基于ZigBee技术的可组网太阳能LED路灯终端控制器的设计

王琳 肖军 王威

摘 要： 随着智慧城市发展需求，城市管理对路灯系统的要求也越来越高。通过传感器技术和无线通信技术等技术的有机结合，研究了基于ZigBee技术的可组网太阳能LED路灯终端控制器。详细阐述了各个关键技术，通过实验验证，证明了该系统具有一定的稳定性和可行性。

关键词： ZigBee技术; 太阳能; LED; 终端控制器

中图分类号： TG 409      文献标志码： A

Design of Networkable Solar LED Street Lamp Terminal

Controller Based on ZigBee Technology

WANG Lin， XIAO Jun， WANG Wei

（School of Electronic Engineering， Xian Aeronautical University， Xian， Shanxi  710077， China）

Abstract：

With the development of smart cities， the requirements of city management for street lamp system are getting higher and higher. In this paper， through the organic combination of sensor technology and wireless communication technology， the networkable solar LED street lamp terminal controller based on ZigBee technology is studied， and the key technologies are elaborated in detail. The experimental verification proves that the system has certain stability and feasibility.

Key words：

ZigBee technology; solar energy; LED; terminal controller

0 引言

隨着科技的发展，人类对于生活质量的要求越来越高，人类夜间的出行安全也变得尤为重要，随之便有了路灯，但是传统的路灯比较浪费人力、物力，自二十世纪中叶以来，互联网的快速发展和人类对于太阳能的利用，顺势改变了太阳能路灯在城市照明系统中的地位[1]。

太阳能路灯顾名思义就是将太阳能这种可持续发展能源转换为我们生活中所需要的能量，这种路灯一般采用LED灯作为灯具，将太阳能转换为电能，与LED路灯相结合，利用了太阳能和LED灯的优点，使其发光效率高、环保、不需要铺设线路、利于管理。LED灯是市场上比较常见和便宜的低压直流性的器件，它可以把太阳能、风能等可再生能源转化为点能，为我们的生活更加的方便[2-3]。

传统的道路照明方式大致分为三种，分别为时间控制、光照控制和半夜灯控制。这三种常见的控制方式，基本上是通过控制电路来达成路灯的统一开关，这几种方式在单灯的控制上没有办法完成，而且还没有单灯的数据监测，维修起来比较麻烦。

用互联网技术进行智能化的管理各大路段的路灯，以减少人力和物力资源的浪费，大大加快了城市智能化的进程，该方法不仅仅可以应用到路灯方面，还可以应用到智能家居方面[4-5]。本文通过ZigBee模块以及自身具备的控制功能，能够使LED路灯成为组网控制终端，从而通过无线网络以及路灯控制中心对路灯进行统一控制和管理，能够降低消耗并且降低人工管理和维护路灯的费用[6-7]。

1 ZigBee技术的可组网太阳能LED路灯终端控制器的硬件设计

该设计实现了由ZigBee可组网控制的太阳能LED路灯的终端控制器。该终端控制器包括STC12LE5616AD单片机主模块、能产生10 V和3.3 V直流电的电源模块、充电模块和放电模块以及ZigBee模块，主模块分别与充放电模块、电源模块、以及ZigBee模块相连接。充电模块通过与太阳能板连接吸收太阳能为蓄电池充电，上述两个电路都与蓄电池连接。本文通过ZigBee模块以及自身具备的控制功能，能够使LED路灯成为组网控制终端，从而通过无线网络以及路灯控制中心对路灯进行统一控制和管理，能够降低消耗并且降低人工管理和维护路灯的费用。总设计原理框图，如图1所示。

1.1 充电电路及驱动电路的设计

充电电路是通过电路来实现将太阳能转换为电能，为太阳能板进行充电，然后将电能转换为蓄电池的电能。充电电路也不是时时刻刻在给太阳能板进行充电，应该根据实时的天气进行充电，如果太阳能板上的电压大于蓄电池电压时，根据电势能原理，应该是太阳能板对蓄电池进行充电，反之，则会关闭充电。在该设计中，通过两个N沟道的MOSFET来实现充电控制的功能，但是前提是这两个N沟道MOSFET必须镜像对称。IRF3205双栅场效应管比较符合该充电电路设计的要求，由于它的导通压降比较小在0.1～0.3 V内，发热量小，对电路不会造成破坏。

