太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的設(shè)計
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].
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199997.htm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。
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