基于物联网技术的光伏照明故障监测系统设计

彭刚彬，邹家贤，冷 洁，刘 嵩，罗 敏

(湖北民族学院信息工程学院，湖北 恩施 445000)

随着经济的高速发展，道路照明、灯饰工程等逐渐受到重视，在交通、通信、人们日常生活等领域形成了数量巨大、错综复杂的照明网络。与此同时，光伏照明的电能消耗和设备损耗也越来越大。传统的光伏照明系统通讯程度差，故障监测主要采用人工排查的方式，这无疑会增加工作人员的劳动量和工程的复杂度，给光伏照明系统的管理和维护带来很大困难，也给人们的生产生活带来了诸多的不便。本文设计的系统利用无线传感技术，实现对各个节点的精确定位和智能监测，工作人员只需通过手机、电脑等网络终端就可方便了解照明设备的工作状态，减少了人力、物力的投入，从而使得故障监测更为人性化。

1 物联网及相关技术介绍

物联网是指各种终端设备和设施，在专网或互联网环境下，通过无线或有线的方式实现互联互通，采用适当的信息安全保障机制，提供个性化的实时远程控制、远程维护等管理和服务功能，实现对设备的管控一体化。而ZigBee 技术被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大新技术之一，也是物联网应用最关键的技术之一［1］。它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。其Z－Stack 协议栈具有清晰的层次结构，主要由物理层(PHY)、介质接入控制层(MAC)、网络层(NWK)及应用层(APL)组成。在ZigBee 网络中，用户通过编译以上协议即可轻松定义各个单元的作用。

2 系统的总体架构

本系统由ZigBee 无线传感网络及信息处理中心组成，主要实现了无线传感网络与信息处理中心之间的数据交换和信息处理。系统总体设计如图1 所示。

图1 系统总体框架

2.1 信息处理中心

信息处理中心主要包括中央处理器、显示器、外部存储器、时钟电路、串口通信模块、网络模块等部分，其结构如图2 所示，相关组件功能描述如下:

图2 信息处理中心结构示意图

1)中央处理器:中央处理器作为数据处理的核心单元，主要由高性价比的STM32F103ZET6 承担，其工作频率可达72 MHz，具有可移植的实时操作系统μC/OS 和通用的文件系统模块FatFs，因此可以轻松胜任各种繁多的数据处理。其实现了数据处理与显示、信息存储、指令发送与接受等功能。

2)显示器:本系统的显示器应用μC/GUI 图形支持系统，结合触屏操作、彩色显示等功能，使得显示和操作更为人性化。

3)外部存储器:中央处理器通过挂载一个外部存储器，实现了各个单元工作信息的本地备份，工作人员就可以通过此备份查阅相关节点的工作状态，进而有针对性地实施维护。

4)串口通信模块:其主要采用RS－232 标准串口设计的电源转换芯片MAX232 来完成中央处理器与ZigBee 协调器的数据互传，从而实现了信息处理中心与无线传感网络之间的有线通信。

5)时钟电路:本部分采用低功耗时钟芯片DS1302 来为系统提供实时时间，从而达到故障数据与当前时间同步记录的目的。

6)网络模块:该模块主要是利用以太网控制器ENC28J60 将各个节点的工作信息定时上传到互联网上，工作人员通过网络就可了解相关节点的工作状态。

2.2 ZigBee 无线传感网络

ZigBee 无线传感网络由协调器、路由器、终端三种功能节点组成，该网络实现了各个节点状态信息的采集、传输以及执行由中央处理器发送的指令［2］。

2.2.1 硬件结构

三种功能节点硬件部分均以CC2530 为核心处理器，包括天线电路、太阳能电池板和蓄电池等模块，其中协调器增加了一个串口通信模块，用来实现协调器与中央处理器的信息交换;终端增加了工作状态监测电路和照明控制模块。下面将以终端节点为例进行详述，其结构如图3 所示。

图3 终端节点结构示意图

1)工作状态监测电路:本部分主要包括照明设备、蓄电池、太阳能电池板三个部分的工作状态检测。照明设备的检测是通过光敏传感器实现，蓄电池、太阳能电池板工作状态的检测是利用CC2530 芯片片内自带的8 路高分辨率模数转换器，再配合少量的采样电路实现。

