基于无线传感网络的太阳能LED路灯状态传感器节点的设计

 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。

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2.4 GHz、IEEE802.15.4和ZigBee协议；2.7 V～3.6 V操作电压；睡眠电流(包括睡眠定时器处于活动状态)2.8 μA；接收灵敏度-100 dBm。MCU特性：16 MHz 32 bit RISC CPU；96 KB RAM, 192 KB ROM；4个输入端口，12 bit ADC，2个11 bit DAC，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。

光伏电池电流和电压检测电路的设计原理图如图3所示[4]。将串入光伏电池供电电路的精密小电阻上的信号作为电流检测信号，采用集成运放ICL7650制作差分放大电路，这样可以最大限度地减少对被测电路的影响。将并入光伏电池的大电阻分压器上获取小信号作为电压信号，同样采用集成运放ICL7650制作差分放大电路。为了消除干扰，采用两个等值电阻分别接于放大器的两个输入端和地之间，同时在放大器输出端增加滤波电路，经过滤波后的电流和电压信号输出到控制器JN5139的A/D转换接口。

LED灯头照度检测电路如图4所示。照度检测采用On9658集成传感器，传感器获取的信号经过放大器放大和滤波后输出到控制器JN5139的A/D转换接口。

LED灯头温度检测电路如图5所示。蓄电池温度采用SHT11集成温度传感器。


4 传感器节点的软件设计

4.1 软件系统的总体设计

软件系统的主要功能包括传感器数据采集与处理、无线收发和节点定位等，采用模块化设计。传感器数据采集与处理模块主要设置蓄电池状态信号的采集参数并控制采集；无线收发模块通过设置寄存器控制对命令或数据的接收和发送；节点定位模块对节点进行实时定位。传感器节点设计为全功能设备（FFD），同时具有路由功能，其程序流程图如图6所示。在任务队列中加入主任务进行数据采集、报警检测和自身能量检测并调用ZigBee发送任务；产生JN5139引脚中断时，CPU转去执行ZigBee接收中断服务程序。如果是采集命令，则立即执行数据采集和发送；如果是路由包，则立即执行路由更新。


4.2 节点定位算法设计[5]

节点采用基于接收信号强度指示定位算法实现的精确定位。已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度计算出信号的传播损耗，然后根据信号传播模型公式将传输损耗转化为距离，再利用三边测量法计算出未知节点的位置。在实际定位中，要保证未知节点处于3个以上发射信号强度和位置坐标已知的参考节点的通信范围内，未知节点根据接收信号强度计算出信号的传播损耗，进而计算出节点位置。

本文介绍了基于无线传感网络的高精度太阳能LED路灯状态传感器节点的设计，在实际测试过程中，系统运行稳定，测量结果符合实际，完全达到了对信号高精度的采集与无线传输，取得了较好的监测效果。该系统结合无线传感网络具有的低功耗、低成本和节点多等优势，在无线通信技术远距离、高可靠性等关键问题解决过程中的应用会越来越广泛。