CN102291872A - 基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统 - Google Patents

基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统 Download PDF

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连永圣
林培杰
章杰
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    • Y02B20/72Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps in street lighting

Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:包括组成ZigBee无线网络且设有控制器的复数个太阳能路灯以及与互联网连接的远程监控中心;所述的复数个太阳能路灯中的一个设置有第一GPRS通信模块;所述的远程监控中心设置有第二GPRS通信模块。本发明通过对系统各个部分及其功能模块的合理设计,提供了一套网络智能化的太阳能路灯照明方案,实现将一整片区域(城镇,校园,街道,公园,广场等)安装上带有所述新型控制器的太阳能路灯,并对它们进行无线联网监控和集中便捷管理。

Description

基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统。 背景技术
[0002] 随着世界能源危机的加剧,各国都在寻求解决能源危机的办法,一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用;另一条是寻求新的节能技术,降低能源的消耗,提高能源的利用效率。太阳能路灯正是以太阳能作为能源而且使用环保节能LED灯的照明系统,因其具有不受市电影响,不用开沟埋线,不消耗常规电能,只要阳光充足就可以就地安装等特点, 而日益受到各国的重视。又因其不污染环境,而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇、广场、学校、公园、街道、草坪的照明,又可用于人口分布密度较小,交通不便经济不发达、缺乏常规燃料,难以用常规能源发电,但太阳能资源丰富的地区,以解决这些地区的照明问题。
[0003] 但是,目前市场上的大多数太阳能路灯都是一盏盏孤立的路灯,存在可靠性不高, 利用率不高,性价比不高,损坏或出现故障未能及时报修,难以大范围推广应用的现状。其原因在于它们装有的太阳能路灯控制器是单机独立工作的单元,只是简单通过监测太阳能板电压控制路灯的打开和关闭,在充电控制方面大多采用直充方式。这种独立工作的控制器一方面未能有效对太阳能板实现最大功率点跟踪(MPPT),未能充分利用太阳能;另一方面未能实现对太阳能路灯的工作状态进行远程实时监控和集中灵活管理,无法真正满足城市太阳能路灯的智能化控制要求。
[0004] 尽管有一些文献和专利针对太阳能路灯监控问题开展了相关研究工作,它们大多是将每个太阳能路灯控制器都连接一个GSM通信模块或一个GPRS通信模块,这种方式虽然能够实现路灯的远程监控,但是增加了每一盏路灯的成本,当整个区域都安装这样的路灯时,一次性投入成本很高,而且监控效率不高。至今对于ZigBee无线网络技术在太阳能路灯监控方面的研究还很少,没有一种很完善的太阳能路灯联网监控系统,特别是仍然没有一种完善的太阳能路灯控制器同时具备以下功能:1.有效实现太阳能板最大功率点跟踪 (MPPT),提高太阳能板对蓄电池的充电效率。2.合理控制蓄电池充放电,避免由于过充或过放损坏蓄电池。3.为太阳能板、蓄电池和路灯提供保护电路,防止反充电损坏太阳能板和控制器中的处理电路。4.对路灯负载电路进行优化设计,采取具体的节能措施。5.嵌入 ZigBee无线联网通信功能,控制太阳能路灯自主组建监控网络。
[0005] ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络通讯技术。它具有网络容量大,网络自组织,自愈能力强,可靠性性高等特点,非常适用于民用监控领域和工业自动化控制领域的无线网络系统,包括路灯监控、环境监测、智能家居、仓库管理、交通控制、远程医疗等。ZigBee是一组基于IEEE 802. 15. 4标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准,并致力于解决低速率、低功耗的无线通信问题。ZigBee协议栈包括IEEE802. 15. 4 (该标准定义了 RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC 层,以及ZigBee堆栈层:网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。针对具体的应用系统,ZigBee的网络层和应用层的某些功能可以根据需要被更改或增加,网络的拓扑结构也可以灵活配置,它的应用范围越来越广泛。
