò)等無線網(wǎng)絡(luò)的路燈監(jiān)控方案。該文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上,提出了一種基于低功耗單片機的ZigBee技術(shù)實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測的方案,并給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計。
如圖1所示,太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)主要由獨立太陽能路燈照明系統(tǒng)、無線通信控制系統(tǒng)以及監(jiān)控計算機三大部分組成。
1.1 太陽能路燈照明系統(tǒng)
太陽能路燈照明系統(tǒng)由太陽能光伏板、太陽能充放電控制器、電池以及大功率LED路燈構(gòu)成。白天,太陽能光伏板通過充電控制電路為蓄電池充電;夜間,蓄電池通過放電控制電路為LED路燈供電;充放電控制器主要起到穩(wěn)壓、防過沖過放的功能。路燈系統(tǒng)工作的好壞,主要受太陽能光伏板、蓄電池以及LED燈的好壞影響,而LED燈壽命較長,因此,對于太陽能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計,主要是監(jiān)測太陽能光伏板以及蓄電池的工作參數(shù),并進行反饋控制,進而實現(xiàn)對太陽能路燈系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。
圖1 系統(tǒng)框圖
圖2 典型ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1.2 ZigBee簡介
作為太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)的核心,無線通信控制系統(tǒng)將獨立的太陽能路燈通過無線聯(lián)系在了一起,形成了一個可以集中控制的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無線路燈控制一般采用GPRS、CDMA、GSM等公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),但是這些網(wǎng)絡(luò)具有申請流程復(fù)雜、資費高等缺點。該文結(jié)合路燈相對距離近、數(shù)目多等布設(shè)特點,選取ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為太陽能路燈監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。
ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),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),該技術(shù)所支持的無線設(shè)備可以工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz頻段,最大數(shù)據(jù)速率是250 kbps。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通常包含三種邏輯設(shè)備類型:協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備,可以實現(xiàn)星形、簇狀形和網(wǎng)狀型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖2所示,一個ZigBee多點通信網(wǎng)絡(luò)至少包含一個協(xié)調(diào)器、一個或多個路由器以及終端設(shè)備節(jié)點。每個網(wǎng)絡(luò)開始必須要有一個協(xié)調(diào)器,它負(fù)責(zé)建立和配置網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)建立完成后可作為路由節(jié)點使用;路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備與控制節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞,可以用來拓展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點;終端設(shè)備負(fù)責(zé)具體功能的實現(xiàn),對維護網(wǎng)絡(luò)沒有作用。
該文采用的是DiGi公司的XBee-PRO模塊,模塊以ZigBee協(xié)議,運作在ISM 2.4 GHz頻段。模塊只需要最小的功率,就能提供遠(yuǎn)程設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃,其傳輸距離室內(nèi)或城市中可達(dá)100 m,戶外視線距離傳輸高達(dá)1500 m。該模塊也因具有接口簡單、設(shè)置方便、穩(wěn)定性高、功耗低等特點,已被廣泛應(yīng)用于電力電子等領(lǐng)域。本文根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)果設(shè)計了一個包含一個主節(jié)點、兩個從節(jié)點的小型無線通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點作為協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送控制指令以及接收、轉(zhuǎn)發(fā)測量數(shù)據(jù),從節(jié)點主要完成在主節(jié)點指令要求下的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送,如果網(wǎng)絡(luò)需要中繼傳送,從節(jié)點還要擔(dān)當(dāng)路由器的角色[7]。
