基于ZigBee的光伏照明控制系統(tǒng)設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序、終端節(jié)點程序和監(jiān)控計算機(jī)程序。監(jiān)控計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對光伏照明系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，LED路燈通斷控制，以及與之相連的另外一套光伏發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。監(jiān)控計算機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信通過二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行通信，每隔5 s發(fā)送1次采集命令。其數(shù)據(jù)包格式如下：

其中，數(shù)據(jù)包包頭(HEADER)占2字節(jié)，可設(shè)置為0x81、Ox82，用于區(qū)分是計算機(jī)數(shù)據(jù)包輸出還是數(shù)據(jù)包輸入；數(shù)據(jù)長度(LENGTH)為1字節(jié)；命令類型包括充電機(jī)數(shù)據(jù)采集、路燈開關(guān)狀態(tài)采集、環(huán)境參數(shù)采集等；數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由LENGTH指定；數(shù)據(jù)CRC校驗占1字節(jié)。
ZigBee節(jié)點程序是在TI公司提供的ZStack-1．4．3-1．2．1協(xié)議棧的基礎(chǔ)上編寫的，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立、節(jié)點加入和退出、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該協(xié)議棧將應(yīng)用層和堆棧層進(jìn)行了分離，提供了類似于操作系統(tǒng)的運行機(jī)制(OSAL)(主要包括任務(wù)的注冊、初始化、啟動，任務(wù)間的消息交換，任務(wù)同步，中斷處理，以及時間管理和內(nèi)存分配等)，具有很好的可移植性。
節(jié)點程序流程如圖5所示。當(dāng)對硬件和協(xié)議棧各層初始化后，采用有限狀態(tài)機(jī)以事件輪詢方式對事件進(jìn)行處理。如果同時有幾個事件發(fā)生，則判斷事件優(yōu)先級后逐次處理。該協(xié)議棧提供了豐富的API函數(shù)供用戶調(diào)用，這種軟件構(gòu)架可方便地構(gòu)造用戶應(yīng)用程序。由于對終端節(jié)點的供電是由光伏充電機(jī)根據(jù)監(jiān)控計算機(jī)的命令來控制，因此在正常情況下終端節(jié)點每天都會加人和退出網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee節(jié)點之間的通信有兩種尋址方式，分別通過固定的64位IEEE地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址來尋找網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。當(dāng)節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)時，它可以通過協(xié)調(diào)器隨機(jī)獲取唯一的l6位網(wǎng)絡(luò)地址。光伏照明系統(tǒng)要求能按照路燈的編號任意控制其點亮或者關(guān)閉，而要與特定節(jié)點通信必須采用IEEE地址，故利用TI公司提供的SmartRF軟件對ZigBee節(jié)點的64位IEEE地址進(jìn)行人工分配。協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點傳送數(shù)據(jù)使用AF_DataReqt-lest()函數(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)需要節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址作為參數(shù)，通過IEEE地址獲取16位網(wǎng)絡(luò)地址的功能由NLME_GetShortAddr()函數(shù)實現(xiàn)。程序設(shè)計中，在應(yīng)用層添加用戶所需要的任務(wù)，對接收到的事件進(jìn)行處理。節(jié)點在啟動時需完成以下工作：初始化CC2430和協(xié)議棧；幫助協(xié)調(diào)器節(jié)點建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)PAN ID，等待其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)；對監(jiān)控計算機(jī)傳送的命令進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)發(fā)；讀取路由器和各個終端節(jié)點發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計算機(jī)處理。
配置ZigBee設(shè)備對象(ZD0)端點時，網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點其端點ID和端點描述符必須相同，否則節(jié)點之間不能進(jìn)行通信。圖5的程序流程主要是針對用戶事件處理(包括串口事件、數(shù)據(jù)傳送事件、定時器事件等)，路由器和終端節(jié)點的程序設(shè)計流程類似，分別在用戶事件中根據(jù)協(xié)調(diào)
器發(fā)送的命令類型完成充電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、回傳，以及路燈開關(guān)控制。

結(jié)語
將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)用于光伏照明系統(tǒng)控制，具有通信距離遠(yuǎn)、成本低，維護(hù)方便等優(yōu)點，控制路燈總數(shù)可達(dá)64盞，覆蓋范圍大于300 m，并可以進(jìn)一步擴(kuò)展。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于建設(shè)部太陽能建筑應(yīng)用示范工程，且通過建設(shè)部驗收。