CN102478198A - 一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯(1)，主要由三色LED景观灯(3)、集成8051单片机(4)和RF模块(8)的CC2430芯片、太阳能电池组件(5)、太阳能控制器(6)和Li离子电池(7)构成，8051单片机(4)能控制和保护充电电路，将采集的状态信息通过RF模块(8)发送给中心控制器(2)。采用CC2430芯片设计中心控制器(2)，内置8051单片机(13)接收来自上位机的系统指令，并通过RF模块(12)传递给太阳能景观灯(1)。采用C++设计一个可视化操作的软件平台，用于设置、查看、控制太阳能景观灯(1)的工作状态。景观灯可以广泛应用于城市广场、交通桥梁等设施的亮化，具有智能化程度高、可控性强、维修方便和节能环保等优点。

Description

一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯

技术领域

本发明涉及一种太阳能景观灯，尤其是一种带无线传感器网络节点的太阳能景观灯。

背景技术

随着我国经济的飞速发展和人们生活水平的逐步提高，城市建设的进程也日新月异，类似于城市广场、景观塔楼、高层办公楼、交通立交桥、跨河跨海高桥等公共设施也越来越多。同时，人们对这些设施的亮化也有了更多的追求，期望在这些公共设施上安装色彩斑斓的景观灯，让夜色下的公共设施更加光彩夺目而又富有生动的艺术变幻效果。但是，现有的景观灯大多采用市电供电，不仅在使用过程中消耗了大量的电能，而且由于景观灯的数量众多，安装时需要大量布线，一旦某几个灯出现故障，检测维修相当困难，往往因为得不到及时处理使得景观灯不但没有美化城市，反而起到了“丑化”的效果。

太阳能被喻为是取之不尽、用之不竭的清洁能源，目前在新能源领域被广泛应用。随着太阳能光伏发电技术的发展，采用太阳能电池供电的景观灯也将逐渐得到推广。

无线传感器网络技术是近年来发展最快的信息技术之一，被广泛应用于不宜布线和布线成本较高的场所。本发明采用的太阳能景观灯不需要铺设电缆，如果要对整个景观灯系统进行实时控制，采用无线传感器网络进行监测和控制是一种有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自组网功能的信息化太阳能景观灯，能够解决太阳能景观灯难以集中控制的问题，并实现不同的整体艺术效果(例如：流水型、礼花型、静态型等)，还可以对状态错误的景观灯可以进行及时修正，同时显示出现故障的景观灯状态。

本发明一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于由多个带无线传感器网络节点的太阳能景观灯和中心控制器组成，太阳能景观灯和中心控制器之间通过RF模块进行通讯；所述太阳能景观灯由三色LED景观灯、8051单片机的RF模块、JTAG下载器接口、太阳能电池组件、太阳能控制器和Li离子电池组成；所述8051单片机与太阳能控制器相连，太阳能控制器与太阳能电池组件和Li离子电池相连；8051单片机与RF模块集成于芯片CC2430，与LED景观灯和JTAG下载器接口相连；所述中心控制器由8051单片机、RF模块、RS232模块、电源模块和JTAG下载模块组成，所述8051单片机与RF模块集成于芯片CC2430，与RS232模块、电源模块和JTAG下载接口相连。

本发明一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯，太阳能景观灯为圆柱形地埋式或悬挂式。圆柱形地埋式景观灯的太阳能电池组件呈圆环形朝上，LED可以分布在中心或四周，圆心处有一个光敏电阻感应光强。悬挂式景观灯的LED分布在灯体的侧面，可以排列成直线型或艺术花型，太阳能电池组件在顶层倾斜放置，可在平面内360度旋转，确保在何朝向的建筑上都保持向南。