[0006] 太阳能路灯技术领域目前遇到的问题是:如何设计一个新型太阳能路灯控制器, 将无线联网通信功能直接嵌入其中,使太阳能路灯既能提高充放电效率,又能自主组建监控网络接受远程监控,实现太阳能路灯的智能化管理。
发明内容
[0007] 针对太阳能路灯领域现有技术的缺陷,本发明的目的是:设计一种基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,主要包括设计一种新型ZigBee太阳能路灯控制器。该控制器不但能够有效控制太阳能路灯的日常工作和实现太阳能板最大输出功率点的跟踪, 而且装有该控制器的太阳能路灯能够自主组建无线监控网络,实现对一整片区域(城镇,校园,街道,公园,广场等)提供太阳能路灯照明,并进行无线联网监控和集中便捷管理,真正满足城市太阳能路灯的智能化控制要求。
[0008] 本发明的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:包括组成ZigBee无线网络且设有控制器的复数个太阳能路灯以及与互联网连接的远程监控中心;所述的复数个太阳能路灯中的一个设置有第一 GPRS通信模块;所述的远程监控中心设置有第二 GPRS通信模块。
[0009] 本发明一实施例中,所述的控制器包括核心处理单元以及与该核心处理单元连接的蓄电池充电控制模块、数据采集模块、LED灯驱动控制模块、ZigBee无线通信模块和电源管理模块;该控制器的各模块都间接由太阳能板供电,且该控制器集合了 MPPT技术和 ZigBee无线网络技术。
[0010] 本发明一实施例中,所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的控制器将无线联网通信功能直接嵌入其中,能充当ZigBee无线网络的一个节点控制太阳能路灯组建无线监控网络。
[0011] 本发明一实施例中,所述的蓄电池充电控制模块和LED灯驱动控制模块均采用 BUCK电路,通过PWM波控制蓄电池充电功率和LED灯功率,蓄电池充电采用三段式充电模式,该充电模式包括MPPT充电、恒压充电或涓流充电;所述的数据采集模块中,电压采集采用电阻分压法,电流采集部分由一个精确小电阻和MAX4080组成。
[0012] 本发明一实施例中,所述的核心处理单元硬件上使用的MCU采用CC2430,软件上将MPPT控制算法嵌入到ZigBee协议栈的应用层中,通过分时段控制太阳能板最大输出功率点的跟踪和无线网络中的数据通信。
[0013] 本发明一实施例中,所述嵌入到ZigBee协议栈中的MPPT控制算法采用扰动观察法,CCM30通过调节PWM波的占空比实现对太阳能板最大输出功率点的跟踪。
[0014] 本发明一实施例中,组成ZigBee无线网络的方式为:将其中一盏太阳能路灯的控制器配置成ZigBee协调器,负责该片区域监控网络的建立和维持,以及承担ZigBee网络与监控中心之间的数据传输任务;其他所有太阳能路灯根据地形和路灯分布情况配置成路由器或者终端设备,它们将所有的路灯状态信息发送至ZigBee协调器,由协调器转发至远程监控中心。
[0015] 本发明一实施例中,所述的ZigBee无线网络中的每一个节点都有唯一的物理地址和每一盏太阳能路灯的路灯编号一一对应;所述的物理地址和路灯编号被加入到网络传送的每个数据包中,用于对太阳能路灯的定位和识别。
[0016] 本发明一实施例中,所述的远程监控中心利用Microsoft Visual C++ 6. 0设计了一个可视化的管理软件,该管理软件包括监测部分、控制部分和存储数据库,任何连接 Internet的远程PC机只要安装此软件,都可以充当远程监控中心。
[0017] 本发明一实施例中,由复数个太阳能路灯组成的ZigBee无线网络与远程监控中心之间的数据通信是通过ZigBee网络、hternet和GPRS网络之间的相互协调来实现的; 采用基于TCP/IP协议的客户端/服务器模式作为通信模式,远程监控中心充当服务器, ZigBee协调器充当客户端;远程监控中心能监测和分析收到的各太阳能路灯的状态信息并进行定时存储,也能通过向远方发送控制命令控制任意一盏或者所有太阳能路灯的工作状态。
