CN102999036B - 太阳能无线联网监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能无线联网监控系统，其特征在于：包括组成射频无线网络且配备控制器的复数个监控终端设备以及远程监控中心；所述的复数个监控终端设备皆设置有视频图像采集端、太阳能电源和LED照明灯以及射频通信节点；所述的远程监控中心设置有一个射频协调设备，用于该远程监控中心与所述的射频无线网络通讯。本发明的各个功能模块均由太阳能供电，无需繁复布线并且安装便捷灵活，为城市公路、边防夜晚执勤、小区、街道、偏远地区安防等众多领域提供了一套无线网络智能化的太阳能照明与视频图像结合的联网监控方案，具有较好的实用价值。

Description

太阳能无线联网监控系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能无线联网监控系统，属于信息处理领域，涵盖视频图像采集、处理与监控、太阳能充电控制、路灯照明控制及射频无线网络等技术，具体指的是通过射频无线网络将复数个基于太阳能供电的监控终端设备进行无线联网监控。

背景技术

迄今为止，能源危机的加剧一直是世界各国非常关注也是亟需解决的问题，而寻求新能源和干净可再生能源是寻求解决能源危机的有效方法。太阳能以其清洁无污染和可再生性的优势被世界各国公认为今后解决能源紧缺的有效新能源之一。基于太阳能设计的产品正是利用了太阳能作为能源供给方式而被称为绿色环保产品，因其具有不消耗不可再生能源，清洁不污染环境并且不需破坏建筑结构的繁复布线，只要有充足的阳光即可安装应用等特点。因此，对于此类系统的研究与开发具有重要的意义。

目前使用的视频图像网络监控系统大多都是使用市电供电，一旦切断市电供给将无法使用；基于有线网络的视频图像监控因复杂的电线布置增加了成本与施工难度；一些无线网络的视频图像监控采用3G、WIFI等无线网络方式，网络条件受到网络运营商的制约且在未覆盖的地方无法使用。目前使用的太阳能路灯照明大多都是孤立的，存在管理困难、利用效率不高等问题；太阳能电源上大多使用直充方式，未能充分有效地利用太阳能电池板的最大功率，而照明方式也大多比较单调；单机独立工作的控制器未能对太阳能电源和路灯照明的实时状态进行实时监控与集中统一管理。

虽然目前有一些专利针对以上提出的几个关键问题展开了相关研究工作，在视频图像网络监控上通过有线宽带、3G、WIFI、手机终端等进行的研究有很多，而在路灯照明的联网监控上大多需要连接个GPRS或GSM模块，这两种领域的相关研究固然能够实现它们各自的应用目的，但是它们的成本都较高，并且两种领域的相融合存在相当的难度。至今对于射频无线网络技术在视频图像监控和太阳能照明监控方面的研究还很少，特别是还没有一种能很完善地将视频图像网络监控与太阳能照明联网监控融合在一起并且同时具备以下功能：1.有效实现太阳能电池板的最大功率点追踪（MPPT）策略，并通过合理的充放电策略防止蓄电池过充和过放。2.设计保护电路，为系统各个关键部件进行保护，提高系统的可靠性。3.对采集的视频图像进行压缩缓存处理并去除多余的数据以便于射频无线通信模块进行数据传输。4.嵌入射频无线网络功能，控制监控终端设备自主组建无线监控网络。5.为射频无线通信模块提供功率放大电路和低噪声放大电路，增加无线通信距离并提高数据通信可靠性。

发明内容

针对视频图像网络监控和太阳能照明联网监控领域现有技术的不足，本发明的目的是：设计一种太阳能无线联网监控系统，主要设计一种将视频图像网络监控与太阳能照明联网监控进行良好融合的系统。该系统不仅可以对装有该系统的区域进行视频图像监控，而且能实现太阳能电池板能量的最大化利用并完成该区域的路灯照明联网监控，特别是射频无线网络的自组建使该系统中的分散设备便于集中统一管理。

本发明的一种太阳能无线联网监控系统，其特征在于：包括组成射频无线网络且配备控制器的复数个监控终端设备以及远程监控中心；所述的复数个监控终端设备皆设置有视频图像数据采集模块、太阳能电源和LED照明灯以及射频无线通信模块；所述的太阳能电源为所述的视频图像数据采集模块、LED照明灯以及射频无线通信模块供电；所述的远程监控中心设置有一个射频协调设备，用于该远程监控中心与所述的射频无线网络通讯。

