許正望，馮代偉，梅威，虞家奇

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

光伏照明作為一種清潔能源，可以實(shí)現(xiàn)無輸電線路、無污染的照明供電[1]。在新能源產(chǎn)業(yè)前景如此廣闊的情況下，光伏照明的國內(nèi)市場的發(fā)展前景廣闊，其主要應(yīng)用是太陽能路燈。

但隨著道路照明中太陽能路燈使用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，也逐漸暴露出一些不足之處，由于規(guī)模較大長度較遠(yuǎn)，路燈系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)控制器運(yùn)行參數(shù)無法集中控制，故障也無法做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和及時(shí)檢修等問題[2]。目前的路燈系統(tǒng)都是獨(dú)立控制，智能化程度低、也無法和監(jiān)測端進(jìn)行通訊，這些問題都給路燈系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來許多的困難[3]。采用人工定期檢查的方式效果并不理想，不僅增加了人員的投入也加大了維護(hù)成本。

Zig Bee是一種實(shí)用的雙向無線通信技術(shù)，工作全球統(tǒng)一不需要授權(quán)的2.4GHz頻段[4]。但目前廣泛使用傳統(tǒng)的Zig Bee協(xié)議進(jìn)行無線組網(wǎng)十分復(fù)雜，CC2530無線自組網(wǎng)模塊是建立在傳統(tǒng)Zig Bee協(xié)議的基礎(chǔ)之上，使用該模塊進(jìn)行無線傳輸時(shí)可自動(dòng)組成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，不需要掌握復(fù)雜的協(xié)議，可以節(jié)約很多的開發(fā)時(shí)間而且無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性很好，抗干擾能力強(qiáng)[5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于移動(dòng)控制終端的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)包括兩大部分，移動(dòng)控制終端節(jié)點(diǎn)和路燈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。移動(dòng)控制終端節(jié)點(diǎn)由HMI人機(jī)界面，STM32最小系統(tǒng)電路和CC2530無線自組網(wǎng)模塊組成，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收路燈控制器的運(yùn)行參數(shù)和修改路燈控制器的運(yùn)行參數(shù)。路燈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)由路燈控制器和CC2530無線自組網(wǎng)模塊構(gòu)成。

當(dāng)需要接收并查看路燈控制器運(yùn)行參數(shù)時(shí)，在HMI人機(jī)界面上選取所需查看的路燈控制器的編號(hào)，并向STM32發(fā)送一個(gè)指令，不同的路燈對(duì)應(yīng)不同的指令，STM32接收到指令后將此指令打包成一個(gè)CC2530模塊特定格式的數(shù)據(jù)包后發(fā)送給移動(dòng)控制終端上的CC2530模塊，移動(dòng)終端上的CC2530模塊將指令數(shù)據(jù)包發(fā)送到對(duì)應(yīng)路燈控制器上的并由控制器接收，采集路燈控制器的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)打包成特定格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送給CC2530模塊，最終由移動(dòng)控制終端接收，STM32進(jìn)行處理并發(fā)送到HMI人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。當(dāng)需要修改路燈控制器的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)時(shí)，直接在HMI人機(jī)界面上進(jìn)行修改，然后將修改好的參數(shù)數(shù)據(jù)打包成CC2530模塊特定格式的數(shù)據(jù)包并通過CC2530模塊發(fā)送到目標(biāo)路燈控制器中，由控制器接收數(shù)據(jù)包并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，提取有用的數(shù)據(jù)，完成對(duì)路燈控制器遠(yuǎn)距離的參數(shù)修改，改變目前的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 無線自組網(wǎng)太陽能路燈控制系統(tǒng)框圖

圖2 STM32最小系統(tǒng)電路圖

2 移動(dòng)控制終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

路燈控制器要在保證路燈正常運(yùn)行的情況下，保證盡量降低功耗，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，遠(yuǎn)距離通信等功能，因此要求路燈控制器具有不錯(cuò)的運(yùn)算處理能力和低功耗?？紤]到實(shí)際應(yīng)用范圍和成本，本文路燈控制器和移動(dòng)控制終端中均選用STM32系列的 STM32F103C8T6為主控芯片，STM32F103C8T6有48個(gè)引腳，此款芯片的性價(jià)比較高，存儲(chǔ)器和外設(shè)資源豐富足以滿足本設(shè)計(jì)的需求。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出移動(dòng)控制終端所需的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路，其電路原理圖如圖2所示。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路主要由STM32F103C8T6主控芯片、晶振電路、復(fù)位電路、供電電源濾波去噪電路、BOOT模式選擇電路以及接口控制電路等構(gòu)成。

