基于ZigBee的光伏照明控制系統(tǒng)設計

摘要：設計一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡的光伏照明控制系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構和節(jié)點的硬件設計方案，以及軟件結構設計。該系統(tǒng)采用CC2430實現(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，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雜等缺點。
關鍵詞：光伏照明；ZigBee；CC2430

引言
光伏發(fā)電作為利用太陽能的主要方式，已經(jīng)得到廣泛的應用。光伏照明是一種獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要用于城市和建筑物照明系統(tǒng)的建設和改造。目前，照明控制系統(tǒng)中多采用有線網(wǎng)絡方式，維護起來比較復雜，如何簡化施工、降低成本并實現(xiàn)遠距離控制是一個值得探討的問題。本文介紹了一種利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)光伏照明系統(tǒng)遠程監(jiān)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(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)控計算機3個部分組成。
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構成。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行充電時，為延長蓄電池壽命，必須避免蓄電池處于過充電或者過放電的狀態(tài)。因此，需要對光伏充電機充電電流、電壓和發(fā)電量等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和保存，還要求能對路燈進行獨立的開關控制。
由于本系統(tǒng)中太陽能電池板位于圖書館頂部，監(jiān)控計算機處于相隔200 m的另外一個建筑物中，中間相隔了水池，如果采用有線通信方式則需要重新進行布線，施工復雜且成本較高，因此，采用無線通信網(wǎng)絡。無線通信方式不僅簡單靈活，無需考慮布線問題，還可以通過和其他總線通信方式的結合，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸和路燈控制。采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)對充電機狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸；同時，監(jiān)控計算機可以通過無線網(wǎng)絡控制路燈的開關狀態(tài)，實現(xiàn)了對充電機狀態(tài)的實時監(jiān)控和燈光控制效果?？刂品秶?00 m以內，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線傳輸技術，非常適合于低功耗和低數(shù)據(jù)量的短距離無線傳輸。ZigBee的低功耗特點限制了節(jié)點之間的通信距離(一般為70 m)。本系統(tǒng)中，節(jié)點之間的距離超過了其正常通信距離。有2種解決辦法：一種是通過增
加路由器節(jié)點來擴大覆蓋范圍，缺點是增加硬件成本；另一種是利用PA(Power Amplification，功率放大)提高發(fā)射功率，該方法較為簡單且成本較低。本設計中采用后者來擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。
ZigBee設備可分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(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)絡協(xié)調器、路由器或終端設備，RFD只能作為終端設備。本系統(tǒng)中網(wǎng)絡協(xié)調器和監(jiān)控計算機通過RS485總線相連，負責建立、管理和維護網(wǎng)絡，控制其他節(jié)點接收數(shù)據(jù)等功能。路由器通過RS485總線和光伏充電機相連，實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)的采集和控制，終端節(jié)點接收監(jiān)控計算機的命令控制路燈電源的開關。ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構支持星形(Star)、樹形(Clustetree)和網(wǎng)狀(Mesh)。為簡化設計，無線網(wǎng)絡采用樹形網(wǎng)絡拓撲，系統(tǒng)組成如圖1所示。

監(jiān)控計算機負責光伏數(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)絡協(xié)調器進行通信。光伏充電機數(shù)據(jù)通過RS485總線傳送到路由器節(jié)點，再由協(xié)調器轉發(fā)到監(jiān)控計算機。路由器還起到延長ZigBee網(wǎng)絡傳輸距離的作用。監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送命令給路由器，實現(xiàn)對充電機電源開關的切換控制。路燈供電線纜通電后，終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)調器對終端節(jié)點進行檢查，并將節(jié)點狀態(tài)傳輸給監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送命令給各個終端節(jié)點，控制各個節(jié)點路燈電源開關導通或者斷開，從而實現(xiàn)路燈的單獨或者分段照明控制。當需要實現(xiàn)景觀燈效果時，可通過監(jiān)控軟件設計向各個終端節(jié)點發(fā)送相應的控制命令。