基于ZigBee的光伏照明控制系统设计

摘要：设计一种基于ZigBee无线网络的光伏照明控制系统，给出系统的网络拓扑结构和节点的硬件设计方案，以及软件结构设计。该系统采用CC2430实现无线数据传输，采用CC2591功率放大器提高发射功率，传输距离远，可靠性高，有效地克服了传统照明控制方式落后和布线复杂等缺点。
关键词：光伏照明；ZigBee；CC2430

引言
光伏发电作为利用太阳能的主要方式，已经得到广泛的应用。光伏照明是一种独立的光伏发电系统，主要用于城市和建筑物照明系统的建设和改造。目前，照明控制系统中多采用有线网络方式，维护起来比较复杂，如何简化施工、降低成本并实现远距离控制是一个值得探讨的问题。本文介绍了一种利用ZigBee无线传感器网络技术实现光伏照明系统远程监控的方案，并给出了详细的软硬件设计。

1 光伏照明控制系统组成及工作原理
光伏照明控制系统由光伏发电系统、无线通信系统和监控计算机3个部分组成。
光伏发电系统由建筑顶部的太阳能电池板、铅酸蓄电池组和光伏充电机构成。太阳能电池是照明系统的输入电源，为照明系统提供照明和控制所需电能。白天，在光照充足的条件下将所接收的光能转换为电能，经光伏充电机对蓄电池组充电；夜晚，蓄电池组将储存的电能经光伏充电机切换输出到路灯负载。当光伏充电机对蓄电池组进行充电时，为延长蓄电池寿命，必须避免蓄电池处于过充电或者过放电的状态。因此，需要对光伏充电机充电电流、电压和发电量等数据进行实时监控和保存，还要求能对路灯进行独立的开关控制。
由于本系统中太阳能电池板位于图书馆顶部，监控计算机处于相隔200 m的另外一个建筑物中，中间相隔了水池，如果采用有线通信方式则需要重新进行布线，施工复杂且成本较高，因此，采用无线通信网络。无线通信方式不仅简单灵活，无需考虑布线问题，还可以通过和其他总线通信方式的结合，实现远距离数据传输和路灯控制。采用ZigBee无线传感器网络技术可实现对充电机状态数据的传输；同时，监控计算机可以通过无线网络控制路灯的开关状态，实现了对充电机状态的实时监控和灯光控制效果。控制范围在300 m以内，如果增加路由器，还可扩展到更远的范围。
ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，非常适合于低功耗和低数据量的短距离无线传输。ZigBee的低功耗特点限制了节点之间的通信距离(一般为70 m)。本系统中，节点之间的距离超过了其正常通信距离。有2种解决办法：一种是通过增
加路由器节点来扩大覆盖范围，缺点是增加硬件成本；另一种是利用PA(Power Amplification，功率放大)提高发射功率，该方法较为简单且成本较低。本设计中采用后者来扩大网络覆盖范围。
ZigBee设备可分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD可以与RFD或者FFD通信，而RFD只能和FFD通信；FFD可作为网络协调器、路由器或终端设备，RFD只能作为终端设备。本系统中网络协调器和监控计算机通过RS485总线相连，负责建立、管理和维护网络，控制其他节点接收数据等功能。路由器通过RS485总线和光伏充电机相连，实现对其数据的采集和控制，终端节点接收监控计算机的命令控制路灯电源的开关。ZigBee网络拓扑结构支持星形(Star)、树形(Clustetree)和网状(Mesh)。为简化设计，无线网络采用树形网络拓扑，系统组成如图1所示。

监控计算机负责光伏数据采集和系统管理，通过RS485总线和安装在户外的网络协调器进行通信。光伏充电机数据通过RS485总线传送到路由器节点，再由协调器转发到监控计算机。路由器还起到延长ZigBee网络传输距离的作用。监控计算机通过网络协调器发送命令给路由器，实现对充电机电源开关的切换控制。路灯供电线缆通电后，终端节点加入ZigBee网络。网络协调器对终端节点进行检查，并将节点状态传输给监控计算机。监控计算机通过网络协调器发送命令给各个终端节点，控制各个节点路灯电源开关导通或者断开，从而实现路灯的单独或者分段照明控制。当需要实现景观灯效果时，可通过监控软件设计向各个终端节点发送相应的控制命令。

2 硬件节点设计
考虑到无线通信系统中各个节点的功能不完全相同，为了方便硬件设计和降低成本，对硬件部分进行了模块化处理。节点的核心部分为ZigBee通信模块，设计成只负责RF收发，其他部分由路灯开关模块、电源和RS485通信模块等构成。无线通信模块采用支持ZigBee协议的超
低功耗SoC芯片CC2430。该芯片集成ZigBee射频RF前端、内存和微控制器，具有8位增强型8051 MCU、128KB可编程闪存和8 KB的RAM，另外还包含A／D转换器、定时器、AESl28协处理器、看门狗定时器、休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I／O引脚。TI公司提供免费的ZigBee协议栈，可以方便地完成系统的硬件和软件设计。
2．1 ZigBee通信模块硬件设计
图2为ZigBee通信模块原理图。经过现场试验发现，由于网络协调器和其他节点之间距离较远，只采用CC2430时网络数据传输不稳定。为延长无线通信模块的通信距离，又采用了TI公司的高性能射频前端CC2591。CC2591可提供22 dBm的输出功率，能够与CC2430无缝连接，射频输入／输出之间不需要增加额外的匹配网络。简单起见，图中没有给出电源和退耦电路、GPIO、JTAG等部分，空余引脚通过排座引出以便与其他模块连接。