基于移动终端的路灯控制器无线组网系统设计

许正望，冯代伟，梅威，虞家奇

（湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068）

0 引言

光伏照明作为一种清洁能源，可以实现无输电线路、无污染的照明供电[1]。在新能源产业前景如此广阔的情况下，光伏照明的国内市场的发展前景广阔，其主要应用是太阳能路灯。

但随着道路照明中太阳能路灯使用规模的不断扩大，也逐渐暴露出一些不足之处，由于规模较大长度较远，路灯系统会出现控制器运行参数无法集中控制，故障也无法做到及时发现和及时检修等问题[2]。目前的路灯系统都是独立控制，智能化程度低、也无法和监测端进行通讯，这些问题都给路灯系统的管理和维护带来许多的困难[3]。采用人工定期检查的方式效果并不理想，不仅增加了人员的投入也加大了维护成本。

Zig Bee是一种实用的双向无线通信技术，工作全球统一不需要授权的2.4GHz频段[4]。但目前广泛使用传统的Zig Bee协议进行无线组网十分复杂，CC2530无线自组网模块是建立在传统Zig Bee协议的基础之上，使用该模块进行无线传输时可自动组成多跳网状网络，不需要掌握复杂的协议，可以节约很多的开发时间而且无线传输的稳定性很好，抗干扰能力强[5]。

1 系统整体设计

基于移动控制终端的无线自组网系统包括两大部分，移动控制终端节点和路灯系统节点，如图1所示。移动控制终端节点由HMI人机界面，STM32最小系统电路和CC2530无线自组网模块组成，主要负责实时接收路灯控制器的运行参数和修改路灯控制器的运行参数。路灯系统节点由路灯控制器和CC2530无线自组网模块构成。

当需要接收并查看路灯控制器运行参数时，在HMI人机界面上选取所需查看的路灯控制器的编号，并向STM32发送一个指令，不同的路灯对应不同的指令，STM32接收到指令后将此指令打包成一个CC2530模块特定格式的数据包后发送给移动控制终端上的CC2530模块，移动终端上的CC2530模块将指令数据包发送到对应路灯控制器上的并由控制器接收，采集路灯控制器的实时运行参数打包成特定格式的数据包发送给CC2530模块，最终由移动控制终端接收，STM32进行处理并发送到HMI人机界面上进行显示。当需要修改路灯控制器的实时运行参数时，直接在HMI人机界面上进行修改，然后将修改好的参数数据打包成CC2530模块特定格式的数据包并通过CC2530模块发送到目标路灯控制器中，由控制器接收数据包并对数据包进行解析，提取有用的数据，完成对路灯控制器远距离的参数修改，改变目前的运行状态。

图1 无线自组网太阳能路灯控制系统框图

图2 STM32最小系统电路图

2 移动控制终端节点设计

2.1 STM32最小系统电路设计

路灯控制器要在保证路灯正常运行的情况下，保证尽量降低功耗，实现数据处理和存储，远距离通信等功能，因此要求路灯控制器具有不错的运算处理能力和低功耗。考虑到实际应用范围和成本，本文路灯控制器和移动控制终端中均选用STM32系列的 STM32F103C8T6为主控芯片，STM32F103C8T6有48个引脚，此款芯片的性价比较高，存储器和外设资源丰富足以满足本设计的需求。

在此基础上设计出移动控制终端所需的STM32F103C8T6最小系统电路，其电路原理图如图2所示。STM32F103C8T6最小系统电路主要由STM32F103C8T6主控芯片、晶振电路、复位电路、供电电源滤波去噪电路、BOOT模式选择电路以及接口控制电路等构成。

2.2 HMI人机界面

HMI是 Human Machine Interface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面[6]。HMI人机界面任何界面显示和控制指令都是通过设备内部自己实现，不需要外围的MCU参与。图3所示的是本系统路灯控制器需要通过无线自组网传输的数据参数（左），以及触摸屏需要接收到的路灯的参数（右）。HMI人机界面与STM32通过Uart2进行通信，通过内部自带的“get”指令发送数据给STM32，再由STM32发送给CC2530无线自组网模块。

3 路灯系统节点设计

3.1 路灯控制器

路灯控制器节点由路灯控制器和CC2530模块构成。路灯控制器的主电路采用的是成本低、体积较小的双向DC-DC电路，当双向DC-DC电路正向运行时，电路以BUCK的形式降压运行，太阳能板能量向锂电池转移，给蓄电池充电，并引进太阳能电池的MPPT功能，提高太阳能电池的输出能量;主电路反向运行时，电路以BOOST的形式升压运行，锂电池能量向路灯转移[7]。当蓄电池放电时，系统实现对负载的恒流驱动，同时可以调节PWM占空比来进行调光。另外，同步整流DC-DC电路采用通态电阻很小MOSFET管，这样可使系统的整流损耗减小。STM32单片机为控制器的控制核心，它接受电路检测的信号、运行控制算法、输出控制信号，并与无线组网模块进行通信。驱动电路接受单片机的命令，并驱动MOS管，使电路工作于合适的模式及PWM占空比条件下。

图4 路灯控制器节点框图

3.2 CC2530无线自组网模块

本文无线组网系统选用CC2530无线自组网模块中的DL-LN32P系列无线自组网模块，芯片型号为CC2530F256，该芯片上集成了2.4 GHz的RF收发器，8051MCU，具有256 kB的存储器。此芯片在发送模式和接收模式的工作电流分别为29mA、24mA，十分适合低功耗系统。