[0018] 本发明的基于ZigBee太阳能路灯控制器同时具备以下功能:1.有效实现太阳能板最大功率点跟踪(MPPT),提高太阳能板对蓄电池的充电效率。2.合理控制蓄电池的充放电,避免由于过充或过放损坏蓄电池。3.为太阳能板、蓄电池和路灯提供保护电路,防止反充电损坏太阳能板和控制器中的处理电路。4.对路灯负载电路进行优化设计,采取功率控制方法实现了节能。5.控制器中嵌入了 ZigBee无线联网通信功能,控制太阳能路灯自主组建监控网络和之间的数据通信。本发明通过对系统各个部分及其功能模块的合理设计,提供了一种基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统。可以将一整片区域(城镇,校园,街道,公园,广场等)安装上带有新型ZigBee太阳能路灯控制器的太阳能路灯,实现对所有太阳能路灯进行无线联网监控和集中便捷管理,真正满足了城市太阳能路灯的智能化控制要求。
附图说明 [0019] 图1 为本发明基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统的系统结构图。[0020] 图2 为ZigBee网络节点(包括协调器、路由器、终端设备)的原理框图。[0021] 图3 为系统中监控中心的配置连接图及其管理软件模型图。[0022] 图4 为本发明中新型ZigBee太阳能路灯控制器的结构图。[0023] 图5 为控制器中核心处理单元CCM30与外围电路的连接原理图。[0024] 图6 为新型控制器中蓄电池充电控制原理图。[0025] 图7 为新型控制器中LED灯驱动控制原理图。[0026] 图8 协调器中CCM30的软件流程图。[0027] 图9 路由器和终端设备中CCM30的软件流程图。[0028] 具体实施方式
以下结合附图,说明本发明的具体实施方式,把整个系统分为两个部分进行说明:(1) 系统通信网络的构建和数据通信的实现;(2) ZigBee太阳能路灯控制器的设计与实施。 [0029] 本发明提供一种基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,如图1所示, 该系统包括至少一个ZigBee太阳能路灯控制器(将无线联网通信功能嵌入其中)、至少一盏装有所述控制器的太阳能路灯、所有太阳能路灯(可以成千上万盏)组成的ZigBee无线网络、负责远程通信的hternet和GPRS网络以及远程监控中心(可视化管理软件)。该新型ZigBee太阳能路灯控制器负责控制太阳能路灯的日常工作,收集太阳能路灯的工作状态参数并发送给远方的监控中心。远程监控中心可以监测和分析收到的路灯状态信息并进行定时存储,也可以通过向远方发送控制命令控制任意一盏或者所有太阳能路灯的工作状态。
[0030] (1)系统通信网络的构建和数据通信的实现
整个系统的通信是通过协调ZigBee无线网络、GPRS网络、hternet之间的通信实现的。
[0031] 基于本发明设计的一种新型ZigBee太阳能路灯控制器(将无线联网通信功能嵌入其中),当带有该控制器的太阳能路灯(可以成千上万盏)分布安装在一片区域(城镇,校园,街道,公园,广场等)时,所有太阳能路灯自主组建形成一个树状或网状的ZigBee无线网络。如图2所示,其中有一盏太阳能路灯带有的控制器配置为协调器,负责网络的建立、维持和管理,该ZigBee协调器通过串口连接一个GPRS模块1。其他太阳能路灯带有的控制器根据地形和路灯分布情况配置为路由器或者终端设备,它们可以通过信道扫描加入由协调器建立的网络。ZigBee无线网络中的所有路灯节点之间可以互相通信和进行数据转发。
[0032] 本实施例中,ZigBee网络节点硬件上我们采用提供市场最有竞争力ZigBee解决方案的CCM30,软件上根据具体需要在ZigBee协议栈(Z-Stack)的基础上修改和增加网络层和应用层中的某些功能。在网络层中配置=ZigBee路灯网络的拓扑结构(树状网络或者网状网络)、路灯节点个数、路由深度(根据路灯分布情况)、协调器挂接的路由器和终端设备个数、各级路由器挂接的终端设备个数。在应用层中管理节点之间的数据通信,包括太阳能路灯状态信息的收集和数据打包,单盏太阳能路灯日常工作的控制流程也在应用层中完成。
[0033] ZigBee无线网络与远程监控中心之间的通信通过GPRS网络和hternet实现。具体的如图2和图3,ZigBee无线网络中的协调器连接一个GPRS模块1 ;充当远程监控中心的PC机连接到Internet,另外通过串口连接一个GPRS模块2。这样配置为了使监控中心具有灵活移动性,当监控中心被移动时(其IP和端口号通过GPRS模块2发送给远方的GPRS 模块1,告知ZigBee协调器)。所以任何一台连有hternet网络的PC机都可以充当远程监控中心,路灯用户或者管理人员随便找一台能上网的电脑,就能查看或控制区域中太阳能路灯的工作状态和运行状况。
