基于无线网络的太阳能路灯自动控制系统的设计

山东建筑大学 硕士学位论文 基于无线网络的太阳能路灯自动控制系统的设计 姓名：梁伟伟 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：赵秀珍 20100601 山东建筑大学硕士学位论文 摘要 Z i g B e e 技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线 网络技术。目前在国内太阳能路灯系统中大范围区域内采用Z i g , B e e 单一的技术实现无线 通信尚属空白。 太阳能路灯系统中，蓄电池充放电电路对电压要求较高，一旦充放电不当，设备极 易损坏，造成了现有太阳能路灯成本高、寿命低等缺点。这极大地限制了太阳能路灯这 种绿色能源路灯的推广。 针对上述问题，设计并研发了基于无线网络的太阳能路灯控制系统。该系统使用 Z i g B e e 无线通信模块与太阳能路灯智能控制终端的完美结合，实现了在大范围区域内对 蓄电池在线监测和控制以及路灯状态的远程监测和控制，真正的达到了太阳能路灯的智 能化和个性化。本文的重点在于Z i g B 无线网络的大面积搭建和太阳能路灯智能控制终 端的设计。 本文采用北京赫立讯公司的1 P L i n k l 2 2 3 无线通信模块组建M e s h 网络拓扑，实现了 Z i g B e e 无线网络在太阳能路灯系统中大面积区域内的应用。M e s h 网络拓扑使用R F 广播功 能和一套路径调查和修复命令来动态的更新整个网络的路由信息。每一个I P L i n k1 2 2 3 M e s h 网络的节点是一个能够预估路径并且为网络提供最强、最可靠网络结构的路由器。 另外，I P L i n k1 2 2 3 模块被配置为M e s h 节点后，可控制周围的R F 情况、相邻的节点活动 和连续的发包错误统计等等，据此调整它的本地路由选择，从而选择最佳的传输路径。 太阳能路灯智能控制终端选用A V R 系列的单片机作为控制装置的智能器件。该终端 采用了2 个电阻和电位计W 1 分压的形式，实现了对蓄电池的充放电电压的采集；采用了 电阻为0 0 1 Q 的康铜丝作为电流取样电阻，来产生取样电压，实现了对蓄电池电流的采集； 采用P W M 波方式控制M O s 开关管的导通与截止，实现对蓄电池充放电的控制：采用继 电器输出方式，实现了对太阳能、市电充电电路的切换控制。该终端的创新之处在于与 Z i g , B e e 无线网络模块的结合，从而把采集与控制信息通过Z i g B e e 无线网络上传到监控中 心，实现了太阳能路灯的自动控制。 本系统实现Z i g B e e 无线通信模块与路灯智能控制终端的结合在国内尚属首例，目前 该系统已在园博园的路灯中得到应用，并且运行效果良好。 关键词：Z i g B e e ，太阳能路灯，无线通信模块，L E D ，蓄电池 山东建筑大学硕士学位论文 T h e D e s i g no fS o l a rL a m p sA u t o c o n t r o iS y s t e m B a s e do nW i r e l e s sN e t w o r k L i a n gW 西w e i ( D e t e c t i o nT e c h n o l o g y A u t o m a t i o nE q u i p m e n t ) D i r e c t e db yZ h a oX i u z h e n A B S T R A C T Z i g B e et e c h n o l o g yi sar i s i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t hc h a r a c t e r i s t i c s o fs h o r t - d i s t a n c e , l o wc o m p l e x i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , l o wd a t ar a t ea n dl o wc o s t e t c C u r r e n t l y ，i ti ss t i l lb l a n kt h a tZ i g B e et e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n l a r g ea r e a so ft h ei n t e r n a ls o l a rl a m p ss y s t e m I nt h es o l a rl a m p ss y s t e m ，c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc i r c u i t so ft h es t o r a g eb a t t e r ya l e h a r dt ov o l t a g e O n c ec h a r g eo rd i s c h a r g ei sn o ts u i t a b l e , t h ed a m a g ew i l lb ec a u s e dt o e q u i p m e n te a s i l y T h e r e f o r e , t h es o l a rl a m p ss y s t e mh a sd e f e c t so