如何設(shè)計一個太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點

隨著太陽能LED路燈在城市照明系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如何節(jié)約能源、提高路燈能源的利用率己成為急需解決的問題。太陽能LED路燈涉及到光伏電池、LED燈頭、蓄電池和路燈控制系統(tǒng)，能否最大效率地利用太陽能和延長LED燈頭的使用壽命，是目前迫切需要解決的問題。ZigBee技術(shù)以其功耗低、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點為路燈自動控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案[1-3].

本文研究了ZigBee技術(shù)及JN5139混合信號微控制器，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位出發(fā)，采用照度傳感器、溫度傳感器、直流電壓傳感器和電流傳感器分別采集光伏電池電流電壓、蓄電池電流電壓、LED燈頭溫度和照度等數(shù)據(jù)，設(shè)計了基于JN5139模塊的具有全功能設(shè)備（FFD）的靈活多變、性能優(yōu)越的太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點，為組建高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了基礎(chǔ)性的工作。將ZigBee技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)，解決其他控制方法中存在的問題：選擇亮度傳感器實時采集LED燈頭照度，降低了特殊環(huán)境、特殊時間誤開誤關(guān)的幾率，擺脫了人工干預(yù)。

1 太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、射頻通信模塊、定位模塊和電源模塊等。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供所需的能量。

2 傳感器節(jié)點的功能

一般的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由3種節(jié)點組成：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù)；路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)幀的路由；而終端設(shè)備則是實現(xiàn)具體功能的單元。本節(jié)點設(shè)計為全功能節(jié)點（FFD）設(shè)備，起到路由的作用，同時負(fù)責(zé)本地太陽能LED路燈狀態(tài)等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)如下功能：

（1）傳感器節(jié)點能定時向監(jiān)測分中心發(fā)送太陽能LED路燈狀態(tài)測量數(shù)據(jù)；

（2）傳感器節(jié)點能響應(yīng)監(jiān)測分中心的要求，實時采集太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)；

（3）當(dāng)傳感器節(jié)點檢測到數(shù)據(jù)超過閾值或者自身能量較低時，發(fā)送報警消息；

（4）能按照時間自動存貯太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時可以查詢某一時刻的太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)；

（5）微型化、低功耗、低成本，具有高可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

3 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點是由全功能設(shè)備（FFD）構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.1 微處理器模塊

作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，低功耗設(shè)計尤為重要。經(jīng)過詳細(xì)的器件功耗比較之后，選取JN5139混合信號微控制器作為處理器模塊的核心。JN5139是集成了uFl天線的高功率模塊，可以在最短的時間內(nèi)在最低的成本下實現(xiàn)IEEE802.15.4或ZigBee兼容系統(tǒng)。該表貼模塊利用Jennic的JN5139無線微控制器來提供完整的射頻和RF器件的解決方案。模塊提供了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的豐富的外圍器件。模塊特性：集成uFl天線插槽；兼容2.4 GHz、IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議；2.7 V~3.6 V操作電壓；睡眠電流（包括睡眠定時器處于活動狀態(tài)）2.8 μA;接收靈敏度-100 dBm.MCU特性：16 MHz 32 bit RISC CPU;96 KB RAM, 192 KB ROM;4個輸入端口，12 bit ADC,2個11 bit DAC,2個比較器，2個應(yīng)用級定時器/計數(shù)器，2個串口（一個用于系統(tǒng)在線調(diào)試），1個SPI接口，支持5個片選。能夠組建健壯的、安全的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3.2 傳感器及調(diào)理電路模塊

蓄電池電流和電壓檢測電路的設(shè)計原理圖如圖2所示。電流檢測電路由霍爾電流傳感器TBC10SY和取樣電阻、電平調(diào)整電路、跟隨器電路、濾波電路等組成；電壓檢測電路由取樣電路、跟隨器電路、濾波電路等組成。需要注意的是電流檢測電路中充電電流和放電電流方向相反，需要通過電壓提升電路將負(fù)電壓值轉(zhuǎn)換為正值，并在程序中予以處理。

光伏電池電流和電壓檢測電路的設(shè)計原理圖如圖3所示[4].將串入光伏電池供電電路的精密小電阻上的信號作為電流檢測信號，采用集成運放ICL7650制作差分放大電路，這樣可以最大限度地減少對被測電路的影響。將并入光伏電池的大電阻分壓器上獲取小信號作為電壓信號，同樣采用集成運放ICL7650制作差分放大電路。為了消除干擾，采用兩個等值電阻分別接于放大器的兩個輸入端和地之間，同時在放大器輸出端增加濾波電路，經(jīng)過濾波后的電流和電壓信號輸出到控制器JN5139的A/D轉(zhuǎn)換接口。

LED燈頭照度檢測電路如圖4所示。照度檢測采用On9658集成傳感器，傳感器獲取的信號經(jīng)過放大器放大和濾波后輸出到控制器JN5139的A/D轉(zhuǎn)換接口。

LED燈頭溫度檢測電路如圖5所示。蓄電池溫度采用SHT11集成溫度傳感器。

4 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計

軟件系統(tǒng)的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無線收發(fā)和節(jié)點定位等，采用模塊化設(shè)計。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設(shè)置蓄電池狀態(tài)信號的采集參數(shù)并控制采集；無線收發(fā)模塊通過設(shè)置寄存器控制對命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；節(jié)點定位模塊對節(jié)點進(jìn)行實時定位。傳感器節(jié)點設(shè)計為全功能設(shè)備（FFD），同時具有路由功能，其程序流程圖如圖6所示。在任務(wù)隊列中加入主任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、報警檢測和自身能量檢測并調(diào)用ZigBee發(fā)送任務(wù)；產(chǎn)生JN5139引腳中斷時，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行ZigBee接收中斷服務(wù)程序。如果是采集命令，則立即執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送；如果是路由包，則立即執(zhí)行路由更新。

4.2 節(jié)點定位算法設(shè)計[5]

節(jié)點采用基于接收信號強(qiáng)度指示定位算法實現(xiàn)的精確定位。已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強(qiáng)度計算出信號的傳播損耗，然后根據(jù)信號傳播模型公式將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用三邊測量法計算出未知節(jié)點的位置。在實際定位中，要保證未知節(jié)點處于3個以上發(fā)射信號強(qiáng)度和位置坐標(biāo)已知的參考節(jié)點的通信范圍內(nèi)，未知節(jié)點根據(jù)接收信號強(qiáng)度計算出信號的傳播損耗，進(jìn)而計算出節(jié)點位置。

本文介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高精度太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的設(shè)計，在實際測試過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量結(jié)果符合實際，完全達(dá)到了對信號高精度的采集與無線傳輸，取得了較好的監(jiān)測效果。該系統(tǒng)結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有的低功耗、低成本和節(jié)點多等優(yōu)勢，在無線通信技術(shù)遠(yuǎn)距離、高可靠性等關(guān)鍵問題解決過程中的應(yīng)用會越來越廣泛。
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