[0034] 网络连接和通信建立采用基于TCP/IP协议的客户端/服务器模式作为通信模式, 远程监控中心充当服务器,ZigBee协调器充当客户端。第一次建立连接时,由远程监控中心 (服务器)的管理软件建立一个套接字,并通过GPRS模块2将当前的IP和端口号以短信息 (SMS)发送给GPRS模块1,告知ZigBee协调器,然后监听客户端的连接。ZigBee协调器控制GPRS模块1根据收到的IP和端口号通过GPRS网络和hternet连接到监控中心主机。 至此,ZigBee无线网络与远程监控中心之间的网络通信信道已经被建立,之后由ZigBee协调器和监控中心的管理软件协调工作维护管理信道中的数据传输。
[0035] (2)新型ZigBee太阳能路灯控制器
本发明整个系统的核心在于一种ZigBee太阳能路灯控制器(将无线联网通信功能嵌入其中)的设计。该控制器负责控制太阳能路灯的日常工作,包括控制蓄电池的充放电、太阳能板的MPPT、LED灯的驱动。还负责收集太阳能路灯的工作状态参数并发送给远方的监控中心,以及接受并执行控制命令。[0036] 系统中的太阳能路灯(至少一盏)由所发明的新型ZigBee太阳能路灯控制器和太阳能板(开路电压20V到40V)、蓄电池(一般为12V铅酸蓄电池)、LED灯具组成。该太阳能路灯既能独立正常工作,也能自主加入ZigBee无线网络接受监控。
[0037] 如图4所示,该新型ZigBee太阳能路灯控制器由核心处理单元、蓄电池充电控制模块、数据采集模块、LED灯驱动控制模块、ZigBee无线通信模块和电源管理模块组成,所有模块都通过电源管理模块间接由太阳能板供电。
[0038] 核心处理单元:只使用一个MCU (CC2430),同时控制太阳能路灯控制器的各个模块和ZigBee无线通信模块。如图5所示,由CCM30的2个内部时钟(T3和T4)产生2路频率为20kHz的PWM波分别驱动控制蓄电池充电控制模块和LED灯驱动控制模块中的M0SFET。 4个内部ADC通道用来对数据采集模块的输出信号进行AD转换。CCM30的软件设计是在 ZigBee协议栈(Z-Stack)基础上修改和增加网络层和应用层中的某些功能,特别是将MPPT 控制算法嵌入到ZigBee协议栈的应用层中,MCU大部分时间用来控制太阳能板最大输出功率点的跟踪,无线网络中的数据通信采用中断方式或扫描方式触发。
[0039] 蓄电池充电控制模块:蓄电池充电采用三段式充电模式(MPPT充电、恒压充电、涓流充电),如图6所示,硬件上主要由一个BUCK电路和PWM波驱动电路(IR2104)组成。由 CC2430产生的PWM波经过顶2104驱动之后控制BUCK电路,通过实时调节PWM波的占空比实现太阳能板最大功率点的跟踪。软件上采用扰动观察法实现MPPT,即扰动PWM波的占空比,实时采集太阳能板的输出电压和电流,计算输出功率。按照输出功率增大的方向继续扰动PWM波的占空比(PWM++或PWM—),最后实现最大功率点的跟踪。
[0040] 数据采集模块:包括太阳能板输出电压、输出电流,蓄电池电压,LED灯电流的实时采集。电压采集采用电阻分压法,电流采集部分由一个精确小电阻和MAX4080组成。
[0041] LED灯驱动控制模块:如图7所示,硬件上主要由另外一个BUCK电路和PWM波驱动电路(IR2104)组成。根据实时采集的负载电流值和蓄电池电压值,通过调节PWM波的占空比对LED灯进行恒流控制,也可以根据天气情况和蓄电池电量调节LED灯的亮度,达到节能效果。
[0042] ZigBee无线通信模块:硬件上采用提供市场最有竞争力ZigBee解决方案的 CC2430,根据其数据手册设计外围电路,特别是天线电路的设计,在实际应用中,天线可以通过一根长导线引到灯杆的合适位置。需要指出的是,本发明中CCM30既负责控制网络节点的无线通信,也负责控制太阳能路灯的蓄电池充放电。
[0043] 电源管理模块:由于单盏太阳能路灯中一般使用12V铅酸蓄电池,所以需要设计一个电源管理模块为控制器中的核心处理单元提供3. 3V电压,为数据采集模块提供5V电压。蓄电池充电控制模块和LED灯驱动控制模块中的PWM波驱动电路(IR2104)可以由12V 铅酸蓄电池支持供电。
[0044] 另外,在蓄电池与前端处理电路之间加一个MBR20100防止蓄电池反充损坏太阳能板和控制器中的处理电路。