fh i 【g hc o s ta n ds h o r t l i f e - s p a n , w h i c hb l o c k st h ed e v e l o p m e n to fs o l a rl a m p ss e r i o u s l y I nr e s p o n s et ot h ep r o b l e m sa b o v e ，t h es o l a rl a m p sa u t o c o n t r o ls y s t e mb a s e do nw i r e l e s s n e t w o r ki sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d I nt h i ss y s t e m ，t h ep e r f e c tc o m b i n e du s a g eo fZ i g B e e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds o l a rl a m p s i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e r m i n a l r e a l i z e s o n - l i n e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf o rt h es t o r a g eb a t t e r ya n dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf o r l a m ps t a t u s T h eF o r m a t i o no fZ i g B e ew i r e l e s sn e t w o r ki nal a r g ea r e aa n dt h ed e s i g no f i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e r m i n a lo fs o l a rl a m p sa r em a i n l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r I nt h i s p a p e r , B e i j i n gh e l i c o m mc o m p a n y sI P - L i n k 12 2 3w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e sa r eu s e dt os e tu pM e s hn e t w o r kt o p o l o g ya n dc o m p l e t et h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s s n e t w o r ki nl a r g ea r e a so ft h es o l a rl a m p ss y s t e m M e s ht o p o l o g yu s e st h eR Fb r o a d c a s t f u n c t i o n 弱w e l la sas e to fr o u t ei n q u i r i e sa n dm a i n t e n a n c ec o m m a n d st ou p d a t et h e d i s t r i b u t e dr o u t i n gi n f o r m a t i o na c r o s st h ee n t i r en e t w o r kd y n a m i c a l l y E a c hn o d ei nt h e I P - L i n k12 2 3m e s hn e t w o r ki sal i t t l er o u t e r , w h i c hi sc a p a b l eo fr e - - a s s e s s i n gi t sr o u t ea n d p r o v i d i n gt h em o s tr o b u s t ，r e l i a b l ei n f r a s t r u c t u r ef o rt h en e t w o r k I na d d i t i o n ，e a c hI P L i n k 12 2 3c o n f i g u r e da sam e s hn o d ei s c a p a b l eo fm o n i t o r i n gs u r r o u n d i n gR Fc o n d i t i o n s 、 n e i g h b o r i n gn o d ea c t i v i t i e s 、a n de n d t o - e n dp a c k e te r r o rr a t es t a t i s t i c st oa d j u s ti t sl o c a l r o u t i n gd e c i s i o n sa n ds e l e c tt h eb e s tr o u t i n go nt h ef l y T h em a c h i n eo fA V Ri su