2)天线电路:本部分采用功率放大芯片CC2591 以及CC2530 芯片片内的调制解调模块实现，可以完成400 m 距离的无线传输。

3)照明控制电路、太阳能电池板、蓄电池:此部分运用当前日趋成熟的太阳能采集与存储技术和照明控制技术。

2.2.2 工作机理本系统是依靠以上三种功能节点实现数据的无线传输，其通信组合方式有:协调器与路由器之间的通信，路由器与路由器之间的通信以及路由器与终端之间的通信。除了具有通信功能外，它们各自还有不同的特点，其中协调器还负责启动和建立整个无线传感网络，路由器负责其它路由器及终端加入或退出该网络，终端则负责照明设备的控制和状态检测。当协调器通过串口UART 接受到中央处理器发送的指令时，协调器通过一个或多个路由器将指令传送到指定终端节点并执行。同时，终端节点将各个单元的工作信息经路由器传输到协调器最终到达中央处理器，从而实现了中央处理器与终端之间的信息交互。

3 系统的软件设计

3.1 数据格式的设计

该系统主要包括三层数据交换结构:终端与协调器的数据交换、协调器与中央处理器的数据交换、中央处理器与互联网的数据交换。为此本系统为每一层数据通信设计了相应的数据交换格式。在系统中协调器只有一个，终端有多个，因而需要设计协调器发送广播包，广播包的内容如表1所示。BIT［15:14］为命令类型，CMD［1:0］用来表示灯的开关命令，CMD［1:0］为00:表示全关，01:表示全开，10:单点关，11:单点开。D［13:0］表示单个终端节点的编号。

表1 协调器发送给终端的数据格式

终端向协调器发送的是点对点的数据包，传输的信息包括终端节点标号、当前各个节点每部分的工作电压等信息。

3.2 系统软件实现

ZigBee 无线传感网络的应用程序代码主要是在ZStack－CC2530－2.3.0－1.4.0 协议栈的架构上编写的。ZigBee协调器节点作为网络的核心，负责网络建立及数据交换的任务，其首先建立无线传感网络，而后一直处于工作状态，并按一定的周期查询是否有中央处理器发来的控制命令，如有控制命令，则通过路由器将命令发送到各终端节点上执行。路由器作为网络的中继站，当收到来自其它节点的数据后，路由器将根据数据包的类型向指定的目的节点转发数据包。终端节点用于对光伏照明设备的控制和状态的监测，当发现终端节点的工作状态不正常时，终端通过多跳路由向中央处理器报告相应节点的故障信息。

4 系统实现及实验研究

根据上述分析及原理，本系统的界面显示主要包括:光伏照明设备的开关状态、太阳能电池板的工作状态、蓄电池的工作状态、灯泡的工作状态以及有无故障等信息。用户还可以通过右侧的“向上、向下”按键来翻看其他节点的工作状态。如果其中一个节点的太阳能电池板、照明设备、蓄电池中有一个或多个的电压出现异常，该节点就将各个单元的工作状态以及位置信息反馈回中央处理器并将故障信息以红色字体显示在触摸屏上，从而使用户方便地了解节点的工作状态，并有针对性地实施维护，其工作状态显示界面如图4 所示，其中1、3 为故障节点。

图4 工作状态显示界面

5 结束语

通过对物联网等技术的研究，实现了对光伏照明系统的故障监测。该设计具有成本低、网络建设简单、维护方便、可拓展性强等特点。系统将各个节点的状态信息定时进行存储、统计、传输和显示，减轻了工作人员的劳动负担，增强了系统对终端节点的单灯监测能力。若将本系统延伸到路灯、庭院灯、交通指示灯、无人值守中继站等偏远或者数量较大的网络设备上，便可实现设备的精确化管理，因此本系统具有广阔的应用前景和社会效应。

［1］王颖.基于物联网技术的城市路灯无线网络监控系统［J］.山西电子技术，2012(6) ：36－39.

［2］高守玮，吴灿阳.ZigBee 技术实践教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.