基于ZigBee的光伏照明控制系統設計

摘要：設計一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的光伏照明控制系統，給出系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和節點(diǎn)的硬件設計方案，以及軟件結構設計。該系統采用CC2430實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸，采用CC2591功率放大器提高發(fā)射功率，傳輸距離遠，可靠性高，有效地克服了傳統照明控制方式落后和布線(xiàn)復雜等缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：光伏照明；ZigBee；CC2430

引言
光伏發(fā)電作為利用太陽(yáng)能的主要方式，已經(jīng)得到廣泛的應用。光伏照明是一種獨立的光伏發(fā)電系統，主要用于城市和建筑物照明系統的建設和改造。目前，照明控制系統中多采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方式，維護起來(lái)比較復雜，如何簡(jiǎn)化施工、降低成本并實(shí)現遠距離控制是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。本文介紹了一種利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現光伏照明系統遠程監控的方案，并給出了詳細的軟硬件設計。

1 光伏照明控制系統組成及工作原理
光伏照明控制系統由光伏發(fā)電系統、無(wú)線(xiàn)通信系統和監控計算機3個(gè)部分組成。
光伏發(fā)電系統由建筑頂部的太陽(yáng)能電池板、鉛酸蓄電池組和光伏充電機構成。太陽(yáng)能電池是照明系統的輸入電源，為照明系統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換為電能，經(jīng)光伏充電機對蓄電池組充電；夜晚，蓄電池組將儲存的電能經(jīng)光伏充電機切換輸出到路燈負載。當光伏充電機對蓄電池組進(jìn)行充電時(shí)，為延長(cháng)蓄電池壽命，必須避免蓄電池處于過(guò)充電或者過(guò)放電的狀態(tài)。因此，需要對光伏充電機充電電流、電壓和發(fā)電量等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和保存，還要求能對路燈進(jìn)行獨立的開(kāi)關(guān)控制。
由于本系統中太陽(yáng)能電池板位于圖書(shū)館頂部，監控計算機處于相隔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(xiàn)通信方式則需要重新進(jìn)行布線(xiàn)，施工復雜且成本較高，因此，采用無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)通信方式不僅簡(jiǎn)單靈活，無(wú)需考慮布線(xiàn)問(wèn)題，還可以通過(guò)和其他總線(xiàn)通信方式的結合，實(shí)現遠距離數據傳輸和路燈控制。采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可實(shí)現對充電機狀態(tài)數據的傳輸；同時(shí)，監控計算機可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現了對充電機狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控和燈光控制效果?？刂品秶?00 m以?xún)?，如果增加路由器，還可擴展到更遠的范圍。
ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，非常適合于低功耗和低數據量的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸。ZigBee的低功耗特點(diǎn)限制了節點(diǎn)之間的通信距離(一般為70 m)。本系統中，節點(diǎn)之間的距離超過(guò)了其正常通信距離。有2種解決辦法：一種是通過(guò)增
加路由器節點(diǎn)來(lái)擴大覆蓋范圍，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。本設計中采用后者來(lái)擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍。
ZigBee設備可分為全功能設備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設備(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)調器、路由器或終端設備，RFD只能作為終端設備。本系統中網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和監控計算機通過(guò)RS485總線(xiàn)相連，負責建立、管理和維護網(wǎng)絡(luò )，控制其他節點(diǎn)接收數據等功能。路由器通過(guò)RS485總線(xiàn)和光伏充電機相連，實(shí)現對其數據的采集和控制，終端節點(diǎn)接收監控計算機的命令控制路燈電源的開(kāi)關(guān)。ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲結構支持星形(Star)、樹(shù)形(Clustetree)和網(wǎng)狀(Mesh)。為簡(jiǎn)化設計，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )拓撲，系統組成如圖1所示。

監控計算機負責光伏數據采集和系統管理，通過(guò)RS485總線(xiàn)和安裝在戶(hù)外的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器進(jìn)行通信。光伏充電機數據通過(guò)RS485總線(xiàn)傳送到路由器節點(diǎn)，再由協(xié)調器轉發(fā)到監控計算機。路由器還起到延長(cháng)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸距離的作用。監控計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)送命令給路由器，實(shí)現對充電機電源開(kāi)關(guān)的切換控制。路燈供電線(xiàn)纜通電后，終端節點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器對終端節點(diǎn)進(jìn)行檢查，并將節點(diǎn)狀態(tài)傳輸給監控計算機。監控計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)送命令給各個(gè)終端節點(diǎn)，控制各個(gè)節點(diǎn)路燈電源開(kāi)關(guān)導通或者斷開(kāi)，從而實(shí)現路燈的單獨或者分段照明控制。當需要實(shí)現景觀(guān)燈效果時(shí)，可通過(guò)監控軟件設計向各個(gè)終端節點(diǎn)發(fā)送相應的控制命令。