s e da st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lp a r tt od e s i g nt h es o l a rl a m p s i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e r m i n a l I nt h i ss y s t e m ，t w or e s i s t o r sa n dap o t e n t i o m e t e rW la r eu s e dt o s h a r ei np r e s s u r ea n dc o l l e c tc h a r g ea n dd i s c h a r g ev o l t a g eo ft h es t o r a g eb a t t e r y ；0 O lQK a n g H 山东建筑大学硕士学位论文 c o p p e rw i r ea s C u r r e n ts a m p l i n gr e s i s t o ri su s e dt og e n e r a t et h es a m p l i n gv o l t a g ea n d c o m p l e t et h eg a t h e r i n go ft h es t o r a g e b a t t e r yc u r r e n t ；T h eP W M w a v ef o r mi su s e dt oc o n t r o l t h ec o n d u c t i o na n dc u t O f ro ft h eM O Ss w i t c ha n di m p l e m e n tt h ec o n t r o lo fc h a r g ea n d d i s c h a r g eo ft h es t o r a g eb a t t e r y ；T h ef o r mo fR e l a yO u t p u ti su s e dt or e a l i z et h ec o n t r o lo f s w i t c hb e t w e e nS o l a re n e r g ya n dm a i n ss u p p l y I ti si n n o v a t i v et h a tt h et e r m i n a li su s e d c o m b i n e dw i t hZ i g B e ew i r e l e s sn e t w o r km o d u l et ou p l o a dt h ec o l l e c t e da n dc o n t r o l i n f o r m a t i o nt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g ht h eZ i g B e ew i r e l e s sn e t w o r k ，w h i c hr e a l i z e st h e a u t o c o n t r o lo fs o l a rl a m p s T h es y s t e ma c h i e v e st h ec o m b i n a t i o no fZ i g B e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d s o l a rl a m p si n t e l l i g e n tc o n t r o lt e r m i n a l ，w h i c hi st h ef i r s tc a s ci nC h i n a N o wt h i ss y s t e mh a s b e e na p p l i e di nt h es t r e e tl a m p so fG a r d e nE x p oa n dr u n sw e l l K e yW o r d s Z i g B e e ，s o l a rl a m p ss y s t e m ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e , L E D ， s t o r a g eb a t t e r y I i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人承担本声明的法律责 任 学位论文作者签名：鍪生经日期翊芝：么趁， 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：鍪垒垄日期幽! ：堑：兰芝 导 师 签名：芝兰耄丝日期趁 芝：么：兰乡 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1Z i g B e e 通信协议介绍 1 1 1Z i g B e e 技术简介 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。 对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近， 组网规模太小等而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努 力，Z i g B e e 协议在2 0 0 3 年中通过后，于2 0 0 4 正式问世了【l 】。