2.2 HMI人機(jī)界面

HMI是 Human Machine Interface的縮寫，“人機(jī)接口”，也叫人機(jī)界面[6]。HMI人機(jī)界面任何界面顯示和控制指令都是通過設(shè)備內(nèi)部自己實(shí)現(xiàn)，不需要外圍的MCU參與。圖3所示的是本系統(tǒng)路燈控制器需要通過無線自組網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)（左），以及觸摸屏需要接收到的路燈的參數(shù)（右）。HMI人機(jī)界面與STM32通過Uart2進(jìn)行通信，通過內(nèi)部自帶的“get”指令發(fā)送數(shù)據(jù)給STM32，再由STM32發(fā)送給CC2530無線自組網(wǎng)模塊。

3 路燈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 路燈控制器

路燈控制器節(jié)點(diǎn)由路燈控制器和CC2530模塊構(gòu)成。路燈控制器的主電路采用的是成本低、體積較小的雙向DC-DC電路，當(dāng)雙向DC-DC電路正向運(yùn)行時(shí)，電路以BUCK的形式降壓運(yùn)行，太陽能板能量向鋰電池轉(zhuǎn)移，給蓄電池充電，并引進(jìn)太陽能電池的MPPT功能，提高太陽能電池的輸出能量;主電路反向運(yùn)行時(shí)，電路以BOOST的形式升壓運(yùn)行，鋰電池能量向路燈轉(zhuǎn)移[7]。當(dāng)蓄電池放電時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的恒流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)可以調(diào)節(jié)PWM占空比來進(jìn)行調(diào)光。另外，同步整流DC-DC電路采用通態(tài)電阻很小MOSFET管，這樣可使系統(tǒng)的整流損耗減小。STM32單片機(jī)為控制器的控制核心，它接受電路檢測的信號(hào)、運(yùn)行控制算法、輸出控制信號(hào)，并與無線組網(wǎng)模塊進(jìn)行通信。驅(qū)動(dòng)電路接受單片機(jī)的命令，并驅(qū)動(dòng)MOS管，使電路工作于合適的模式及PWM占空比條件下。

圖4 路燈控制器節(jié)點(diǎn)框圖

3.2 CC2530無線自組網(wǎng)模塊

本文無線組網(wǎng)系統(tǒng)選用CC2530無線自組網(wǎng)模塊中的DL-LN32P系列無線自組網(wǎng)模塊，芯片型號(hào)為CC2530F256，該芯片上集成了2.4 GHz的RF收發(fā)器，8051MCU，具有256 kB的存儲(chǔ)器。此芯片在發(fā)送模式和接收模式的工作電流分別為29mA、24mA，十分適合低功耗系統(tǒng)。

CC2530無線自組網(wǎng)模塊符合IEEE 802.15.4協(xié)議但相比傳統(tǒng)的Zig bee更為簡單穩(wěn)定，無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的協(xié)議棧，地址可自主配置。該模塊工作時(shí)模塊與周圍的模塊組成一個(gè)無線多跳網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)為對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，不需要中心節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)模塊之間的最大傳輸距離可達(dá)500米，具有確認(rèn)傳輸功能,CC2530模塊之間可自動(dòng)進(jìn)行無線多跳傳輸，當(dāng)傳輸距離超過兩個(gè)模塊之間的最大傳輸距離時(shí)可自動(dòng)選擇就近的模塊進(jìn)行跳轉(zhuǎn)傳輸，由此可達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康摹?/p>

CC2530無線自組網(wǎng)模塊的的引腳圖如圖5所示，管腳1、2、10、11、13未投入使用，在任何情況下都需要保持懸空狀態(tài)，管腳4、5在測試模式下輸出輸入測試信息，可作為可控IO口輸出，管腳6、9、16為GND，管腳7、8接電源，管腳14、15分別為模塊的輸出輸入。該模塊的工作電壓為2.5～3.6 V，一般都接入3.3 V電壓保證正常運(yùn)行，工作電流為55 mA，無線發(fā)送功率為20 dBm。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 HMI人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