本发明一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯，太阳能景观灯的电路采用CC2430芯片设计控制电路和RF电路，采用CE8301C50M芯片设计DC/DC电路，采用CN3052A芯片设计Li离子电池充电电路，采用光耦2501设计LED景观灯控制电路、采用AS1117芯片设计稳压电路；在采用CC2430芯片设计的控制电路中，包括32kHz和32MHz的晶振电路、开关复位电路、JTAG下载电路，其中RF模块采用外置PCB板载天线；在基于CE8301C50M芯片设计的DC/DC电路中，单片机通过使能端EN控制DC/DC电路的开关；基于CN3052A芯片设计的充电电路与DC/DC电路和Li离子电池相连，并采用DS18B20温度传感器监测Li离子电池的温度；通过超低压芯片AD8541设计的电压跟随器监测ISET端的电压；采用分压电路监测Li离子电池的电压，等效监测Li离子电池的电量，LED景观灯采用Li离子电池供电，单片机通过光耦2501隔离对LED景观灯进行控制，实现设定的艺术效果；LED采用高亮度的发光二极管；基于AS1117芯片设计的稳压电路主要为CC2430芯片供电。在太阳能景观灯的控制器采用片上系统CC2430，其8051单片机中装有不同灯效模式下的控制软件。在中心控制器采用片上系统CC2430，其8051单片机中装有当前存储的灯效模式和来自各个太阳能景观灯的状态数据。

本发明一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯，以自动控制技术、光伏发电技术和无线传感器网络技术为基础，以太阳能景观灯为研究对象，解决太阳能景观灯的监测与控制问题。为了达到上述目的，每一盏太阳能景观灯包括三色LED景观灯、8051单片机的RF模块、太阳能电池组件、太阳能控制器和Li离子电池，太阳能控制器能够实现监测太阳能电池板的运行状态、管理Li离子电池的充放电保护，存储监测的太阳能电池组件的数据；所述8051单片机控制三色LED灯，将当前工作状态通过无线方式发送给中心控制器。

所有的太阳能景观灯构成一个景观灯系统，由一个中心控制器和一个软件平台控制。每一盏太阳能景观灯都与中心控制器进行无线通讯，为了确保每一个景观灯正常工作，当其找不到中心控制器时，与之相近的景观灯就充当中继站，将中心控制器的指令、数据通过中继站传递给不能直接通讯的景观灯，景观灯也可通过中继站将状态数据传递给中心控制器。

在中心控制器中设置了一个串口与PC机连接。中心控制器还包含电源模块，无线通讯(RF)模块、JTAG下载器接口和RS232模块。中心控制器在整个太阳能景观灯系统中起到非常重要的桥梁作用，它不仅要传送上位机对各景观灯子系统下达的控制指令，将各景观灯的状态参数上传给PC机，还要实现指令和状态参数的存储。

在PC机软件平台中，首先需要管理员登陆，在正常登陆情况下，可以查看所有太阳能景观灯设置的工作模式，以及在当前模式下各盏景观灯的正确工作状态和实际工作状态，如果出现工作异常，可以通过软件窗口的软按键或选择键进行修正；如果出现故障信息，就需要根据初始设定的景观灯编号，对其进行维修或更换。

太阳能景观灯具有智能化程度高、结构灵活、维修方便、操作简便、节能环保、性能稳定、可控性强、价格低廉和容易推广等优点，将在城市广场、景观塔楼、高层办公楼、交通立交桥、跨河跨海高桥等公共设施上广泛应用。

基于无线传感器网络的太阳能景观灯的工作流程为：首先通过连接到中心控制器的PC机打开软件平台，进行管理员口令登陆，在主窗口查看当前各景观灯的工作状态，可以对工作异常的个别景观灯进行控制，也可以查看有无出现故障的景观灯，及时维修。在软件平台的左窗口，可以选择预先设计好的景观灯艺术风格，例如：在不同的节日设置不同的变幻艺术效果，给人耳目一新的感觉。在软件平台中选择了新的景观灯效果时，点击启动软按键，将新的工作指令送给中心控制器，中心控制器将其存入存储器，同时通过无线通讯模块，将指令发送到各景观灯。如果中心控制器没有接到来自PC机的指令，则在每天固定时间启动关闭景观灯系统，灯景观灯效果模式为存储器中保存的灯效模式，夏季的启停时间分别是晚上7:30和10:30，冬季的启停时间分别是晚上7:00和10:00。景观灯接收到来自中心控制器的指令后，通过MCU控制三色LED灯，同时监测太阳能控制器和Li离子电池的工作状态，在空闲时间每10分钟向中心控制器发送一次数据，报告自己的工作状态。