Z i g B e e 不仅只是8 0 2 1 5 4 的名 字。I E E E 8 0 2 15 4 仅处理低级M A C 层和物理层协议，因此Z i g B e e 联盟对其网络层协议和 A P I 进行了标准化【2 1 。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 K 字节或 者作为H u b 或路由器的协调器的3 2 K 字节。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协 调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Z i g B e e 联盟还开发了安全层， 以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它 节点获得f 3 1 。 完整的Z i g B e e 协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组 成。网络层以上协议由Z i g B e e 联盟制定，I E E E 负责物理层和链路层标准。应用会聚层将 主要负责把不同的应用映射至U Z i g B e e 网络上，具体而言包括：安全与鉴权；多个业务数 据流的会聚；设备发现；业务发现。网络层将主要考虑采用基于a d h o c 技术的网络协议， 应包含以下功能：通用的网络层功能，拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含 了寻址、路由和安全；Z i g B e e 同I E E E 8 0 2 1 5 4 标准一样，非常省电；有自组织、自维护 功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本f 4 】【5 】。 I E E E 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 G H z 物理层和8 6 8 9 1 5 M H z 物理层。 两个物理层都基于D S S S ( D i r e c tS e q u e n c eS p r e a dS p e c t r u n a ，直接序列扩频) ，使用相同 的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率f 6 】。 z i g B e e 技术的主要特点包括以下几个部分【色 数据传输速率低：在2 4 G H z 下，传输数率最大仅为2 5 0 K b p s ，专注于低传输应用； 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了 充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Z i g B e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势： 成本低：因为Z i g B e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。R Z i g B e e 协议免收专利费。Z i g B e e 芯片目前的成本是在3 美元左右，它的最终目标是将成本控制在 l 美元以下； 山东建筑大学硕士学位论文 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间； 高抗干扰性和高保密性：Z i g B e e 采用免冲突多载波信道接A 4 C S M A - C A ) 方式， 有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的 应答通信协议。在保密性方向，Z i g B e e 技术采用了密钥长度为1 2 8 位的加密算法，对所传 输的数据进行加密处理； 网络容量大，组网灵活。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则可 形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。组网类型包括星型网，树状网，和网状 网【引。 Z i g B e e 应用领域主要有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗照护等， 可搭配之应用产品则有家电产品、消费性电子、P C 周边产品与感测器等，提供家电感测、 无线P C 周边控制、家电遥控等功能。 在家庭自动化领域，涵盖项目有照明、温度、安全、控制等，Z i g B e e 模块可安装在 电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例 如在灯泡中装上Z i g B e e 模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接透过遥控 便可开灯。Z i g B e e 模块可以收集家庭各种资讯，传送到中央控制设备，或是遥控达到远 端控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化，以有效增加人们居住环 境之方便性与舒适度。 