1.3 監(jiān)控計算機
監(jiān)控計算機經(jīng)串行通信接口與網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點建立連接,監(jiān)控計算機通過上位機界面實時獲取各個節(jié)點的數(shù)據(jù),并通過主節(jié)點發(fā)送控制指令,實現(xiàn)各個節(jié)點的監(jiān)測控制。
圖3 測量電路
圖4 系統(tǒng)控制電路
圖5 無線通信電路
2.1 測量電路
本系統(tǒng)主要通過獲取電流、電壓兩個參數(shù),實現(xiàn)太陽能路燈系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。因單片機I/O接口只能接收0~5 V的電壓信號,電流參數(shù),采用霍爾電流傳感器測量,霍爾電流傳感器可以在幾乎不消耗能量情況下,將電流信號線性轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出,可以滿足低功耗的需求。本系統(tǒng)采用HKA0.5-NP霍爾電流傳感器,傳感器額定輸出電壓為(4±1%)V,±12 V雙電源供電,測量電流范圍為0~1.5 A,基本滿足小型太陽能路燈系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)電壓參數(shù),采用電阻分壓的方式測量。測量電路,如圖3所示。
2.2 控制電路
太陽能路燈系統(tǒng)作為一個獨立的供電系統(tǒng),控制系統(tǒng)的設(shè)計需滿足低功耗的要求。本方案,采用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149為控制核心,而且該單片機具有12位A/D轉(zhuǎn)換器、UART等外設(shè),滿足了系統(tǒng)采樣以及串行通信的需要。如圖4所示,測量電路測得的電流、電壓信號,經(jīng)低通濾波后收入到單片機,單片機經(jīng)過運算處理,獲得實時電流電壓信息后,通過異步串行通信接口傳遞給Xbee-PRO無線通信模塊。
2.3 無線通信
作為監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,Xbee-PRO模塊起到組建網(wǎng)絡(luò)、傳遞監(jiān)測信息及控制指令的作用。如圖5所示,模塊DOUT、DIN引腳與單片機異步串行接口連接,單片機可以通過異步串行通信以透明傳輸?shù)姆绞脚c模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的接收與發(fā)送。
圖6 軟件流程
圖7 監(jiān)測終端工作參數(shù)
3.1 軟件流程
系統(tǒng)軟件設(shè)計流程主要包括網(wǎng)絡(luò)組建、參數(shù)測量、實時顯示及無線傳輸四部分,如圖6所示,系統(tǒng)初始化后,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(主節(jié)點)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),終端器(從節(jié)點)搜索網(wǎng)絡(luò),并按照設(shè)置加入網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)發(fā)送指令測試網(wǎng)絡(luò)是否連接成功,網(wǎng)絡(luò)連接成功后,單片機處理傳感器獲取的電流、電壓信息,通過液晶實時顯示電流、電壓數(shù)據(jù),同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點,在上位機上顯示出來。上位機也可以通過主節(jié)點給終端發(fā)送控制指令,實現(xiàn)終端的控制。
3.2 系統(tǒng)測試
系統(tǒng)主要針對太陽能路燈工作參數(shù)監(jiān)測進行了測試。該文選取10 W太陽能板、蓄電池(6 V)、太陽能控制器、LED燈以及本文設(shè)計的監(jiān)測裝置組成太陽能路燈終端(從節(jié)點),以另外一個監(jiān)測終端為主節(jié)點,利用PC機串口助手,進行了系統(tǒng)測試。
該文在11:30~14:30時間段內(nèi),對太陽能路燈系統(tǒng)進行了測試,測試數(shù)據(jù)如圖7所示,路燈系統(tǒng)的太陽能光伏板、蓄電池的電壓、電流參數(shù)基本保持在正常波動范圍內(nèi),無異常突變,據(jù)此可以判斷太陽能板路燈系統(tǒng)工作正常,太陽能路燈無線監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)太陽能路燈的無線監(jiān)測的目的。
伴隨著LED照明技術(shù)的普及,太陽能LED路燈已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,而智能路燈系統(tǒng)作為智慧城市的重要組成部分,如何低功耗、高穩(wěn)定性的實現(xiàn)路燈的智能管理已成為當(dāng)前迫切要解決的問題。該文針對這一需求,提出了一種太陽能路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案,該方案考慮到了系統(tǒng)的低功耗、組網(wǎng)方便以及易于擴展等特點,經(jīng)實際系統(tǒng)調(diào)試驗證了監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性及覆蓋范圍的可行性,該系統(tǒng)可以滿足太陽能路燈系統(tǒng)的監(jiān)測需求。
|
||