本发明采用了低功耗、高集成度的芯片CC2430实现各太阳能景观灯自组网通讯，构成了一个无线传感器网络，应用于独立的太阳能景观灯系统，不仅达到了低碳、环保、节能的目的，而且实现对每一盏景观灯进行状态监控。

附图说明

图1圆柱形地埋式景观灯位于中心的景观灯俯视结构示意图；

图2圆柱形地埋式景观灯位于四周的景观灯俯视结构示意图；

图3圆柱形地埋式景观灯截面结构示意图；

图4悬挂式景观灯截面示意图；

图5太阳能景观灯系统拓扑图；

图6中心控制器结构框图；

图7太阳能景观灯结构框图；

图8中心控制器电路图；

图9太阳能景观灯电路图；

图10PC机软件平台界面功能示意图；

图11中心控制器工作流程图；

图12太阳能景观灯工作流程图；

附图中：1-为太阳能景观灯；2-为中心控制器；3-为LED景观灯；4-为太阳能景观灯的微控制器8051；5-为太阳能电池组件；6-为太阳能控制器；7-为Li离子电池；8-为太阳能景观灯的RF模块；9-为JTAG下载器接口；10-为中心控制器的电源模块；11-为中心控制器的JTAG下载器接口；12-为中心控制器的RF模块；13-为中心控制器的微控制器8051；14-为；15-为光敏二极管；16-为悬挂式景观灯的LED

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

圆柱形地埋式太阳能景观灯的中心为光敏电阻，三个空心圆为三色LED景观灯，带网格圆环为太阳能电池组件，这种太阳能景观灯一般采用防水封装，安装在广场的地平面，维修方便。圆柱形地埋式太阳能景观灯的LED也可以位于四周，其特征在于太阳能电池单体面积较大，可以驱动多个LED景观灯，在单个灯体上实现多种艺术效果的组合。圆柱形太阳能景观灯的上层是太阳能电池组件，中间是电路板，包括PCB板载天线，最下层是Li离子电池组，并带有温度传感器。悬挂式太阳能景观灯包括倾斜向南的太阳能电池组件、光敏电阻、电路板、Li离子电池、安装挂架和一组LED景观灯，这种样式的太阳能景观灯主要用于高层建筑外墙、大型桥梁等，安装简便。

太阳能景观灯的系统拓扑结构包括若干个太阳能景观灯、中心控制器和PC机软件。PC机软件采用C++编程实现。PC机与中心控制器之间采用串行通讯，并将当前的艺术灯效模式存储在中心控制器，当中心控制器与PC机断开后，能够继续控制景观灯系统工作。每一盏太阳能景观灯都带有无线传感器网络节点，与中心控制器直接通讯，如果通讯建立失败，会以相近的太阳能景观灯为中继站，继续保持与中心控制器通讯。

中心控制器由8051单片机(13)、RF模块(12)、RS232模块(14)、电源模块(10)和JTAG下载模块(11)组成，所述8051单片机(13)与RF模块(12)集成于芯片CC2430，与RS232模块(14)、电源模块(10)和JTAG下载模块(11)相连。

中心控制器电路采用采用输出电压为+5V、功率大于10W的电源适配器，采用AS1117-3.3V和AS1117-1.8V稳压芯片进行稳压，输出+3.3V和+1.8V电压，给CC2430芯片供电。核心电路是基于CC2430芯片的单片机小系统和RF电路，8051单片机小系统包括两个晶振电路，分别是32kHz和32MHz，还包括复位电路、JTAG下载接口电路。RF电路主要由CC2430芯片外接天线构成，其中R6和R7均为λ/4，天线采用50欧鞭状天线。中心控制器与上位机之间采用串行通讯，主要芯片是MAX232，采用9针串口线与PC机连接。