在工业领域，透过Z i g B e e 网路自动收集各种资讯，并将资讯回馈到系统进行资料处 理与分析，以利工厂整体资讯之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产 机台之流程控制等，都可I 扫Z i g B e e 网路提供相关资讯，以达到工业与环境控制之目的 9 1 。 通常符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Z i g B e e 技术做无线传输： 需要数据采集或监控的网点多； 要求传输的数据量不大，而要求设备成本低： 要求数据传输可靠性高，安全性高； 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 电池供电； 地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； 现有移动网络的覆盖盲区； 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统； 使用G P R S 效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用f 。 山东建筑大学硕士学位论文 Z i g B e e 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在 于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研 发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面，我们有理由相信在 不远的将来，将有越来越多的内置式Z i g B e e 功能的设备进入我们的生活，并将极大地改 善我们的生活方式和体验【l l 】。 1 1 2Z i g B e e 的研究现状 虽然Z i g B e e 技术发展迅速，但是大范围的把Z i g B e e 技术真正的应用在实际的环境中， 目前在国内外还较少，而且大都不成熟。绝大多数的研究都停留在理论的层次，直到2 0 0 7 年，全球才推出第一款Z i g B e e 技术的终端产品。 虽然Z i p = B e e 技术有许多优点，但是也有一些技术上的问题限NT Z i g B e e 技术的应用 及推广。例如，目前的Z i g B e e 协议栈很不完善，无论是T I ( 德州仪器) 还是F r e e s c a l e ( 飞思 卡尔) 的协议栈，网络容量都很小，比较适合组一些星型网络。尤其是组成网状网的时候， 受到网络深度很小的限制，这些问题极大地束缚Y Z i g B e e 技术的发展及应用。在国内， 大部分的用户只能在应用层做一些简单的应用开发，还没有人真正的深入到底层去研究， 并H Z i g B e e 模块容易受到干扰。目前为止，国内真正的Z i g B e e 技术终端产品较少，北京 赫立讯公司的I P L i n k 无线通讯模块，在众多的产品中脱颖而出，但是其应用中必须对它 的参数恰当设计，才能满足一定范围内的通信。 就现在的技术水平来说，i f Z i g a e e 技术正常运行并大量投入使用还面临着一些问题： 网络内通信问题。Z i g B e e N 络正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电 子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题，这也是本文的 研究所在。 成本问题。在一个Z i g B e e 网络里面，需要使用数量庞大的Z i g B e e 节点，鉴于目前 Z i g B e e 模块的成本还比较高，这样成本会制约其发展。 1 2 太阳能路灯简介 1 2 1 太阳能路灯的组成 太阳能路灯主要由以下几个部分组成：太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、 光源。如果要求输出电源为交流2 2 0 V 或11 0 V ，还需要配置逆变器。 l 、太阳能电池板： 太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分，其 作用是将太阳的辐射的能量转换为电能，然后送至蓄电池中存储起来。其中较普遍且较 山东建筑大学硕士学位论文 实用的有单品硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非品砖太阳能电池等三种。图ll 为太阳能电池板的实物图。 图I I 太阳能电池板 2 、太阳能控制器 对太阳能灯具而言，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的，为了延长蓄电 池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电。在 温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。 3 、蓄电池 由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统爿能 工作。一般有铅酸蔷电池、N l - c d 蓄电池、N i H 蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循 以F 原则：太阳能电池功率必须比负载功率高出4 倍以上，系统才能正常工作；太阳能电 池的电压要超过莆电池的 作电压2 0 3 0 ，刊能保证给蓄电池正常充电：蓄电池容量必 须比负载订耗量高6 倍以上为宣。