基于無線傳感網(wǎng)絡的太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的設計

隨著太陽能LED路燈在城市照明系統(tǒng)中的廣泛應用，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技術以其功耗低、通信可靠、網(wǎng)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(wǎng)絡的基本單位出發(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)，設計了基于JN5139模塊的具有全功能設備（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)絡做了基礎性的工作。將ZigBee技術結合傳感器技術組成網(wǎng)絡，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、特殊時間誤開誤關的幾率，擺脫了人工干預。

1 太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的結構

傳感器節(jié)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(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數(shù)據(jù)轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(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)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，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)絡由3種節(jié)點組成：協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器是網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的組織和維護；路由器負責網(wǎng)絡內數(shù)據(jù)幀的路由；而終端設備則是實現(xiàn)具體功能的單元。本節(jié)點設計為全功能節(jié)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(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)點的硬件設計

傳感器節(jié)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(wǎng)絡中的節(jié)點，低功耗設計尤為重要。經(jīng)過詳細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個應用級定時器/計數(shù)器，2個串口(一個用于系統(tǒng)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(wǎng)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，并在程序中予以處理。

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，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轉換接口。