如何設計一個太陽能LED路燈狀態傳感器節點

如何設計一個太陽能LED路燈狀態傳感器節點

佚名 發表於 2019-11-27 16:40:59

隨著太陽能LED路燈在城市照明系統中的廣泛應用，如何節約能源、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，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技術以其功耗低、通信可靠、網絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案[1-3].

本文研究了ZigBee技術及JN5139混合信號微控制器，從無線傳感器網絡的基本單位出發，採用照度傳感器、溫度傳感器、直流電壓傳感器和電流傳感器分別採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據，設計了基於JN5139模塊的具有全功能設備（FFD）的靈活多變、性能優越的太陽能LED路燈狀態傳感器節點，為組建高性能的無線傳感器網絡做了基礎性的工作。將ZigBee技術結合傳感器技術組成網絡，解決其他控制方法中存在的問題：選擇亮度傳感器實時採集LED燈頭照度，降低了特殊環境、特殊時間誤開誤關的機率，擺脫了人工幹預。

1 太陽能LED路燈狀態傳感器節點的結構

傳感器節點基本結構如圖1所示，主要包括傳感器、信號調理電路、A/D轉換器、微處理器、射頻通信模塊、定位模塊和電源模塊等。傳感器模塊負責監測區域內信息的採集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身採集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發採集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供所需的能量。

2 傳感器節點的功能

一般的ZigBee網絡由3種節點組成：協調器、路由器和終端設備。協調器是網絡的中心節點，負責網絡的組織和維護；路由器負責網絡內數據幀的路由；而終端設備則是實現具體功能的單元。本節點設計為全功能節點（FFD）設備，起到路由的作用，同時負責本地太陽能LED路燈狀態等參數的數據採集，可實現如下功能：

（1）傳感器節點能定時向監測分中心發送太陽能LED路燈狀態測量數據；

（2）傳感器節點能響應監測分中心的要求，實時採集太陽能LED路燈狀態數據；

（3）當傳感器節點檢測到數據超過閾值或者自身能量較低時，發送報警消息；

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

（5）微型化、低功耗、低成本，具有高可靠性、穩定性和安全性。

3 傳感器節點的硬體設計

傳感器節點是由全功能設備（FFD）構成，其結構框圖如圖1所示。

3.1 微處理器模塊

作為ZigBee網絡中的節點，低功耗設計尤為重要。經過詳細的器件功耗比較之後，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在最低的成本下實現IEEE802.15.4或ZigBee兼容系統。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。模塊提供了開發無線傳感器網絡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協議；2.7 V~3.6 V操作電壓；睡眠電流（包括睡眠定時器處於活動狀態）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個輸入埠，12 bit ADC,2個11 bit DAC,2個比較器，2個應用級定時器/計數器，2個串口（一個用於系統在線調試），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絡應用。

3.2 傳感器及調理電路模塊

蓄電池電流和電壓檢測電路的設計原理圖如圖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電壓值轉換為正值，並在程序中予以處理。

光伏電池電流和電壓檢測電路的設計原理圖如圖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，採用集成運放ICL7650製作差分放大電路，這樣可以最大限度地減少對被測電路的影響。將併入光伏電池的大電阻分壓器上獲取小信號作為電壓信號，同樣採用集成運放ICL7650製作差分放大電路。為了消除幹擾，採用兩個等值電阻分別接於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，經過濾波後的電流和電壓信號輸出到控制器JN5139的A/D轉換接口。

LED燈頭照度檢測電路如圖4所示。照度檢測採用On9658集成傳感器，傳感器獲取的信號經過放大器放大和濾波後輸出到控制器JN5139的A/D轉換接口。

LED燈頭溫度檢測電路如圖5所示。蓄電池溫度採用SHT11集成溫度傳感器。

4 傳感器節點的軟體設計

4.1 軟體系統的總體設計

軟體系統的主要功能包括傳感器數據採集與處理、無線收發和節點定位等，採用模塊化設計。傳感器數據採集與處理模塊主要設置蓄電池狀態信號的採集參數並控制採集；無線收發模塊通過設置寄存器控制對命令或數據的接收和發送；節點定位模塊對節點進行實時定位。傳感器節點設計為全功能設備（FFD），同時具有路由功能，其程序流程圖如圖6所示。在任務隊列中加入主任務進行數據採集、報警檢測和自身能量檢測並調用ZigBee發送任務；產生JN5139引腳中斷時，CPU轉去執行ZigBee接收中斷服務程序。如果是採集命令，則立即執行數據採集和發送；如果是路由包，則立即執行路由更新。

4.2 節點定位算法設計[5]

節點採用基於接收信號強度指示定位算法實現的精確定位。已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，然後根據信號傳播模型公式將傳輸損耗轉化為距離，再利用三邊測量法計算出未知節點的位置。在實際定位中，要保證未知節點處於3個以上發射信號強度和位置坐標已知的參考節點的通信範圍內，未知節點根據接收信號強度計算出信號的傳播損耗，進而計算出節點位置。

本文介紹了基於無線傳感網絡的高精度太陽能LED路燈狀態傳感器節點的設計，在實際測試過程中，系統運行穩定，測量結果符合實際，完全達到了對信號高精度的採集與無線傳輸，取得了較好的監測效果。該系統結合無線傳感網絡具有的低功耗、低成本和節點多等優勢，在無線通信技術遠距離、高可靠性等關鍵問題解決過程中的應用會越來越廣泛。
責任編輯；zl

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