圈l2 为的铅酸蓄电池实物图。 图l2 铅酸蓄电池 山东建筑大学硕士学位论文 4 、光源 太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯 具有如下几种：低压节能灯、低压钠灯、无极灯、L E D 光源。其中L E D 灯寿命较长，可 达1 0 0 0 0 0 0 d 、时，工作电压低，环需要逆变器，而且光效较高。随着技术进步，L E D 的性 能将进一步提高，L E D 作为太阳能路灯的光源将是一种趋势【1 4 1 。 1 2 2 太阳能路灯系统现状 我国是一个太阳能资源非常丰富的国家，太阳能热利用是新能源和可再生能源中商 业化程度最高、应用最普遍的技术之一。我们可以充分利用这些资源，利用太阳能光伏技 术开发各种太阳能产品【15 1 。 太阳能路灯系统实质上是一个小的独立光伏系统【1 6 1 ，主要由四大部分组成，即太阳 电池板、蓄电池、太阳能控制器、光源，如下图1 3 所示。 图1 3 太阳能路灯系统 在太阳能路灯系统中，太阳能充放电控制器是整个路灯系统中的核心部件，它的性 能在一定程度上决定了整个路灯系统的性能好坏，它控制对蓄电池的充放电，蓄电池性 能、使用寿命和充放电方式有关。目前，太阳能路灯系统主要由于蓄电池寿命低而导致 整个路灯系统可靠性不高，因此，对蓄电池的保护是非常关键的。 实践证明，如果蓄电池在使用过程中一直处于浮充电或浅放电( S O C 始终大于5 0 ) 状态，则蓄电池的使用寿命将会大大延长，甚至延长一倍以上。因此，在这些仅仅依赖 太阳电池对蓄电池充电的光伏系统，控制器的作用是显而易见的，它的性能决定了蓄电 池的性能，决定了系统的可靠性以及系统的成本。 目前，市场上有各种各样的太阳能路灯，但这些路灯系统主要问题是可靠性不高， 其原因是：控制器对于蓄电池的保护不充分而导致蓄电池的损坏。这些控制器对蓄电池 的充电采取了很多有效的措施，确保蓄电池不会过充电；比如当蓄电池的电压达到充满 点时，控制器将充电回路断开，或者采用脉宽调制的办法或多路充电的办法，随蓄电池 的电压接近充满点时，充电电流逐渐减小，从而达到保护蓄电池不被过充电的目的。但 山东建筑大学硕士学位论文 是对于防止蓄电池过放电，目前市场上的太阳能路灯控制器只是一点式控制，例如，德 国的S T E C A 控制器，T R I S T A R 充放电控制器，P S R 2 0 充放电控制器等。即在蓄电池达 到过放点之前不做任何控制。没有通过在线检测蓄电池的剩余容量【m ，这样仍然避免不 了蓄电池的过放电，而蓄电池一旦过放电，或者强迫将负载断开，或者由于蓄电池电压 过低使负载自动断电。这样做的后果是： 切断负载影响整个系统的正常工作； 蓄电池已经处于深度放电状态。 如果蓄电池经常处于深度放电状态，不可避免缩短了蓄电池的寿命而导致整个系统 可靠性不高，再加上太阳能路灯系统一次性投资较一般的路灯大，使得太阳能路灯不能 得到广泛的普及。改善太阳能路灯系统的可靠性，开发性能优良的智能太阳能路灯系统 也成为重要的研究课题。 本课题研究方向主要是把太阳能路灯控制器与Z i g B e e 无线网络进行结合，这在国内 尚属于该领域研究的先行者，通过无线网络监控人员可以实时的检测到蓄电池充放电电 压以及电流，一旦出现蓄电池过充、过放能及时检测，大大的保护了蓄电池，从而降低 了太阳能路灯系统的成本，有利于该系统的广泛推广。 1 3 论文主要内容及研究意义 1 3 1 主要内容 图1 4 智能太阳能路灯系统 如上图1 4 我们把力l l k Z i g B e e 技术，可以实现充电电路和驱动电路的监控的太阳能路 灯系统称之为智能太阳能路灯系统。智能太阳能路灯系统与普通太阳能路灯系统相比， 增加了 山东建筑大学硕士学位论文 蓄电池的监测及控制：监控蓄电池充电电压、电流、温度，防止过充，过放； L E D 驱动控制：根据时间的设定，采用L E D 恒流驱动的方式开关灯； 路灯供电状态的切换：控铜 L E D 蓄电池供电和市电供电的切换。 监控中心：采用B S 架构，以数据库为中心构建服务器，通过以太网进行通信。操作 员通过浏览器可以在其权限之内对该系统进行操作，并可以实时的监控现场路灯的 运行状态。 本智能太阳能路灯系统采用Z i g B e e 无线网络实现现场终端与监控中心的通讯，主要 考虑Z i g B e e 技术如下优势： Z i g B e e 技术的网络容量十分巨大，理论上一个协调器能容纳最大节点个数可以达 至1 J 6 5 5 3 5 个，每个路由器也能容纳2 5 5 个节点。这在照明监控系统应用上是其它技术无法 比拟的优势。通常，我们可以把一个区域的路灯用一个协调器来控制。 在路灯控制系统中，需要传输的数据量很少，只需几分钟甚至几十分钟发送一次 数据。每次发送的数据量也很小，所以Z i g B e e 技术的低速率的特点恰好适合应用在这个 控制领域中。利用Z i g B e e 技术低功耗的特点，实现节能的目的。Z i g B e e T 作在2 4 G 的免 费频段上，不会像使用G P R S 一样浪费许多无线电的资源。 Z i g B e e 技术是一种自组织网络，网络拓扑结构可以随意变动，而且Z i g B e e 网络具 有自愈功能，网络不会因为一个或几个节点坏掉而瘫痪；也不会因为增加一个或几个节 点而影响整个网络的工作。Z i g B e e 技术可以多跳路由，与普通的多跳不同，自组织网络 的多跳路由是一块普通的节点来完成的。