[0045] 配置为ZigBee协调器的太阳能路灯控制器中的软件控制流程图如图8所示,配置为路由器和终端设备的太阳能路灯控制器中的控制流程类似,流程图如图9所示。它们的核心处理单元CCM30的软件设计都是在ZigBee协议栈(Z-Stack)基础上修改和增加网络层和应用层中的某些功能,特别是将MPPT控制算法嵌入到ZigBee协议栈的应用层中,MCU大部分时间用来控制太阳能板最大输出功率点的跟踪以及蓄电池的充放电控制,采用中断方式或扫描方式触发无线网络中的数据通信。
[0046] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1. 一种基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:包括组成 ZigBee无线网络且设有控制器的复数个太阳能路灯以及与互联网连接的远程监控中心; 所述的复数个太阳能路灯中的一个设置有第一 GPRS通信模块;所述的远程监控中心设置有第二 GPRS通信模块。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的控制器包括核心处理单元以及与该核心处理单元连接的蓄电池充电控制模块、 数据采集模块、LED灯驱动控制模块、ZigBee无线通信模块和电源管理模块;该控制器的各模块都间接由太阳能板供电,且该控制器集合了 MPPT技术和ZigBee无线网络技术。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的控制器将无线联网通信功能直接嵌入其中,能充当ZigBee无线网络的一个节点控制太阳能路灯组建无线监控网络。
4.根据权利要求2所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的蓄电池充电控制模块和LED灯驱动控制模块均采用BUCK电路,通过PWM波控制蓄电池充电功率和LED灯功率,蓄电池充电采用三段式充电模式,该充电模式包括MPPT 充电、恒压充电或涓流充电;所述的数据采集模块中,电压采集采用电阻分压法,电流采集部分由一个精确小电阻和MAX4080组成。
5.根据权利要求2所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的核心处理单元硬件上使用的MCU采用CC2430,软件上将MPPT控制算法嵌入到 ZigBee协议栈的应用层中,通过分时段控制太阳能板最大输出功率点的跟踪和无线网络中的数据通信。
6.根据权利要求5所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述嵌入到ZigBee协议栈中的MPPT控制算法采用扰动观察法,CC2430通过调节PWM 波的占空比实现对太阳能板最大输出功率点的跟踪。
7.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:组成ZigBee无线网络的方式为:将其中一盏太阳能路灯的控制器配置成ZigBee协调器,负责该片区域监控网络的建立和维持,以及承担ZigBee网络与监控中心之间的数据传输任务;其他所有太阳能路灯根据地形和路灯分布情况配置成路由器或者终端设备,它们将所有的路灯状态信息发送至ZigBee协调器,由协调器转发至远程监控中心。
8.根据权利要求7所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的ZigBee无线网络中的每一个节点都有唯一的物理地址和每一盏太阳能路灯的路灯编号一一对应;所述的物理地址和路灯编号被加入到网络传送的每个数据包中,用于对太阳能路灯的定位和识别。
9.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:所述的远程监控中心利用Microsoft Visual C++ 6. 0设计了一个可视化的管理软件,该管理软件包括监测部分、控制部分和存储数据库,任何连接hternet的远程PC机只要安装此软件,都可以充当远程监控中心。
10.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线网络的太阳能路灯联网监控系统,其特征在于:由复数个太阳能路灯组成的ZigBee无线网络与远程监控中心之间的数据通信是通过ZigBee网络、Internet和GPRS网络之间的相互协调来实现的;采用基于TCP/IP协议的客户端/服务器模式作为通信模式,远程监控中心充当服务器,ZigBee协调器充当客户端; 远程监控中心能监测和分析收到的各太阳能路灯的状态信息并进行定时存储,也能通过向远方发送控制命令控制任意一盏或者所有太阳能路灯的工作状态。
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