太阳能景观灯(1)由三色LED景观灯(3)、8051单片机(4)的RF模块(8)、JTAG下载器接口(9)、太阳能电池组件(5)、太阳能控制器(6)和Li离子电池(7)组成；所述8051单片机(4)与太阳能控制器(6)相连，太阳能控制器(6)与太阳能电池组件(5)和Li离子电池(7)相连；8051单片机(4)与RF模块(8)集成于芯片CC2430，与LED景观灯(3)和JTAG下载器接口(9)相连。太阳能景观灯的核心电路采用TI公司的CC2430芯片，该芯片集成了8051单片机和RF通讯模块，单片机用于处理传感器信息，控制太阳能控制器、LED灯和RF收发模块。RF通讯模块主要完成数据的无线通讯，负责接收来自中心控制器的指令，也向中心控制器发送数据。太阳能电池组件多采用平板式结构，但是形状任意，可以是矩形、圆形，甚至根据艺术效果的需要设计成任意形状，一般悬挂在高空的太阳能景观灯的电池组件朝南，而置于地面或地表附近的太阳能景观灯的电池组件向上，接收更多的阳光。控制器可以控制太阳能电池组件给锂离子电池充电，也可以在锂离子电池电量不足的情况下防止过放电，提高电池使用寿命。Li离子电池需要给LED景观灯、太阳能控制器、单片机和RF模块供电。LED景观灯有红、绿、蓝三色，方便搭配组合，形成丰富多彩的艺术效果。下载器接口主要用于下载程序，包括对太阳能景观灯进行系统编号。

太阳能景观灯电路中，首先采用CE8301C50M芯片将太阳能电池板输出电压通过DC/DC电路升至+5V。为Li离子电池充电采用了专用的充电芯片CN3052A，在充电过程中，当电池电量过低时，采用涓流充电，当电压升至3V时，采用恒流充电，当电压升高到4.2V时，采用恒压充电，而电流将逐渐减小，直至充电结束。采用这种充电方式很好保护了Li离子电池，延长了电池的使用寿命。在Li离子电池旁，还安装了温度传感器DS18B20，实时监测Li离子电池的温度，当Li离子电池温度过高时，断开充电电路，进一步保护Li离子电池。单片机通过CE端控制充电电路，在电池电量不足且DC/DC电路工作时，开启充电电路，当电池已经充满或者太阳光消失时，将充电电路断开，防止Li离子电池放电。在太阳能景观灯中，采用AS1117-3.3V和AS1117-1.8V稳压芯片为CC2430芯片供电。8051单片机小系统包括两个晶振电路，分别是32kHz和32MHz，还包括复位电路、JTAG下载接口电路。当太阳能电池组件的输出电压过低(例如夜间)，将DC/DC电路断开，当太阳能电池组件的输出电压大于0.9V时，启动DC/DC电路。在充电电路后级，采用分压电路监测充电电压，反馈端口为Vch，采用超低压运放AD8541设计的电压跟随器，采集CN3052A的ISET端口电压，监测充电电流大小，反馈端口为Ich。光强传感电路采用光敏电阻与6.8k电阻串联，反馈端口为RL，用于测量环境光的照度，控制DC/DC电路和充电电路。太阳能景观灯的RF模块同样采用CC2430芯片，天线采用PCB板载天线。红、绿、蓝三色LED景观灯采用高亮度的发光二极管，一般会根据实际安装场所需要的照度来具体确定，LED灯的控制采用8051单片机，通过光耦2501隔离。

PC机软件平台界面功能示意图主要由灯效模式选择区、状态区和系统控制区三部分构成。其中灯效模式选择区由多个软按键构成，每个软按键对应一种艺术灯效，在每个太阳能景观灯中，预置了实现多种艺术效果的子程序。主窗口为太阳能景观灯的灯效状态区，显示全部太阳能景观灯的电量，设置的亮灯状态，实际运行状态等，也可以通过单选框改变当前的运行状态。系统控制区是在选择好灯效模式后，启动整个系统工作，或者在不需要系统工作时，关闭整个太阳能景观灯系统。

中心控制器的工作流程为：当启动后，首先查询上位机发送的控制指令，并将指令存储在存储器中，然后通过CC2430发送到太阳能景观灯，然后向各太阳能景观灯发送请求信息，要求上传当前的运行状态数据，并通过RF接收，存储在存储器中，如果中心控制器没有接收到来自上位机的指令，则判断时间有没有到预先设置的时间，如果到达系统设定的启动时间，例如夏季的启停时间分别是晚上7:30和10:30，冬季的启停时间分别是晚上7:00和10:00，则开启系统工作，如果没到预设时间，则继续等待。