这些优点应用在太阳能路灯监控系统中是十分 有利的，因为路灯的环境比较复杂。假如两盏路灯之间遇到大的障碍物时，我们可以通 过增加冗余节点的方式来改变网络的拓扑结构，从而绕过障碍物使整个网络畅通。 利用Z i g B e e 技术可以节省监控系统的成本，因为Z i g B e e 技术L I G P R S 等技术成本 要低很多，而且可以在监控中心控制路灯的开关，更加灵活的操作。 1 3 2 研究意义 首先，本课题把太阳能路灯控制器和无线网络进行结合，蓄电池的电压通过无线网 络可以实现在线实时的检测。从而有效地防止了对蓄电池的过充与过放，大大地提高了 蓄电池的使用寿命，降低了太阳能路灯的成本，使智能太阳能路灯这种绿色环保的产品 得到广泛的应用，积极地建设低碳中国。 其次，本课题采用的是2 4 V 的铅酸蓄电池，大量文献表明：在蓄电池的使用过程中， 当电池电压低于2 3 5 V 时，就应该对蓄电池充电，这样才能延长蓄电池的使用寿命。所以 山东建筑大学硕士学位论文 切换电路的设计显得尤为重要，即当电池电压低于2 3 5 V 时，应当切换至市电对路灯供电。 降低太阳能路灯出故障的程度，增强了太阳能路灯的稳定性与可靠性。 再次，现有的太阳能路灯系统不能对每盏灯的电压、电流、功率等数据进行实时的 统计，而本课题每盏灯上都安装有一个智能控制终端，通过智能控制终端可以实现每盏 灯进行个性化与智能化的控制。 最后，本课题的无线通信采用Z i g B o 巴单一的技术就可以实现，这在国内尚属先行者， 也开仓J Y Z i g B e e 技术大面积应用的先河，为Z i g B e e 技术以后广泛的应用奠定了坚实的基 础。 图1 5 为Z i g B e e 技术引入太阳能路灯系统的框图。 图1 5Z i g B e e - 技术引入太阳能路灯系统框图 综上所述，本课题将Z i g B e e 技术这项新兴的短距离无线技术带入太阳能路灯系统， 并且在太阳能路灯系统中大面积范围内只采用Z i g , B e e 单一网络实现通信，大大降低了太 阳能路灯的成本，对太阳能路灯的应用和推广有着重要的意义。 1 4 本文创新点及文章内容安排 1 4 1 本文创新点 本系统在太阳能路灯系统中大范围区域内采用Z i g B e e 单一通信技术，实现了无线 网络的构建，节约了大量建设成本和后期运营维护成本。 将Z i g B e e 技术应用到了现有的太阳能路灯智能终端系统中，实现了对蓄电池充放 电的监测和控制和路灯状态采集和控制；该终端具有联网运行和断网独立运行功能，因 此保证了系统的稳定性。 通过监控界面可以实现对太阳能路灯单灯的个性化控制。 1 4 2 文章内容安排 第l 章介幺B Z i g B e e 技术的概况以及Z i g B e e 技术研究的现状，分析了太阳能路灯系统的 现状，为了使太阳能路灯系统得到更好的推广，提出了将Z i g B o e 技术应用到路灯系统的 山东建筑大学硕士学位论文 必要性。 第2 章提出了太阳能路灯监控系统总体方案设计，并分别介绍了整个系统各个子系统 的功能以及整个系统实现的功能。 第3 章介绍Y Z i g B e e 技术所依托的硬件平台，该硬件平台的搭建主要通过I P L i l l l ( 模 块来实现。首先介绍了一下I P L i n k 模块的特点，然后对其网络操作原理的拓扑结构进行 分析，最后介绍了根据智能控制终端节点的需要选用I P L i n k 模块的M e s h 网络以及I P L i n k 单个模块组网配置应注意的问题。 第4 章首先介绍Y Z i g a e e 协议栈的概况，然后介绍Y Z i g B e e 组网的拓扑结构，接着根 据拓扑结构的特点，提出了整个系统的网络拓扑结构选用网状网的结构，最后介绍了如 何对口L i l l l 【模块进行相应的配置来组建系统所需要的网状网络。 第5 章本章所设计的内容是本文的重点内容之一，首先介绍太阳能路灯系统智能监控 终端的设计，接着详细介绍了智能控制终端蓄电池充放电保护电路设计、M C U 和Z i g , B e e 无线通讯模块设计、电压、电流监测电路的设计、L E D 驱动电路的设计、市电切换电路 的设计等，然后给出了整个终端的设计实物图，最后根据通信功能的要求编写了路灯控 制协议。 第6 章分别从Z i g B e e 网络、太阳能路灯系统、太阳能路灯控制系统三个部分逐步对 整个系统进行了实地测试，并且对测试结果进行分析。 第7 章对研究结果进行总结，提出有待于进一步研究的问题。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章太阳能路灯控制系统方案设计 本系统根据太阳能路灯的发展形势，致力于太阳能路灯智能化集中管控的应用研究， 在国内外研究工作的基础上，并结合我国国情，进行了技术研发和集成创新，成功研制 了基于无线局域网的太阳能路灯自动控制系统，并投入了应用。 本系统使用Z i g B e e 无线通信模块与太阳能路灯智能控制终端的完美结合，实现了在 大范围区域内对蓄电池在线监测和控制以及路灯状态的远程监测和控制，真正的达到了 太阳能路灯的智能化和个性化。 2 1 系统的目标 本系统以数据库为基础，采用B S 架构，结合地理信息系统，以I n t e r n e t 和Z i g B e e 无线通信技术构建通信网络，太阳能智能控制终端为现场控制器，达到如下设计目标： 数据采集集中化 蓄电池充放电电路控制智能化 驱动控制合理化 路灯控制人性化 2 2 系统设计原则 1 、规范性原则 输入输出符合行业标准。 