CC2530无线自组网模块符合IEEE 802.15.4协议但相比传统的Zig bee更为简单稳定，无需设计复杂的协议栈，地址可自主配置。该模块工作时模块与周围的模块组成一个无线多跳网络，此网络为对等网络，不需要中心节点，两个模块之间的最大传输距离可达500米，具有确认传输功能,CC2530模块之间可自动进行无线多跳传输，当传输距离超过两个模块之间的最大传输距离时可自动选择就近的模块进行跳转传输，由此可达到远距离传输的目的。

CC2530无线自组网模块的的引脚图如图5所示，管脚1、2、10、11、13未投入使用，在任何情况下都需要保持悬空状态，管脚4、5在测试模式下输出输入测试信息，可作为可控IO口输出，管脚6、9、16为GND，管脚7、8接电源，管脚14、15分别为模块的输出输入。该模块的工作电压为2.5～3.6 V，一般都接入3.3 V电压保证正常运行，工作电流为55 mA，无线发送功率为20 dBm。

4 系统软件设计

4.1 HMI人机界面软件设计

图6为HMI人机界面内部界面显示和发送数据指令的控制程序，通过上位机进行编写，“get”指令为发送数据指令，“page”为翻动页面指令，通过“get”指令将图6中文本框中的数据发送到STM32单片机上并进行处理。

图5 CC2530模块引脚图

使用“get”指令屏幕发送数据到STM32，图7为屏幕发送数据后，模拟器接收的数据，数据格式以70作为开头，FF FF FF作为结尾，2E代表参数中的小数点。通过模拟器进行模拟，HMI触摸屏通过Urat发送出去的数据均可以被接收。

图7 模拟器返回数据

HMI触摸屏接收来自控制器的参数数据，移动控制终端中的STM32接收来自CC2530无线自组网模块传输过来的控制器参数数据，通过如下程序将控制器参数数据显示在HMI触摸屏中：

HMISendstart();

HMISends("t0.txt=""");

HMISendb(0xff);

4.2 CC2530模块软件设计

CC2530无线自组网模块使用Uart作为接口数据交互接口，其接口参数如下：数据位：8位，起始位：1位，停止位：1位，校验位：无校验[5]。

CC2530无线自组网模块传输数据的格式为FE 05 91 90 3F 00 AB FF，包头为FE 05，FE表示数据包的起始位，05代表数据包的长度。91和90分别代表包的源端口号和目的端口号。3F 00代表模块的地址，每个路灯系统节点的无线自组网模块都有单独的地址，通过选择地址可以选择需要监测的路灯。AB代表具体的数据，长度不定。FF为包尾，表示一个数据包传输完成。

整个系统的软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

5 测试结果

在实验环境中主要进行自组网各节点的收包率及数据传输时间的测试，基于CC2530模块本身存在传输距离的限制，并且当遇到障碍物时会出现数据包丢失的问题，因此进行收包率的测试对在实际户外路灯系统有极大的参考意义。

实验中暂时选用传输距离为45 m的DL-LN32系列进行丢包率测试来节省实验成本，丢包率测试的实验结果如表1所示。

因此，可总结为在以上实验环境中，以最大传输距离45 m为基准，节点距离在25 m以下收包率良好，不会存在数据包丢失的现象，节点距离25 m以上会出现数据包丢失，节点距离增大和有障碍物遮挡都会造成丢包率的增加。丢包率的测试实验可表明CC2530无线自组网模块的传输稳定性高，距离和障碍物都会影响传输效率但影响并不大，在干扰不是特别严重的情况下可以保证很高的传输效率。

6 结论

本文介绍的以HMI人机界面为移动控制终端，以CC2530模块作为无线传输的太阳能路灯监测系统，可以大大的改善目前太阳能路灯系统在远程监测和调控上的不足，也可以降低采用人力进行定期检查和维修的成本。本文进行了大量的无线传输过程实验来检测传输过程中数据包丢失概率。测试结果表明节点转发信息时延时较短，丢包概率低，可对系统进行实时而且稳定的控制，提高了实时性和稳定性。此外，本文采用的无线自组网络可移植性强，在智能家居，在线水质和土壤监测等领域也可有广泛的应用[8]。

参考文献：

[1] 魏政,于冰清.我国光伏产业发展现状与对策探讨[J].中外能源,2013,18(6):15-24.

[2] 杨超,王雷.无线自组网太阳能路灯控制器设计[J].自动化仪表,2012,33(5):25-27.

[3] 王晓媛,齐维贵.我国城市道路照明节电技术研究与应用现状[J].照明工程学报,2010,(01)：12-18.

[4] 李俊斌,胡永忠．基于CC2530的Zig Bee通信网络的应用设计[J]．电子设计工程,2011，19（16）：108－111.

[5] Femia N，Fortunato M，Vitelli M.Light-to-light：PV-fed LED lighting systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(8)：4063-4073.

[6] Alippi C，Galperti C.An adaptive system for opimal solar energy harvesting in wireless sensor network nodes[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers,2008,55(6)：1742–1750.

[7] 周志敏,纪爱华.太阳能LED路灯设计与应用（第2版）.[M].北京：电子工业出版社,2012.

[8] 刘毅力,焦尚彬.基于CC2530无线传感网络系统的设计[J].现代电子技术,2013,03.