太阳能景观灯的工作流程为：首先系统初始化，判断有没有接收来自中心控制器的RF中断，如果有，则相应中断，并按照中心控制器的指令控制LED，然后采集和存储电量等信息，通过RF模块发送给中心控制器；如果没有接收到来自中心控制器的RF中断，再判断有无充电结束中断，如果有，控制太阳能控制器电路，如果没有，则继续等待。

本发明设计的太阳能景观灯可以广泛应用于城市广场、景观塔楼、高层建筑、交通桥梁等公共设施的美化，也可以用于城市居民公寓的亮化，具有智能化程度高、结构灵活、维修方便、操作简便、节能环保、性能稳定、可控性强等优点。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于由多个带无线传感器网络节点的太阳能景观灯(1)和中心控制器(2)组成，太阳能景观灯(1)和中心控制器(2)之间通过RF模块进行通讯；所述太阳能景观灯(1)由三色LED景观灯(3)、8051单片机(4)、RF模块(8)、JTAG下载器接口(9)、太阳能电池组件(5)、太阳能控制器(6)和Li离子电池(7)组成；所述8051单片机(4)与太阳能控制器(6)相连，太阳能控制器(6)与太阳能电池组件(5)和Li离子电池(7)相连；8051单片机(4)与RF模块(8)集成于芯片CC2430，与LED景观灯(3)和JTAG下载器接口(9)相连；所述中心控制器(2)由8051单片机(13)、RF模块(12)、RS232模块(14)、电源模块(10)和JTAG下载模块(11)组成，所述8051单片机(13)与RF模块(12)集成于芯片CC2430，与RS232模块(14)、电源模块(10)和JTAG下载接口(11)相连。

2.按照权利要求1所述的基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于所述太阳能景观灯(1)为圆柱形地埋式或悬挂式。

3.按照权利要求2所述的基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于所述圆柱形地埋式景观灯的太阳能电池组件(5)呈圆环形朝上，LED(3)可以分布在中心或四周，圆心处有一个光敏电阻(15)感应光强。

4.按照权利要求2所述的基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于所述悬挂式景观灯的LED(16)分布在灯体的侧面，可以排列成直线型或艺术花型，太阳能电池组件(5)在顶层倾斜放置，可在平面内360度旋转，确保在何朝向的建筑上都保持向南。

5.按照权利要求1所述的基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于所述太阳能景观灯(1)的电路采用CC2430芯片设计控制电路和RF电路，采用CE8301C50M芯片设计DC/DC电路，采用CN3052A芯片设计Li离子电池充电电路，采用光耦2501设计LED景观灯控制电路、采用AS1117芯片设计稳压电路；在采用CC2430芯片设计的控制电路中，包括32kHz和32MHz的晶振电路、开关复位电路、JTAG下载电路，其中RF模块采用外置PCB板载天线；在基于CE8301C50M芯片设计的DC/DC电路中，单片机通过使能端EN控制DC/DC电路的开关；基于CN3052A芯片设计的充电电路与DC/DC电路和Li离子电池相连，并采用DS18B20温度传感器监测Li离子电池的温度；通过超低压芯片AD8541设计的电压跟随器监测ISET端的电压；采用分压电路监测Li离子电池的电压，等效监测Li离子电池的电量，LED景观灯采用Li离子电池供电，单片机通过光耦2501隔离对LED景观灯进行控制，实现设定的艺术效果；LED采用高亮度的发光二极管；基于AS1117芯片设计的稳压电路主要为CC2430芯片供电。

6.按照权利要求1所述的基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于所述太阳能景观灯(1)的控制器采用片上系统CC2430，其8051单片机(4)中装有不同灯效模式下的控制软件。

7.按照权利要求1所述的基于无线传感器网络的太阳能景观灯，其特征在于所述中心控制器(2)采用片上系统CC2430，其8051单片机(13)中装有当前存储的灯效模式和来自各个太阳能景观灯(1)的状态数据。

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