基于Zigbee的太陽能電池環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)

徐國保 黃清文

摘要

根據(jù)太陽能電池環(huán)境監(jiān)測具有分散、靈活、偏遠(yuǎn)等特點(diǎn)以及傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)布線繁瑣、維護(hù)困難等問題，本設(shè)計提出一種基于CC2530-Zigbee的由太陽能電池進(jìn)行供電的無線網(wǎng)絡(luò)電池環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)實時監(jiān)測平臺組成，兩個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)均采用太陽能電池和鈕電池組合供電的方式，可以實時監(jiān)測和記錄溫度、太陽能電池電壓等參數(shù)信息，并可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時顯示和存儲功能。

【關(guān)鍵詞】Zigbee CC2530 溫度 太陽能電池?zé)o線網(wǎng)絡(luò)

1 引言

太陽能電池在其運(yùn)行和操作過程中可能會因部分遮陰和老化而出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象，從而可能會嚴(yán)重影響太陽能電池的發(fā)電供電能力，又或者太陽能電池可能在某種情況下失去供電能力而在遠(yuǎn)處的用戶又不能知曉。為了確保太陽能電池供電系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行和工作，以及為了了解太陽能電池的周邊環(huán)境，使人們能夠更加高效地利用太陽能，我們需要對太陽能電池供電系統(tǒng)的各項周邊環(huán)境參數(shù)和太陽能電池的實時供電電量進(jìn)行測量和監(jiān)控。

早在2003年，美國國家自然科學(xué)基金委員會就開始了一系列的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃的實施，并聯(lián)合一些大學(xué)開展了嵌入式智能傳感器項目的研究，旨在構(gòu)建一個關(guān)于太陽能電池?zé)o線動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。而國內(nèi)的一些大學(xué)如武漢理工大學(xué)、湖南大學(xué)和華中科技大學(xué)等高校也陸續(xù)開始了對類似問題的研究，分別提出有線和無線的太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)。上訴研究雖然對太陽能電池環(huán)境方面作出了詳細(xì)的研究，但是很多關(guān)鍵細(xì)節(jié)往往不公開而且這些系統(tǒng)往往存在成本高、功耗大的缺陷。所以有必要設(shè)計一款基于成本比較低、功耗比較少的Zigbee無線傳感器技術(shù)、GPRS技術(shù)的太陽能電池環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本次研究結(jié)合公眾需求，基于無線網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)合傳感器，從而進(jìn)行對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，這次實驗具有一定的實際意義，也可滿足公眾對環(huán)境監(jiān)測方面的要求。

2 Zigbee無線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)源于20世紀(jì)70年代，這種技術(shù)最早是應(yīng)用于軍事科技領(lǐng)域，但是由于技術(shù)能力限制，該網(wǎng)絡(luò)只能獲取單一數(shù)據(jù)信號，兩個節(jié)點(diǎn)之間只能進(jìn)行簡單的點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，并不能實現(xiàn)廣播和組播。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為WPAN、VVLAN、WMAN和WWAN四種。Zigbee通信技術(shù)從2002年的Zigbee聯(lián)盟成立到2006年該聯(lián)盟推出了一種比較成熟協(xié)議—Zigbee-2006標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議己走過了多個年頭，而Zigbee技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。

Zigbee通信技術(shù)有良好的應(yīng)用前景，比如智能家居、智能商業(yè)大樓、智能儀表控制。在智能的商業(yè)大樓中可以使用Zigbee完成智能設(shè)備的自動控制，其大樓管理人員可以對于燈光、空調(diào)、火災(zāi)系統(tǒng)等各項重要開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制，以此實現(xiàn)減少能源費(fèi)用，降低人力資源管理成本的目的。對于消費(fèi)者來說，若家中安裝有Zigbee管理系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程地監(jiān)控家里各種開關(guān)、水利電力、煤氣是否泄漏、是否有外來人進(jìn)入等安全隱患，如若監(jiān)測到異樣可自動對戶主發(fā)出警報信號。作為全球經(jīng)濟(jì)總量排名第二的中國市場，Zigbee產(chǎn)品鏈的應(yīng)用有良好的發(fā)展前景，雖然本土的芯片供應(yīng)商的參與度有限，但是Zigbee應(yīng)用的成熟不需要很長時間。

3 總體設(shè)計

傳統(tǒng)的太陽能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是以單片機(jī)和射頻技術(shù)模塊組合設(shè)計而成的，其特點(diǎn)是編程簡單、容易實現(xiàn)和移植，但功耗比較高，成本也相對比較高，實用性較差;另外，用到的元器件比較多，不易于系統(tǒng)的長時間的運(yùn)行且不能進(jìn)行休眠或休眠的功能不容易實現(xiàn)。因此本設(shè)計采用Zigbee無線通信技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和研究，通過采集子節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個節(jié)點(diǎn)之間的通信。位于PC的上位機(jī)能實時顯示各項數(shù)據(jù)的情況，且增加高溫、高壓預(yù)警功能，保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行工作，在滿足大眾需求的情況下符合人性化、性價比比較高、功能容易實現(xiàn)。本設(shè)計主要分為兩部分制作：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計方面：采用現(xiàn)成Zigbee核心板和底板結(jié)合溫濕度傳感器和川）模塊實現(xiàn)溫濕度和電量的測量;軟件設(shè)計方面：利用IAR集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件程序的編輯、編譯和采用C#編程語言在VS2012開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行上位機(jī)程序的編寫，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

