隨著太陽能LED路燈在城市照明系統(tǒng)中的廣泛應用,，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LED燈頭的使用壽命，是目前迫切需要解決的問題,。ZigBee技術以其功耗低,、通信可靠、網(wǎng)絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案[1-3].
本文研究了ZigBee技術及JN5139混合信號微控制器,，從無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位出發(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),，設計了基于JN5139模塊的具有全功能設備（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，為組建高性能的無線傳感器網(wǎng)絡做了基礎性的工作,。將ZigBee技術結合傳感器技術組成網(wǎng)絡,，解決其他控制方法中存在的問題：選擇亮度傳感器實時采集LED燈頭照度，降低了特殊環(huán)境,、特殊時間誤開誤關的幾率,，擺脫了人工干預。
1 太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的結構
傳感器節(jié)點基本結構如圖1所示,，主要包括傳感器,、信號調理電路、A/D轉換器,、微處理器,、射頻通信模塊、定位模塊和電源模塊等,。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數(shù)據(jù)轉換,；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信,，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供所需的能量,。
2 傳感器節(jié)點的功能
一般的ZigBee網(wǎng)絡由3種節(jié)點組成：協(xié)調器,、路由器和終端設備。協(xié)調器是網(wǎng)絡的中心節(jié)點,，負責網(wǎng)絡的組織和維護,；路由器負責網(wǎng)絡內數(shù)據(jù)幀的路由；而終端設備則是實現(xiàn)具體功能的單元,。本節(jié)點設計為全功能節(jié)點（FFD）設備,，起到路由的作用，同時負責本地太陽能LED路燈狀態(tài)等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)如下功能：
?。?）傳感器節(jié)點能定時向監(jiān)測分中心發(fā)送太陽能LED路燈狀態(tài)測量數(shù)據(jù),；
（2）傳感器節(jié)點能響應監(jiān)測分中心的要求,，實時采集太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù),；
（3）當傳感器節(jié)點檢測到數(shù)據(jù)超過閾值或者自身能量較低時,，發(fā)送報警消息,；
（4）能按照時間自動存貯太陽能LED路燈狀態(tài)數(shù)據(jù),，同時可以查詢某一時刻的太陽能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)點的硬件設計
傳感器節(jié)點是由全功能設備（FFD）構成,，其結構框圖如圖1所示,。
3.1 微處理器模塊
作為ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點，低功耗設計尤為重要,。經(jīng)過詳細的器件功耗比較之后,，選取JN5139混合信號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,，可以在最短的時間內在最低的成本下實現(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（包括睡眠定時器處于活動狀態(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個輸入端口，12 bit ADC,2個11 bit DAC,2個比較器,，2個應用級定時器/計數(shù)器,，2個串口（一個用于系統(tǒng)在線調試），1個SPI接口,，支持5個片選,。能夠組建健壯的、安全的低功耗無線網(wǎng)絡應用。
3.2 傳感器及調理電路模塊
蓄電池電流和電壓檢測電路的設計原理圖如圖2所示,。電流檢測電路由霍爾電流傳感器TBC10SY和取樣電阻,、電平調整電路、跟隨器電路,、濾波電路等組成,；電壓檢測電路由取樣電路、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電壓值轉換為正值,，并在程序中予以處理,。
光伏電池電流和電壓檢測電路的設計原理圖如圖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作為電流檢測信號，采用集成運放ICL7650制作差分放大電路,，這樣可以最大限度地減少對被測電路的影響,。將并入光伏電池的大電阻分壓器上獲取小信號作為電壓信號，同樣采用集成運放ICL7650制作差分放大電路,。為了消除干擾,，采用兩個等值電阻分別接于放大器的兩個輸入端和地之間，同時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輸出到控制器JN5139的A/D轉換接口,。
LED燈頭照度檢測電路如圖4所示。照度檢測采用On9658集成傳感器,，傳感器獲取的信號經(jīng)過放大器放大和濾波后輸出到控制器JN5139的A/D轉換接口,。
LED燈頭溫度檢測電路如圖5所示。蓄電池溫度采用SHT11集成溫度傳感器,。
4 傳感器節(jié)點的軟件設計
4.1 軟件系統(tǒng)的總體設計
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)點定位等，采用模塊化設計,。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設置蓄電池狀態(tài)信號的采集參數(shù)并控制采集,；無線收發(fā)模塊通過設置寄存器控制對命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；節(jié)點定位模塊對節(jié)點進行實時定位,。傳感器節(jié)點設計為全功能設備（FFD）,，同時具有路由功能，其程序流程圖如圖6所示,。在任務隊列中加入主任務進行數(shù)據(jù)采集,、報警檢測和自身能量檢測并調用ZigBee發(fā)送任務；產生JN5139引腳中斷時,，CPU轉去執(zhí)行ZigBee接收中斷服務程序,。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)點定位算法設計[5]
節(jié)點采用基于接收信號強度指示定位算法實現(xiàn)的精確定位。已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,，然后根據(jù)信號傳播模型公式將傳輸損耗轉化為距離，再利用三邊測量法計算出未知節(jié)點的位置,。在實際定位中,，要保證未知節(jié)點處于3個以上發(fā)射信號強度和位置坐標已知的參考節(jié)點的通信范圍內，未知節(jié)點根據(jù)接收信號強度計算出信號的傳播損耗,，進而計算出節(jié)點位置,。
本文介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡的高精度太陽能LED路燈狀態(tài)傳感器節(jié)點的設計，在實際測試過程中,，系統(tǒng)運行穩(wěn)定,，測量結果符合實際，完全達到了對信號高精度的采集與無線傳輸,，取得了較好的監(jiān)測效果,。該系統(tǒng)結合無線傳感網(wǎng)絡具有的低功耗、低成本和節(jié)點多等優(yōu)勢,，在無線通信技術遠距離,、高可靠性等關鍵問題解決過程中的應用會越來越廣泛。