《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于WSN的太陽能LED路燈傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第10期
楊 鵬,史旺旺,沈楚焱
(揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州225009)
摘要: 研究了ZigBee技術(shù)及JN5139混合信號(hào)微控制器,從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元出發(fā),基于JN5139CPU模塊設(shè)計(jì)了具有全功能設(shè)備(FFD)的靈活多變、性能優(yōu)越的太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有路由功能,可以構(gòu)成樹形或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究提供了一個(gè)良好的硬件平臺(tái)。系統(tǒng)具有較高的精度,實(shí)用性強(qiáng),成本低,功耗小,應(yīng)用前景良好。
Abstract:
Key words :

摘  要: 研究了ZigBee技術(shù)及JN5139混合信號(hào)微控制器,從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元出發(fā),基于JN5139CPU模塊設(shè)計(jì)了具有全功能設(shè)備(FFD)的靈活多變、性能優(yōu)越的太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有路由功能,可以構(gòu)成樹形或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究提供了一個(gè)良好的硬件平臺(tái)。系統(tǒng)具有較高的精度,實(shí)用性強(qiáng),成本低,功耗小,應(yīng)用前景良好。
關(guān)鍵詞: 太陽能LED路燈;ZigBee;JN5139

    隨著太陽能LED路燈在城市照明系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,如何節(jié)約能源、提高路燈能源的利用率己成為急需解決的問題。太陽能LED路燈涉及到光伏電池、LED燈頭、蓄電池和路燈控制系統(tǒng),能否最大效率地利用太陽能和延長(zhǎng)LED燈頭的使用壽命,是目前迫切需要解決的問題。ZigBee技術(shù)以其功耗低、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)為路燈自動(dòng)控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案[1-3]。
    本文研究了ZigBee技術(shù)及JN5139混合信號(hào)微控制器,從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位出發(fā),采用照度傳感器、溫度傳感器、直流電壓傳感器和電流傳感器分別采集光伏電池電流電壓、蓄電池電流電壓、LED燈頭溫度和照度等數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了基于JN5139模塊的具有全功能設(shè)備(FFD)的靈活多變、性能優(yōu)越的太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn),為組建高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了基礎(chǔ)性的工作。將ZigBee技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò),解決其他控制方法中存在的問題:選擇亮度傳感器實(shí)時(shí)采集LED燈頭照度,降低了特殊環(huán)境、特殊時(shí)間誤開誤關(guān)的幾率,擺脫了人工干預(yù)。
1 太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
    傳感器節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、射頻通信模塊、定位模塊和電源模塊等。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù);無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信,交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供所需的能量。
2 傳感器節(jié)點(diǎn)的功能
    一般的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由3種節(jié)點(diǎn)組成:協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù);路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)幀的路由;而終端設(shè)備則是實(shí)現(xiàn)具體功能的單元。本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)設(shè)備,起到路由的作用,同時(shí)負(fù)責(zé)本地太陽能LED路燈狀態(tài)等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,可實(shí)現(xiàn)如下功能:
    (1)傳感器節(jié)點(diǎn)能定時(shí)向監(jiān)測(cè)分中心發(fā)送太陽能LED路燈狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù);
    (2)傳感器節(jié)點(diǎn)能響應(yīng)監(jiān)測(cè)分中心的要求,實(shí)時(shí)采集太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù);
    (3)當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到數(shù)據(jù)超過閾值或者自身能量較低時(shí),發(fā)送報(bào)警消息;
    (4)能按照時(shí)間自動(dòng)存貯太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù),同時(shí)可以查詢某一時(shí)刻的太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù);
    (5)微型化、低功耗、低成本,具有高可靠性、穩(wěn)定性和安全性。
3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)是由全功能設(shè)備(FFD)構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.1 微處理器模塊
    作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),低功耗設(shè)計(jì)尤為重要。經(jīng)過詳細(xì)的器件功耗比較之后,選取JN5139混合信號(hào)微控制器作為處理器模塊的核心。JN5139是集成了uFl天線的高功率模塊,可以在最短的時(shí)間內(nèi)在最低的成本下實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4或ZigBee兼容系統(tǒng)。該表貼模塊利用Jennic的JN5139無線微控制器來提供完整的射頻和RF器件的解決方案。模塊提供了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的豐富的外圍器件。模塊特性:集成uFl天線插槽;兼容2.4 GHz、IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議;2.7 V~3.6 V操作電壓;睡眠電流(包括睡眠定時(shí)器處于活動(dòng)狀態(tài))2.8 μA;接收靈敏度-100 dBm。MCU特性:16 MHz 32 bit RISC CPU;96 KB RAM, 192 KB ROM;4個(gè)輸入端口,12 bit ADC,2個(gè)11 bit DAC,2個(gè)比較器,2個(gè)應(yīng)用級(jí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,2個(gè)串口(一個(gè)用于系統(tǒng)在線調(diào)試),1個(gè)SPI接口,支持5個(gè)片選。能夠組建健壯的、安全的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
3.2 傳感器及調(diào)理電路模塊
    蓄電池電流和電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。電流檢測(cè)電路由霍爾電流傳感器TBC10SY和取樣電阻、電平調(diào)整電路、跟隨器電路、濾波電路等組成;電壓檢測(cè)電路由取樣電路、跟隨器電路、濾波電路等組成。需要注意的是電流檢測(cè)電路中充電電流和放電電流方向相反,需要通過電壓提升電路將負(fù)電壓值轉(zhuǎn)換為正值,并在程序中予以處理。