在本发明一实施例中，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射频无线通信模块、太阳能电源模块、LED照明控制模块、数据采集模块、视频图像数据采集模块和电源管理模块；该控制器的各个模块都直接或间接由太阳能电池板供电，且该控制器集合了MPPT技术、视频图像处理技术和射频无线通信技术。

在本发明一实施例中，所述的控制器将射频无线联网功能直接嵌入其中，能引导射频无线通信节点组建射频无线监控网络实现监控终端设备的联网通信。

在本发明一实施例中，所述的太阳能电源模块和LED照明控制模块的电路结构均采用BUCK型降压电路且配有相应的驱动电路和保护电路，通过调节控制器输出的PWM波占空比控制太阳能电源的充电功率与LED照明功率，太阳能电源的充电策略采用MPPT充电与浮充充电交替的方式，而MPPT充电中采用恒压法与改进型扰动观察法交替的方式。

在本发明一实施例中，所述的数据采集模块在电压上采用电阻分压方式，在电流上利用小电阻获得的小电压经放大芯片MAX4080放大的电压电流信号经控制器的AD采样端送入控制器。

在本发明一实施例中，所述的视频图像数据采集模块中的数据来源于OV7620数字摄像头，外挂SDRAM的视频图像压缩芯片ML86410对视频流进行压缩并缓存，采用EPM1270作为类DMA控制器实现视频图像数据的采集并暂存于静态存储器IS61WV51216中等待核心控制单元的处理。

在本发明一实施例中，所述的核心处理单元采用外挂程序存储器的微控制单元LPC2292，该微控制单元在软件上主要负责MPPT控制算法、视频图像数据的处理、摄像头的调配和无线协议的自组织以及射频无线网络的组建，通过分时控制太阳电池板能量的最大化利用、视频图像数据处理和射频无线网络中的数据通信。

在本发明一实施例中，所述组成射频无线网络的方式为：将系统中的一套设备的控制器配置为射频协调设备，负责所在区域无线网络的组建与维持，并承担该区域无线网络与监控中心的数据交互任务，其余的多套设备能根据区域地形及路灯照明与视频图像监控绑定的分布情况配置为路由设备或终端设备，由它们将视频图像与照明情况转发至射频协调设备，再由射频协调设备发往远程监控中心。

在本发明一实施例中，所述的射频无线通信模块采用nRF24L01+射频芯片，该射频芯片的天线端设置有MAX2240和MAX2264芯片设计成的功率放大电路与低噪声放大电路。

在本发明一实施例中，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监控管理软件，该软件包括数据监视、数据存储和命令控制三部分，能够分析与监视太阳能电源的状态信息、路灯照明情况以及所监控环境的实时视频图像并进行定时存储，也能通过命令控制向任意数量的监控终端设备发送命令控制该监控终端设备的工作状态。

本发明的太阳能无线联网监控系统同时具备以下功能：1.有效实现太阳能电池板的最大功率点追踪（MPPT）策略，并通过合理的充放电策略防止蓄电池过充和过放。2.设计保护电路，为系统各个关键部件进行保护，提高系统的可靠性。3.对采集的视频图像进行压缩缓存处理并去除多余的数据以便于射频无线通信模块进行数据传输。4.嵌入射频无线网络功能，控制监控终端设备自主组建无线监控网络。5.为射频无线通信模块提供功率放大电路和低噪声放大电路，增加无线通信距离并提高数据通信可靠性。本发明为城市公路、边防夜晚执勤、小区、街道、偏远地区安防等众多领域提供了一套无线网络智能化的太阳能照明与视频图像结合的联网监控方案。该系统不仅可以对装有该系统的区域进行视频图像监控，而且能实现太阳能电池板能量的最大化利用并完成该区域的路灯照明联网监控，特别是射频无线网络的自组建使该系统中的分散设备便于集中统一管理。

附图说明

图1 为本发明太阳能无线联网监控系统的系统结构图。

图2 为本发明中太阳能无线联网监控终端设备的结构图。

图3 为监控终端设备中视频图像数据采集与处理的硬件连接图。

图4 为监控终端设备中太阳能电源与路灯照明的硬件控制原理图。

图5 为无线射频无线通信模块及其功率放大电路与低噪声放大电路原理图。

图6 为射频网络节点（协调设备、路由设备和终端设备）的原理框图。

图7 为远程监控中心的配置连接图与监控管理软件模型图。

图8 协调设备的软件控制流程图。

图9 路由设备或终端监控设备的软件控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，把整个系统分为三个部分进行说明：（1）视频图像数据的采集与处理；（2）太阳能电源及路灯照明控制；（3）射频网络构建与数据通信实现。