软件工程和数据库建设符合行业规范。 2 、实用性原则 界面设计尽量模拟人的工作习惯，随时提示。 与物处理的操作功能是“傻瓜型 ，简单、易于操作；同时提供复杂但功能强大 的操作功能，供系统维护人员使用。 3 、先进性原则 硬件设备的先进性：硬件设备应选用性能价格比高的设备，并有很高的可靠性和 较长的使用寿命； 软件的先进性：软件应采用目前国际上通用禀赋和发展趋势的软件，为以后的功 能扩充打下基础； 技术方法的先进性：采用先进的技术方法和理论，设计使用、可靠、具有先进水 平的分析模型和应用模型。 4 、安全性原则 山东建筑大学硕士学位论文 由于系统业务及不同权限的用户、不同类型的业务数据，系统的安全保密是系统设 计的重要原则。 5 、可靠性原则 数据的可靠性：数据库中的所有数据应准确可靠。 系统可靠性：系统具有很强的容错能力和处理突发事件的能力，不至于因某个动 作或某个突发事件导致数据丢失和系统瘫痪。 6 、可扩展性及开放性原则 系统具有良好的接口和方便的二次开发工具，以便系统不断的扩充、求精和完善。 系统在输入、输出方面应具有较强的兼容性，能进行各种不同数据格式的转换。 2 3 系统整体方案设计 基于Z i g B e e 网络的太阳能路灯监控系统由监控中心的主站端计算机和位于路灯现场 的Z i g B e e 智能监控终端通过Z i g B e e 无线网络联结组成( 如图2 1 所示) 。本系统创造性的在 于大范围区域内采用Z i g B e e 单一通信技术，实现了无线网络的构建，节约了大量建设成 本和后期运营维护成本。网络中使用少量通信距离远的通信模块构建骨干网，这样就解 决了大范围区域的通信和网络低成本构建问题。然后通过信道隔离的方式，在骨干网的 基础上构建子网，每个路灯智能监控终端都是子网的节点，这样所有路灯就实现了联网。 图2 1 系统整体解决方案 2 3 1 监控中心。 监控中心采用B S 架构，以数据库为中心构建服务器，通过以太网进行通信。操作 员通过浏览器可以在其权限之内对该系统进行操作，并可以实时的监控现场的状况。B S 架构系统示意图如图2 2 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 服务器 图2 2 监控中，：Z B S 架构系统示意图 数据库：有效地管理和存取大量的数据资源，数据库技术主要研究如何存储，使用和 管理数据。 服务器端：可稳定工作，自动判断用户权限并根据用户要求进行查询并生成报表，管 理用户和用户自定义组，管理路灯信息，对各种参数进行分析。 P C 终端：提供有好的用户界面，可根据用户的权限使用本系统。 路灯监控中心界面功能框图如下图2 3 所示： 图2 3 路灯监控中心界面功能框图 路灯登陆界面如下图2 4 所示： 山东建筑大学硕士学位论文 蘸。 路灯智能控制系统 ： m P # 二二二二 t m 二二二二 ；i i 瞄i ：= = 、之。、避趣静P 囊= l 薹 艘- 篓 鞠淄罐潞灞鞠塌 山东建筑大学硕士学位论文 通信的实现：首先本系统监控中心的Z i g B e e 协调器以广播的形式发送信息，骨干网 中的路由器接收到信息以后与自己本身的信息进行对比，如果该信息符合本身的要求， 则接受此信息，然后通过网桥传递给子网中的协调器；否则对此信息不予理会。子网中 的协调器收到信息以后，发送给智能终端，从而使相应的路灯进行动作。智能终端向监 控中心发送信息时，首先是把运行参数数据打包，通过Z i g , B e e 无线网络把信息传送给本 身网络的协调器，子网的协调器接收到信息以后通过网桥把其传送到骨干网络中的路由 器中，路由器进而把信息传送到监控中心的Z i g B e e 协调器中，最后在监控中心的界面上 显示出某个路灯运行的具体参数。 2 3 3 智能控制终端 每个路灯都连接一个Z i g , B e e 智能控制终端，该智能控制终端主要负责采集蓄电池两 端的电压信号和它的充电电流，其次还安装一些特殊的传感器采集温度，光照强度等信 息。智能控制终端通过本身自带的A D C ，分别将0 V 2 6 V 的电压信号和0 - 6 A 的电流信号 转换为数字信号，当数字信号转化结束后，智能监控终端将完成两个功能：一是通过 Z i g B e e 无线传输技术传输给子网络协调器；二是当监测到输入的电压低于2 3 5 V 或高于 2 6 V 时进行电路切换，即将蓄电池供电改为市电供电。子网协调器也有两个功能，一是 负责收集这些信号，并将其储存至终端电脑，建立数据库；二是产生控制信号并传输， 对L E D 驱动和蓄电池充电进行强行转换。 路灯智能控制终端由蓄电池充放电管理模块、电流和电压采集模块、路灯驱动模块、 时钟模块及Z i g B e e 无线通信模块组成。( 系统结构框图如图2 6 所示) 电流、电压检测 模块实时采集电流、电压参数；Z i g B e e 无线通信模块将其接入Z i g B e e 无线网络。 电 阻 分 压 模 块 电源和复 位模块 太辟I 能电池 电压采样模块 蓄电池 电压采样模块 蓄电池 电流采样模块 微 处 理 器 图2 6 终端结构框图 输出驱动 模块 Z i g B e e 模块 蓄电池充放 电管理模块 时钟模块 山东建筑大学硕士学位论文 电阻分压M 络：通过电阻分压为系统提供一定的采样电压值 电源模块：提供系统+ 5 V 和+ 33 V ( + 1 2 V ) 的电压 A 阳电池电廿三采样模块：完成太阳电池电压的采样 蓄电池电压采样模块：完成蓄电池电压的采样 蓄电池电流采样模块：完成蓄电池电流的采样 输出驱动