基于无线传感网络的太阳能LED路灯状态传感器节点的设计

 随着太阳能LED路灯在城市照明系统中的广泛应用，如何节约能源、提高路灯能源的利用率己成为急需解决的问题。太阳能LED路灯涉及到光伏电池、LED灯头、蓄电池和路灯控制系统，能否最大效率地利用太阳能和延长LED灯头的使用寿命，是目前迫切需要解决的问题。ZigBee技术以其功耗低、通信可靠、网络容量大等特点为路灯自动控制领域提供了较合适的解决方案[1-3]。

本文研究了ZigBee技术及JN5139混合信号微控制器，从无线传感器网络的基本单位出发，采用照度传感器、温度传感器、直流电压传感器和电流传感器分别采集光伏电池电流电压、蓄电池电流电压、LED灯头温度和照度等数据，设计了基于JN5139模块的具有全功能设备（FFD）的灵活多变、性能优越的太阳能LED路灯状态传感器节点，为组建高性能的无线传感器网络做了基础性的工作。将ZigBee技术结合传感器技术组成网络，解决其他控制方法中存在的问题：选择亮度传感器实时采集LED灯头照度，降低了特殊环境、特殊时间误开误关的几率，摆脱了人工干预。

1 太阳能LED路灯状态传感器节点的结构

传感器节点基本结构如图1所示，主要包括传感器、信号调理电路、A/D转换器、微处理器、射频通信模块、定位模块和电源模块等。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供所需的能量。

2 传感器节点的功能

一般的ZigBee网络由3种节点组成：协调器、路由器和终端设备。协调器是网络的中心节点，负责网络的组织和维护；路由器负责网络内数据帧的路由；而终端设备则是实现具体功能的单元。本节点设计为全功能节点（FFD）设备，起到路由的作用，同时负责本地太阳能LED路灯状态等参数的数据采集，可实现如下功能：

(1)传感器节点能定时向监测分中心发送太阳能LED路灯状态测量数据；
(2)传感器节点能响应监测分中心的要求，实时采集太阳能LED路灯状态数据；
(3)当传感器节点检测到数据超过阈值或者自身能量较低时，发送报警消息；
(4)能按照时间自动存贮太阳能LED路灯状态数据，同时可以查询某一时刻的太阳能LED路灯状态数据；
(5)微型化、低功耗、低成本，具有高可靠性、稳定性和安全性。

3 传感器节点的硬件设计

传感器节点是由全功能设备（FFD）构成，其结构框图如图1所示。


3.1 微处理器模块

作为ZigBee网络中的节点，低功耗设计尤为重要。经过详细的器件功耗比较之后，选取JN5139混合信号微控制器作为处理器模块的核心。JN5139是集成了uFl天线的高功率模块，可以在最短的时间内在最低的成本下实现IEEE802.15.4或ZigBee兼容系统。该表贴模块利用Jennic的JN5139无线微控制器来提供完整的射频和RF器件的解决方案。模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件。模块特性:集成uFl天线插槽；兼容2.4 GHz、IEEE802.15.4和ZigBee协议；2.7 V～3.6 V操作电压；睡眠电流(包括睡眠定时器处于活动状态)2.8 μA；接收灵敏度-100 dBm。MCU特性：16 MHz 32 bit RISC CPU；96 KB RAM, 192 KB ROM；4个输入端口，12 bit ADC，2个11 bit DAC，2个比较器，2个应用级定时器/计数器，2个串口(一个用于系统在线调试)，1个SPI接口，支持5个片选。能够组建健壮的、安全的低功耗无线网络应用。

3.2 传感器及调理电路模块

蓄电池电流和电压检测电路的设计原理图如图2所示。电流检测电路由霍尔电流传感器TBC10SY和取样电阻、电平调整电路、跟随器电路、滤波电路等组成；电压检测电路由取样电路、跟随器电路、滤波电路等组成。需要注意的是电流检测电路中充电电流和放电电流方向相反，需要通过电压提升电路将负电压值转换为正值，并在程序中予以处理。

光伏电池电流和电压检测电路的设计原理图如图3所示[4]。将串入光伏电池供电电路的精密小电阻上的信号作为电流检测信号，采用集成运放ICL7650制作差分放大电路，这样可以最大限度地减少对被测电路的影响。将并入光伏电池的大电阻分压器上获取小信号作为电压信号，同样采用集成运放ICL7650制作差分放大电路。为了消除干扰，采用两个等值电阻分别接于放大器的两个输入端和地之间，同时在放大器输出端增加滤波电路，经过滤波后的电流和电压信号输出到控制器JN5139的A/D转换接口。

LED灯头照度检测电路如图4所示。照度检测采用On9658集成传感器，传感器获取的信号经过放大器放大和滤波后输出到控制器JN5139的A/D转换接口。

LED灯头温度检测电路如图5所示。蓄电池温度采用SHT11集成温度传感器。