本发明提供一种太阳能无线联网监控系统，如图1所示，该系统包括至少一套视频图像监控与太阳能照明的监控终端设备、至少两个具备射频无线通信功能的射频无线通信模块、所有监控终端设备（数量视具体应用环境而定）组成的射频无线网络以及与射频协调节点相连的远程监控中心。所述的视频图像监控与太阳能照明监控终端设备负责完成安装点周边环境的视频图像监控及太阳能照明联网监控，收集视频图像数据与太阳能照明的状态参数。所述的射频无线通信模块负责将收集到的视频图像数据与太阳能照明状态参数进行打包并发送至远程监控中心。所述的远程监控中心将收到的视频图像进行播放与存储，分析收到的太阳能照明状态参数并定时存储，通过远程监控中心也可发送命令控制任意数量的监控终端设备的工作状态。

（1）视频图像数据的采集与处理

本发明整个系统的核心设计之一在于视频图像数据的采集与处理。该核心设计负责将摄像头输出的视频图像数据进行压缩缓存并采集存储于SRAM中，在核心处理器处理之后由射频无线通信模块进行无线传输，包括数字摄像头的驱动、视频图像数据的硬压缩配置、视频图像数据采集的类DMA控制和数据的处理，以及接收并执行远程控制命令。

视频图像数据的采集与处理既能独立正常工作，也可通过无线射频模块自主加入射频无线网络完成联网监控。如图2所示，该核心设计由核心处理单元、视频图像数据输出模块和采集核心控制模块组成，它们均由系统中的太阳能电源供电。

核心处理单元：利用ARM7核心单片微控制单元LPC2292完成摄像头的初始化配置和视频图像数据的简单处理并打包进行射频无线通信。通过LPC2292的I2C接口设计三相读写周期的SCCB协议，调用该协议实现OV7620摄像头内部寄存器的初始化配置。LPC2292的GPIO口与采集控制核心模块的互连使LPC2292可以获取视频图像数据并剔除数据中的重复部分，LPC2292将处理好的视频图像数据打包并配置无线射频模块进行无线通信。

视频图像数据输出模块：如图3所示，视频图像数据源自OV7620数字摄像头，因数据量大，本发明设计了由ML86410压缩芯片构成的数据压缩电路，通过采集控制核心单元的配置，将数据量压缩至适于无线射频传输的范围内，视频图像压缩电路将摄像头源源不断输出的视频流缓存到SDRAM中，再送到采集控制核心单元以备核心处理单元进行处理。因摄像头与采集控制核心单元的电平不一致，采用74LVC4245A进行电平转换使IO口匹配。

采集控制核心模块：如图3所示，硬件上采集控制核心单元采用EPM1270系列CPLD，外挂一片静态随机存储器IS61WV51216用于视频图像数据的暂存取，通过CPLD的混合式软件设计构建一个类DMA的控制核心，该类DMA控制核心以三套总线的切换配合同步时序实现视频图像的采集与存取。

（2）太阳能电源及路灯照明控制

本发明在监控终端提供了一种高效且便于管理的能源供给及路灯照明联网监控方案，该方案中的太阳能电源负责为整个监控终端设备的各个模块供电，路灯照明控制负责安装区域的日常照明。方案中的太阳能电源和路灯照明控制两部分的工作状态参数均可由核心处理单元打包发送给远程监控中心并接受监控中心的监控。

如图2所示，该新型能源供给及路灯照明方案由核心控制单元、数据采集模块、太阳能充电模块、路灯照明控制模块和电源管理模块。

核心控制单元：只用一个ARM7核心控制单元，同时控制视频图像数据的处理、太阳能电源及路灯照明控制方案的各个模块和射频无线通信模块。由LPC2292的4个内部ADC通道对数据采集模块输出的信号进行AD转换，核心处理器根据AD转换结果调整由LPC2292中两个内部定时器产生的PWM波占空比，分别控制太阳能充电模块和路灯照明控制模块中的开关管与续流管。LPC2292的软件设计是协调视频图像监控、太阳能电源及照明监控与射频无线通信三部分主要功能的实现，特别是在太阳能充电模块中采用了MPPT控制算法可最有效利用太阳能电池。核心控制单元大部分时间用于MPPT控制算法的实现和视频图像数据的处理上，采用查询方式或者中断方式实现射频无线网络中的数据通信。

