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太阳能LED路灯状态传感器节点的设计
作者: 来源: 日期:2018-1-22 14:55:08

  随着太阳能LED路灯在城市照明系统中的广泛应用,如何节约能源、提高路灯能源的利用率己成为急需解决的问题。太阳能LED路灯涉及到光伏电池、LED灯头、蓄电池和路灯控制系统,能否最大效率地利用太阳能和延长LED灯头的使用寿命,是目前迫切需要解决的问题。ZigBee技术以其功耗低、通信可靠、网络容量大等特点为路灯自动控制领域提供了较合适的解决方案[1-3].

  本文研究了ZigBee技术及JN5139混合信号微控制器,从无线传感器网络的基本单位出发,采用照度传感器、温度传感器、直流电压传感器和电流传感器分别采集光伏电池电流电压、蓄电池电流电压、LED灯头温度和照度等数据,设计了基于JN5139模块的具有全功能设备(FFD)的灵活多变、性能优越的太阳能LED路灯状态传感器节点,为组建高性能的无线传感器网络做了基础性的工作。将ZigBee技术结合传感器技术组成网络,解决其他控制方法中存在的问题:选择亮度传感器实时采集LED灯头照度,降低了特殊环境、特殊时间误开误关的几率,摆脱了人工干预。

  1太阳能LED路灯状态传感器节点的结构

  传感器节点基本结构如图1所示,主要包括传感器、信号调理电路、A/D转换器、微处理器、射频通信模块、定位模块和电源模块等。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供所需的能量。

传感器节点基本结构如图1

  2传感器节点的功能

  一般的ZigBee网络由3种节点组成:协调器、路由器和终端设备。协调器是网络的中心节点,负责网络的组织和维护;路由器负责网络内数据帧的路由;而终端设备则是实现具体功能的单元。本节点设计为全功能节点(FFD)设备,起到路由的作用,同时负责本地太阳能LED路灯状态等参数的数据采集,可实现如下功能:

  (1)传感器节点能定时向监测分中心发送太阳能LED路灯状态测量数据;

  (2)传感器节点能响应监测分中心的要求,实时采集太阳能LED路灯状态数据;

  (3)当传感器节点检测到数据超过阈值或者自身能量较低时,发送报警消息;

  (4)能按照时间自动存贮太阳能LED路灯状态数据,同时可以查询某一时刻的太阳能LED路灯状态数据;

  (5)微型化、低功耗、低成本,具有高可靠性、稳定性和安全性。

  3传感器节点的硬件设计

  传感器节点是由全功能设备(FFD)构成,其结构框图如图1所示。

  3.1微处理器模块

  作为ZigBee网络中的节点,低功耗设计尤为重要。经过详细的器件功耗比较之后,选取JN5139混合信号微控制器作为处理器模块的核心。JN5139是集成了uFl天线的高功率模块,可以在最短的时间内在最低的成本下实现IEEE802.15.4或ZigBee兼容系统。该表贴模块利用Jennic的JN5139无线微控制器来提供完整的射频和RF器件的解决方案。模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件。模块特性:集成uFl天线插槽;兼容2.4GHz、IEEE802.15.4和ZigBee协议;2.7V~3.6V操作电压;睡眠电流(包括睡眠定时器处于活动状态)2.8μA;接收灵敏度-100dBm.MCU特性:16MHz32bitRISCCPU;96KBRAM,192KBROM;4个输入端口,12bitADC,2个11bitDAC,2个比较器,2个应用级定时器/计数器,2个串口(一个用于系统在线调试),1个SPI接口,支持5个片选。能够组建健壮的、安全的低功耗无线网络应用。

  3.2传感器及调理电路模块

  蓄电池电流和电压检测电路的设计原理图如图2所示。电流检测电路由霍尔电流传感器TBC10SY和取样电阻、电平调整电路、跟随器电路、滤波电路等组成;电压检测电路由取样电路、跟随器电路、滤波电路等组成。需要注意的是电流检测电路中充电电流和放电电流方向相反,需要通过电压提升电路将负电压值转换为正值,并在程序中予以处理。



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