CN102478198B - 一种基于无线传感器网络的太阳能景观灯 - Google Patents
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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I（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I（4）能控制充电电路，将采集的状态信息通过RF模块I（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II（13）接收来自PC机的系统指令，并通过RF模块II（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。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
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。本发明以自动控制技术、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。
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。
太阳能被认为是取之不尽、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，能够解决分布式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进行及时修正，同时显示出现故障的景观灯状态，方便维修人员及时维修。
为了达到上述目的，本发明的设计方案如下：每一盏太阳能景观灯包括三色LED景观灯、集成8051单片机和RF模块的CC2430芯片、太阳能电池组件、太阳能控制器和Li离子电池，所述太阳能控制器能够实现监测太阳能电池组件的运行状态、管理Li离子电池的充放电过程，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景观灯，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进行管理。每一盏太阳能景观灯都与中心控制器进行无线通讯，为了确保每一盏景观灯正常工作，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。
在所述的中心控制器中设置了一个串口与PC机连接。中心控制器包含电源模块，无线传感器网络节点、JTAG下载接口和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PC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。
在所述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RF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，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8051单片机控制三色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，报告其工作状态。
本发明采用了低功耗、高集成度的CC2430芯片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的功能。
附图说明
图1圆柱形地埋式景观灯俯视结构示意图（景观灯位于中心）
图2圆柱形地埋式景观灯俯视结构示意图（景观灯位于四周）
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
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，这种太阳能景观灯需采用防水封装，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，并带有温度传感器。悬挂式太阳能景观灯包括向南倾斜的太阳能电池组件、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。
太阳能景观灯系统的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II（13）、RF模块II（12）、RS232模块（14）、电源模块（10）和JTAG下载接口II（11）组成，所述8051单片机II（13）与RF模块II（12）集成于CC2430芯片，与S232模块（14）、电源模块（10）和JTAG下载接口II（11）相连。
中心控制器采用输出电压为+5V、功率大于10W的电源适配器供电，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。核心电路是集成于CC2430芯片的8051单片机小系统和RF模块，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。RF模块主要由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PC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）、集成8051单片机I（4）的RF模块I（8）、JTAG下载接口I（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I（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I（4）与RF模块I（8）集成于CC2430芯片，与LED景观灯（3）和JTAG下载接口I（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模块，单片机用于处理传感器信息，控制太阳能控制器、LED景观灯和RF模块。RF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水平向上放置。太阳能控制器控制太阳能电池组件给锂离子电池充电，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。JTAG下载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。采用专用的充电芯片CN3052A为Li离子电池充电，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。采用这种充电方式有效保护了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。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模块同样集成于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，采用8051单片机控制LED景观灯，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有多个软按键，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PC机发送的控制指令，并将指令存储在存储器中，然后通过RF模块发送到太阳能景观灯，并发送请求信息，要求上传当前的运行状态数据，通过RF模块接收，存储在存储器中，如果中心控制器没有接收到来自PC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RF模块有没有接收来自中心控制器的中断，如果有，则响应中断，并按照中心控制器的指令控制LED景观灯，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 (4)
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，且太阳能景观灯和中心控制器构建的系统具有自组网功能，太阳能景观灯可将当前工作状态通过无线方式发送给中心控制器，并在PC机软件平台的主窗口查看当前各景观灯的工作状态，其中太阳能景观灯（1）和中心控制器（2）之间采用RF模块进行通讯；所述太阳能景观灯（1）由三色LED景观灯（3）、集成8051单片机I（4）和RF模块I（8）的CC2430芯片、JTAG下载接口I（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I（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I（4）与RF模块I（8）集成于CC2430芯片，与LED景观灯（3）和JTAG下载接口I（9）相连；所述中心控制器（2）由8051单片机II（13）、RF模块II（12）、RS232模块（14）、电源模块（10）和JTAG下载接口II（11）组成，所述8051单片机II（13）与RF模块II（12）集成于CC2430芯片，与RS232模块（14）、电源模块（10）和JTAG下载接口II（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，地埋式景观灯的太阳能电池组件（5）呈圆环形朝上，LED景观灯（3）分布在中心或四周，圆心处有一个光敏电阻（15）感应光强；悬挂式景观灯的太阳能电池组件（5）在顶层倾斜放置，可在平面内360度旋转，确保在任何朝向的建筑物上始终保持向南，LED景观灯（3）分布在灯体的侧面，可以任意排列成直线型或艺术花型。
3.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芯片设计无线传感器网络节点，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芯片设计的无线传感器网络节点，包括32kHz和32MHz的晶振电路、开关复位电路、JTAG下载接口I，采用外置PCB板载天线的RF模块I；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离子电池的工作温度；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景观灯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。
4.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CC2430芯片，其中8051单片机I（4）装有不同灯效模式下的控制软件；所述中心控制器（2）采用CC2430芯片，其中8051单片机II（13）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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