数据采集模块：包括太阳能电池板输出电压、输出电流、蓄电池电压及路灯照明负载电流的实时采集。电压采集采用电阻分压方式，电流采集采用一个水泥微小电阻取得精确小电压后经放大芯片MAX4080放大成适合的电压信号。

太阳能充电模块：如图4所示，本发明中的太阳能电源是太阳能电池板通过同步BUCK充电电路为铅酸蓄电池充电，同步BUCK充电电路中的开关管和续流管均采用IRF3205型号的MOS管，在硬件上设计了自举驱动电路和保护电路。LPC2292产生的PWM波经自举驱动电路控制BUCK电路，通过MPPT算法调整PWM波占空比实现太阳能电池板的最大功率点追踪。在太阳能电池板输出端和蓄电池输入端各加入了两片具有缓冲功能和防反接功能的肖特基二极管MBR20100和一个压敏电阻为电路提供保护功能。太阳能电源的充电策略采用MPPT充电与浮充充电交替的模式，软件上MPPT充电采用恒压法结合改进型扰动观察法，即先以固定占空比的PWM波将太阳能电池板的功率锁定到最大功率附近，再扰动PWM波占空比，实时采集太阳能电池板输出电压、电流获得实时功率，按照功率增大的方向继续扰动PWM波占空比，最后确定最大功率点。

路灯照明控制模块：如图4所示，蓄电池通过一个同步BUCK降压电路结构为路灯照明供电，控制器输出的PWM波经自举驱动电路控制BUCK电路，控制器可根据采集的路灯照明负载电流值和蓄电池电压值调整PWM波占空比控制照明状态，也可根据天气状况和实际需求情况调节路灯照明亮度。

电源管理模块：由于太阳能电源供电中蓄电池输出为12V，所以需要设计一个电源管理模块，为数据采集模块和摄像头提供5V电压，为核心处理器提供3.3V和1.8V电压，为射频通信模块和视频图像采集核心模块提供3.3V电压，太阳能充电模块和路灯照明控制模块中的自举驱动电路可由蓄电池的12V电压供电。

（3）射频网络构建与数据通信实现

本发明整个系统的通信是依赖射频无线网络实现的。

本发明实例中，射频节点在硬件上选用Nordic公司推出的一款高性能射频收发器nRF24L01+，如图5所示，在nRF24L01+的天线端加入功率放大电路和低噪声放大电路可以增加无线通信距离并确保数据通信的可靠性。功率放大电路和低噪声放大电路主要由MAX2240和MAX2264组成，通过nRF24L01+芯片的VDD_PA引脚控制无线发送与接收的切换，放大电路中的微波开关采用低成本HMC545型号的微波开关，该开关特别为ISM和3G频段工作的设备设计，在实际应用中从微波开关引出的天线可以通过一根导线引到安装杆的合理位置。

基于本发明设计的一种新型射频无线联网的太阳能照明监控与视频图像监控系统，当该系统中的监控终端设备分布安装在具体的应用领域（城市公路、边防夜晚执勤、小区、街道、偏远地区安防）时，所有的监控终端设备能够自主组建一种树状型或网状型的射频无线网络。如图6所示，系统中的一套监控设备配置为协调设备，负责整个系统中无线网络的建立与维持并承担所有节点数据的接收与转发，其余的监控设备根据具体应用环境和地形分布分别配置为路由设备或终端设备，它们通过握手协议加入由协调设备所建立的射频无线网络。射频无线网络中的每一个节点均可以完成与其他节点的数据通信。

射频无线网络的自主组建过程：射频协调设备在初始化后进入休眠模式，其余射频设备则先向协调设备发送请求分配级别命令再进入休眠状态并开启定时器。若在设定的时间内收到协调设备分配的级别，则射频设备就会按照分配的级别向协调设备发送数据包。如果在设定的时间内没有收到协调设备分配的级别，则射频设备就会从休眠状态唤醒，再次发送请求分配级别的命令，如此循环。当射频设备发出的请求分配级别命令达到设定上限后，仍没有确定自身在网络中的级别时，它们先向全网发出广播命令后进入休眠状态并开启定时器，待定时完毕再回到发射广播命令状态。当发射广播命令达到设定上限时，射频设备整理并根据接收的应答信息确定自身在网络中的级别，并确定上级、同级和下级射频设备的相关级别信息。射频设备再向它的上级设备发送包含这些信息的数据包，直到数据包最终传送到射频协调设备即可确定整个无线网络的拓扑结构。