    光伏電池電流和電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示[4]。將串入光伏電池供電電路的精密小電阻上的信號(hào)作為電流檢測(cè)信號(hào),采用集成運(yùn)放ICL7650制作差分放大電路,這樣可以最大限度地減少對(duì)被測(cè)電路的影響。將并入光伏電池的大電阻分壓器上獲取小信號(hào)作為電壓信號(hào),同樣采用集成運(yùn)放ICL7650制作差分放大電路。為了消除干擾,采用兩個(gè)等值電阻分別接于放大器的兩個(gè)輸入端和地之間,同時(shí)在放大器輸出端增加濾波電路,經(jīng)過濾波后的電流和電壓信號(hào)輸出到控制器JN5139的A/D轉(zhuǎn)換接口。
    LED燈頭照度檢測(cè)電路如圖4所示。照度檢測(cè)采用On9658集成傳感器,傳感器獲取的信號(hào)經(jīng)過放大器放大和濾波后輸出到控制器JN5139的A/D轉(zhuǎn)換接口。

    LED燈頭溫度檢測(cè)電路如圖5所示。蓄電池溫度采用SHT11集成溫度傳感器。

4 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
4.1 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    軟件系統(tǒng)的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無線收發(fā)和節(jié)點(diǎn)定位等,采用模塊化設(shè)計(jì)。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設(shè)置蓄電池狀態(tài)信號(hào)的采集參數(shù)并控制采集;無線收發(fā)模塊通過設(shè)置寄存器控制對(duì)命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;節(jié)點(diǎn)定位模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為全功能設(shè)備(FFD),同時(shí)具有路由功能,其程序流程圖如圖6所示。在任務(wù)隊(duì)列中加入主任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、報(bào)警檢測(cè)和自身能量檢測(cè)并調(diào)用ZigBee發(fā)送任務(wù);產(chǎn)生JN5139引腳中斷時(shí),CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行ZigBee接收中斷服務(wù)程序。如果是采集命令,則立即執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送;如果是路由包,則立即執(zhí)行路由更新。

 

 

4.2 節(jié)點(diǎn)定位算法設(shè)計(jì)[5]
    節(jié)點(diǎn)采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示定位算法實(shí)現(xiàn)的精確定位。已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗,然后根據(jù)信號(hào)傳播模型公式將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離,再利用三邊測(cè)量法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。在實(shí)際定位中,要保證未知節(jié)點(diǎn)處于3個(gè)以上發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)已知的參考節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi),未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗,進(jìn)而計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位置。
    本文介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高精度太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),在實(shí)際測(cè)試過程中,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,測(cè)量結(jié)果符合實(shí)際,完全達(dá)到了對(duì)信號(hào)高精度的采集與無線傳輸,取得了較好的監(jiān)測(cè)效果。該系統(tǒng)結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有的低功耗、低成本和節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)勢(shì),在無線通信技術(shù)遠(yuǎn)距離、高可靠性等關(guān)鍵問題解決過程中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。
參考文獻(xiàn)
[1] 林方鍵,胥布工.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)[J].控制工程,2009,16(3):365-367.
[2] 王東東,郭文成.基于ZigBee技術(shù)的路燈無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(1):84-88.
[3] 郭佑民,劉娟,孟凡剛,等.基于ZigBee的智能型LED路燈 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(4):36-39.
[4] 苗洪利.基于LabVIEW太陽能路燈充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(5):88-90.
[5] Lin Shizhuang,Liu Jingyu,F(xiàn)ang Yanjun.ZigBee based wireless sensor networks and its application in industrial[C]. Proceeding of the IEEE International Conference on  Automation and Logisitics(ICAL),2007:1979-1983.

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