圖6為HMI人機(jī)界面內(nèi)部界面顯示和發(fā)送數(shù)據(jù)指令的控制程序，通過上位機(jī)進(jìn)行編寫，“get”指令為發(fā)送數(shù)據(jù)指令，“page”為翻動(dòng)頁面指令，通過“get”指令將圖6中文本框中的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)上并進(jìn)行處理。

圖5 CC2530模塊引腳圖

使用“get”指令屏幕發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32，圖7為屏幕發(fā)送數(shù)據(jù)后，模擬器接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式以70作為開頭，F(xiàn)F FF FF作為結(jié)尾，2E代表參數(shù)中的小數(shù)點(diǎn)。通過模擬器進(jìn)行模擬，HMI觸摸屏通過Urat發(fā)送出去的數(shù)據(jù)均可以被接收。

圖7 模擬器返回?cái)?shù)據(jù)

HMI觸摸屏接收來自控制器的參數(shù)數(shù)據(jù)，移動(dòng)控制終端中的STM32接收來自CC2530無線自組網(wǎng)模塊傳輸過來的控制器參數(shù)數(shù)據(jù)，通過如下程序?qū)⒖刂破鲄?shù)數(shù)據(jù)顯示在HMI觸摸屏中：

HMISendstart();

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

HMISendb(0xff);

4.2 CC2530模塊軟件設(shè)計(jì)

CC2530無線自組網(wǎng)模塊使用Uart作為接口數(shù)據(jù)交互接口，其接口參數(shù)如下：數(shù)據(jù)位：8位，起始位：1位，停止位：1位，校驗(yàn)位：無校驗(yàn)[5]。

CC2530無線自組網(wǎng)模塊傳輸數(shù)據(jù)的格式為FE 05 91 90 3F 00 AB FF，包頭為FE 05，F(xiàn)E表示數(shù)據(jù)包的起始位，05代表數(shù)據(jù)包的長度。91和90分別代表包的源端口號(hào)和目的端口號(hào)。3F 00代表模塊的地址，每個(gè)路燈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的無線自組網(wǎng)模塊都有單獨(dú)的地址，通過選擇地址可以選擇需要監(jiān)測的路燈。AB代表具體的數(shù)據(jù)，長度不定。FF為包尾，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸完成。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

5 測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中主要進(jìn)行自組網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的收包率及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的測試，基于CC2530模塊本身存在傳輸距離的限制，并且當(dāng)遇到障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的問題，因此進(jìn)行收包率的測試對(duì)在實(shí)際戶外路燈系統(tǒng)有極大的參考意義。

實(shí)驗(yàn)中暫時(shí)選用傳輸距離為45 m的DL-LN32系列進(jìn)行丟包率測試來節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，丟包率測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

因此，可總結(jié)為在以上實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，以最大傳輸距離45 m為基準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)距離在25 m以下收包率良好，不會(huì)存在數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)距離25 m以上會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失，節(jié)點(diǎn)距離增大和有障礙物遮擋都會(huì)造成丟包率的增加。丟包率的測試實(shí)驗(yàn)可表明CC2530無線自組網(wǎng)模塊的傳輸穩(wěn)定性高，距離和障礙物都會(huì)影響傳輸效率但影響并不大，在干擾不是特別嚴(yán)重的情況下可以保證很高的傳輸效率。

6 結(jié)論

本文介紹的以HMI人機(jī)界面為移動(dòng)控制終端，以CC2530模塊作為無線傳輸?shù)奶柲苈窡舯O(jiān)測系統(tǒng)，可以大大的改善目前太陽能路燈系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)測和調(diào)控上的不足，也可以降低采用人力進(jìn)行定期檢查和維修的成本。本文進(jìn)行了大量的無線傳輸過程實(shí)驗(yàn)來檢測傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失概率。測試結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)延時(shí)較短，丟包概率低，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)而且穩(wěn)定的控制，提高了實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。此外，本文采用的無線自組網(wǎng)絡(luò)可移植性強(qiáng)，在智能家居，在線水質(zhì)和土壤監(jiān)測等領(lǐng)域也可有廣泛的應(yīng)用[8]。

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