射频无线网络中的数据通信主要分为两部分，一部分是经压缩和处理后的实时视频图像数据，另一部分是太阳能电源和路灯照明的实时工作状态参数，这两部分的数据通信通过射频节点自主组建射频无线网络实现。需要指出的是，本发明中的远程监控中心通过串口线与协调设备相连，因此远程监控中心自身也置于射频无线网络中。具体如图6和图7所示，射频无线网络中的协调设备直接通过串口连接到充当远程监控中心的PC机，这样的网络连接方式使监控中心具有很灵活的移动性，任意一台装有监控管理软件的PC机都可以充当远程监控中心。

配置为射频协调设备的监控设备中的软件控制流程图如图8所示，配置为路由设备和终端设备的监控设备中的软件控制流程类似（只是分配的级别不同），控制流程图如图9所示。它们的核心处理单元LPC2292的软件设计是协调视频图像监控、太阳能电源及照明监控与射频无线通信三部分主要功能的实现，特别是在太阳能充电模块中采用了MPPT控制算法可最有效利用太阳能电池。核心控制单元大部分时间用于MPPT控制算法的实现和视频图像数据的处理上，采用查询方式或者中断方式实现射频无线网络中的数据通信。

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 (1)

1.一种太阳能无线联网监控系统，其特征在于：包括组成射频无线网络且配备控制器的复数个监控终端设备以及远程监控中心；所述的复数个监控终端设备皆设置有视频图像数据采集模块、太阳能电源和LED照明灯以及射频无线通信模块；所述的太阳能电源为所述的视频图像数据采集模块、LED照明灯以及射频无线通信模块供电；所述的远程监控中心设置有一个射频协调设备，用于该远程监控中心与所述的射频无线网络通讯；

   所述组成射频无线网络的方式为：将系统中的一套设备的控制器配置为射频协调设备，负责所在区域无线网络的组建与维持，并承担该区域无线网络与监控中心的数据交互任务，其余的多套设备能根据区域地形及路灯照明与视频图像监控绑定的分布情况配置为路由设备或终端设备，由它们将视频图像与照明情况转发至协调设备，再由协调设备发往远程监控中心；

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监控管理软件，该软件包括数据监视、数据存储和命令控制三部分，能够分析与监视太阳能电源的状态信息、路灯照明情况以及所监控环境的实时视频图像并进行定时存储，也能通过命令控制向任意数量的监控终端设备发送命令控制该监控终端设备的工作状态；

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射频无线通信模块、太阳能电源模块、LED照明控制模块、数据采集模块、视频图像数据采集模块和电源管理模块；该控制器的各个模块都直接或间接由太阳能电池板供电，且该控制器集合了MPPT技术、视频图像处理技术和射频无线通信技术；

    所述的控制器将射频无线联网功能直接嵌入其中，能引导                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               射频无线通信节点组建射频无线监控网络实现监控终端设备的联网通信；

    所述的太阳能电源模块和LED照明控制模块的电路结构均采用BUCK型降压电路且配有相应的驱动电路和保护电路，通过调节控制器输出的PWM波占空比控制太阳能电源的充电功率与LED照明功率，太阳能电源的充电策略采用MPPT充电与浮充充电交替的方式，而MPPT充电中采用恒压法与改进型扰动观察法交替的方式；

所述的数据采集模块在电压上采用电阻分压方式，在电流上利用小电阻获得的小电压经放大芯片MAX4080放大的电压电流信号经控制器的AD采样端送入核心处理单元；

所述的视频图像数据采集模块中的数据来源于OV7620数字摄像头，外挂SDRAM的视频图像压缩芯片ML86410对视频流进行压缩并缓存，采用EPM1270作为类DMA控制器实现视频图像数据的采集并暂存于静态存储器IS61WV51216中等待核心处理单元的处理；

所述的核心处理单元采用外挂程序存储器的微控制单元LPC2292，该微控制单元在软件上主要负责MPPT控制算法、视频图像数据的处理、摄像头的调配和无线协议的自组织以及射频无线网络的组建，通过分时控制太阳电池板能量的最大化利用、视频图像数据处理和射频无线网络中的数据通信；

    所述的射频无线通信模块采用nRF24L01+射频芯片，该射频芯片的天线端设置有MAX2240和MAX2264芯片设计成的功率放大电路与低噪声放大电路。