在该设计中，通过充电控制功能是利用IRF3205双栅场效应管的N沟道MOSFET的Q1和Q2实现的。如果太阳能板上的电势比蓄电池上的电势大时，仅仅一个N沟道MOSFET并不能实现充电电路的开通和关断，所以这里需要引入两个N沟道MOSFET相互作用来实现充电电路的控制。太阳能板产生了电压Vmos，Vmos又给Q1的栅极提供电压。太阳能板的反接保护就是通过Q1的栅极电压来实现，如果太阳能板反接，那么Q1将没有正向的栅极电压，无法导通，那么太阳板就不会有任何的损坏。在电路中，为了保证处理器I/O接口不被损坏，使输入/输出能够正常的运行，在电路中采用P6KE68CA二极管，该二极管是双向瞬态控制抑制二极管，可以避免电路中电子元件因为瞬间增大的电压而损坏。在蓄电池充电的时候，太阳能板上的电能会转换到蓄电池中，太阳能板上的电压会大幅度的降低，所以在蓄电池充电时，可以不用对太阳能板上的电压进行检测。充电电流检测原理图，如图2所示。

1.2 放电电路的设计

放电电路部分主要是将蓄电池中的电能释放到LED负载上，以供LED负载照明，LED是一种典型的非线性发光二极管，如果LED两端的电压过低，二极管会处于截止状态。当LED二极管两边的的电压达到导通状态时，LED就会发光，由于蓄电池电压不容易控制，LED二极管在导通状态时电压继续增加，电流就会增大，如果不对电流加以限制，LED灯就会因为过流而受到损坏，所以放电电路使用恒流控制方式。放电电路由升压电路实现，升压电路升压，恒流驱动LED负载。升压电路的性能直接影响到控制电路的能量转换效率、热效率和使用寿命。升压电路的工作过程是电感吸收能量和释放能量的过程。对工作的驱动信号的频率是由处理器的PWM频率来确定。在该设计中，PWM的频率f满足关系式：f=fosc/（2×256）;其中fosc是时钟频率，此处为11.059 2 MHZ，经计算可得PWM频率从为21.6 kHZ。

1.3 电源电路的设计

根据控制电路的性能要求，一般的电路，对电压的要求是12 V或者24 V。所以电源模块的输入电压应该为直流，大概范围为10～28 V，电源的硬件需要提供两种不同的直流电以供驱动电路和其他电路的使用，由于驱动电路是总电路的核心，所以需要配置直流10 V的电源，主电源电路，还有ZigBee模块和时钟电路的功耗低，所以这里配置3.3 V直流电以供电路的正常运作。

1.4 ZigBee模塊的设计

一般来说，ZigBee是一种短距离可以无线传输的网络，和蓝牙比较相似，不过传输距离远远大于蓝牙的传输距离，最大可以达到几公里的传输距离，利于管理，该无线传输协议还能同时容纳成千上万个节点。

此次设计在ZigBee硬件模块的选择上，使用了以8051为内核具有无线通讯协议CC2530单片机。CC2530的性能以及资源如下：

（1）比较适合本次设计的电源电压为2～3.6 V;

（2）功耗低，在接收数据和发送数据的情况下消耗的电流均不超过30 mA;

（3）性能优良，以8051为内核，具有提取代码的功能;

（4）为8051增强型的单片机，具有8051单片机的一切性能;

（5）内部写有ZigBee无线传输协议，有标准的RF接收器，具有极高的灵敏度（-97 dbm）;

（6）数字RSSI/LQI精确，AES安全处理器和硬件支持CSMA/CA。

CC2530基本上吻合该设计的ZigBee网络设计要求。因为有不平衡天线的存在，在这里需要用一个简单的巴伦电路来优化因为天线不平衡而影响CC2530接受信号时受到的干扰，以维持CC2530在传输信号时的稳定。因为该设计是关于路灯的设计，通常情况下两个路灯之间的距离大概在50 m左右，考虑到通讯的要求，两个ZigBee节点之间的距离必须大于50 m。在此次的太阳能LED灯ZigBee设计中，还存在着射频功率的放大。在这里，引入了RFX2401C射频功率放大电路。该芯片内部具有接收开关

电路，以及网络匹配和滤波器。它的外围电路比较简单，在网络上很容易找到该芯片的电路原理图，如图3所示。

其中它的TXEN和RXEN引脚的作用是来控制芯片。在图3中，RXEN一直保持为高电平，CC2530则接到TXEN。当ZigBee需要发送数据时，RFX2401C将会切换到发送模式。

综上所述，该设计通过ZigBee模块以及其自身具备的控制功能，能够使LED路灯成为组网控制终端，从而通过无线网络以及路灯控制中心对路灯进行统一控制管理，起到节能并降低人工管理、维护路灯的费用。

2 ZigBee 技术的组网及系统软件设计

2.1 基于ZigBee 技术的组网

该系统是基于ZigBee技术的组网。ZigBee 网络的创建：由ZigBee 协调器扫描空闲信道，当找到空闲信道时，就将产生一个新的唯一的PAN 协调器标识符，表示网络已经建立。ZigBee 网络建立后，允许其它节点连入其网络。当其他节点申请加入网络时，先要搜索信道，发现网络后，它将申请加入该网络，最后路由节点允许其接入网络。如果网络节点与网络失联后，则要通过询问路由器节点，重新申请加入网络[8]。

2.2 ZigBee模块数据的流程设计

当太阳能路灯开始投入到应用中，首先应该对软件系统进行初始化，根据对太阳能板上的电压检测判断是否为白天，如果为白天，通过检测到的太阳能板上的电压检测数值的大小判断是否阳光充足。如果阳光充足，蓄电池进行充电，当蓄电池两端的电压超过12 V时，考虑到对蓄电池的充电保护，系统又回到初始化。如果阳光不充足蓄电池就会关闭充电。如果为黑夜，蓄电池将会进行放电，如果电压小于12 V，将会回到初始化，就说明今天白天阳光不充足，没有将蓄电池充满，蓄电池

的电量只能给路灯供电很短的时间。反之，路灯发光，并通过无线通信记录。

当硬件电路程序设计完整无误后，进入到最为重要的环节，为ZigBee内部程序的编写。因为ZigBee有成千上万个节点，在本环节，应当先初始化网络，等待节点的加入，如果节点加入成功，将会进入到下一环节，反之，则继续等待节点的加入。节点加入之后，接受发送的数据，然后将数据发送到硬件电路模块，检查是否发送完毕，如果发送完毕，则会接受新的数据，反之则会继续等待发送数据。

2.3 系统软件设计

本系统软件设计包括三个模块： ZigBee模块设计、GPRS模块设计、上位机管理系统设计。ZigBee 模块设计包括： 协调器、路由器和终端设备的软件设计，设计中根据不同功能的模块，应下载不同的程序类型， ZigBee 模块软件设计主要实现了路灯电流检测、路灯状况判断以及路灯开关控制。GPRS模块通过串口连接ZigBee协调器， 实现了中转ZigBee 采集的数据， 并通过专网将数据传递给GPRS 模块。

GPRS 软件设计是整个系统进行信息交流的桥梁。GPRS模块主要功能是收集ZigBee 协调器采集的数据， 并传送命令给ZigBee网络。不仅如此，GPRS 模块还连接管理软件和ZigBee网络，实现远程数据采集与控制、信息命令的下达，所以要求通信协议具有高可靠性和良好的安全性[9]。

3 总结

结合无线通信技术和传感器技术，设计了ZigBee技术的可组网太阳能LED路灯终端控制器， 该系统能够实时监测路灯工作状况， 根据路灯故障类型进行报警信息发送及故障地点通知等功能，管理员能够对所有路灯远程监测、管理与分析。该系统能够达到节能目的， 降低了资金投入、减少了管理费用，提高经济效益。经过大量实验测试，该系统能够稳定运行，结果证明该路灯终端控制器具有较高的稳定性和实用价值，是一种网络化的路灯控制系统[10]。

参考文献

[1] 刘洋.基于ZigBee技术的太阳能路灯监测系统设计[J].科技创新导报，2015，12（6）：3-5.

[2] 陈运军.城市LED路灯无线智能控制系统设计[J].信息技术，2014（5）：53-56.

[3] 王伟，普平贵，傅洪波，等.ZigBee技术在太阳能路灯远程监控系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2016（7）：109-110.

[4] 田珈祺.太阳能LED路灯照明系统前景及设计分析[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2015（11）：255.

[5] 和俊莉.太陽能LED路灯照明控制系统的设计研究[J].电子元器件与信息技术，2019（4）：62-64.

[6] 张宏宇，贾素梅，姜韶军.基于物联网的太阳能LED路灯系统设计与实现[J].电源技术，2017，41（7）：1039-1041.

[7] 王国义.基于物联网的太阳能路灯控制系统的研究[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2018，34（6）：32-35.

[8] 张健.ZigBee技术在智能交通信号灯控制中的应用研究[J].铜陵学院学报，2014，13（6）：115-118.

[9] 韩颖，赵安兴，袁帅，等.基于ZigBee和GPRS的自组网校园路灯控制系统[J].计算机系统应用，2015，24（3）：98-104.

[10] 刘紫燕，冯亮，杨扬，等.基于WSN的智能路灯控制系统的设计与实现[J].测控技术，2015，34（8）：58-61.

（收稿日期： 2019.07.26）