4 硬件設(shè)計

本設(shè)計主要分為四個部分：第一部分是由Zigbee芯片和傳感器模塊構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn);第二部分是由Zigbee芯片和GPRS模塊構(gòu)成協(xié)調(diào)器模塊;第三部分為太陽能電池供電模塊;第四部分為信息收集模塊。

4.1 CC2530 Zigbee芯片

Zigbee通信技術(shù)要應(yīng)用于功耗比較低、成本比較低以及運(yùn)行速率要求的低的監(jiān)控系統(tǒng)中。本設(shè)計采用的主控芯片為CC2530-Zigbee。CC2530芯片結(jié)合了強(qiáng)大的RE技術(shù)，以及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU。CC2530芯片有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。本設(shè)計采用的是CC2530F256，其具有幾種不同的運(yùn)行模式，使得它可以適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，非常適合用作以環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片。同時，CC2530F256結(jié)合了業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元Z-Stack協(xié)議棧，提供了一個強(qiáng)大而完整的Zigbec解決方案。

同時為了便于設(shè)備的維護(hù)以及日后的拓展使用，將Zigbee芯片的硬件分為兩部分，即是CC2530核心板和底板。核心板集射頻收發(fā)及MCU控制功能于一體，也集成了CC2530芯片正常工作的所有外部電路，滿足監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的需要。同時模塊引出CC2530所有IO口，便于功能評估與二次開發(fā)。CC2530底板連接著CH340G芯片，該信芯片與串口0相接，方便使用USB線進(jìn)行調(diào)試。同時，底板有CC_Debugger接口，可與仿真器連接直接下載或調(diào)試程序。由于CC2530芯片是3.3V供電的，所以底板連接著AMS1117-

3.3 芯片，實現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)變。

4.2 Zigbee協(xié)議棧

由于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)路協(xié)議很難適應(yīng)某些系統(tǒng)對低成本、低功耗、低容錯性的要求，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸又以無線網(wǎng)路通信協(xié)議為基礎(chǔ)，于是就出現(xiàn)了以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)的Zigbee協(xié)議來支持于Zigbee技術(shù)的發(fā)展。Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)接入控制層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成。其中Zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用框架AF、Zigbee設(shè)備象ZDO等。其中設(shè)備之間的綁定是在協(xié)議棧的APS層實現(xiàn)的，應(yīng)用支持子層APS在NWK層和APL層之間，并提供了兩個接口：APSDE-SAP、APSME-SAP，兩個接口的功能如下：前者提供在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)兩個或多個節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信;后者提供多種服務(wù)給應(yīng)用對象ZDO。EEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了物理層和MAC層的協(xié)議規(guī)范，而Zigbee聯(lián)盟中的Zigbec標(biāo)準(zhǔn)定義了NWK層以及APL層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，讓用戶可在這個應(yīng)用層上開發(fā)實現(xiàn)自己應(yīng)用的開發(fā)，其中Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如圖2所示。

太陽能電池模塊是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。在硅晶類的太陽能電池板中，當(dāng)吸收了太陽光中0.4μm～1.1μm波長的光時，就能把光能轉(zhuǎn)化為電能輸出。本設(shè)計采用的是9V3W的單晶太陽能板，其開路電壓可達(dá)到10.5V、短路電流可達(dá)400MA，并且該電池板可以直接加在6AV的鋰電池上而不需要添加穩(wěn)壓模塊。本設(shè)計配備一個發(fā)光二極管，可知道電池板是否正常。

本設(shè)計溫濕度測量采用的模塊是DHT11，DHT11傳感器模塊是一款在市面上應(yīng)用很廣泛的數(shù)字溫濕度傳感器。濕度測量范圍為20%-95%RH測量誤差為+5%RH;溫度測量范圍為0℃-50℃和測量誤差為±2℃。DHT11傳感器模塊采用一根總線通信的方式，也就是說數(shù)據(jù)的傳輸和控制都是通過一根總線完成的，這在一定程度上節(jié)省了單片機(jī)IO端口的使用，同時該傳感的整體的體積很小、功耗也很低，使其受到了很多用戶的青睞，因此適合本設(shè)計中對太陽能環(huán)境中溫濕度的測量，它的單總線通訊過程流程圖如圖3所示。

本設(shè)計電池電壓的測量方案采用的是內(nèi)部ADC功能實現(xiàn)的，其主要步驟如下：首先是確定ADC用要幾位進(jìn)制表示，它的最大數(shù)值是多少。例如一個8位的ADC，最大值是0xFF，就是255.本設(shè)計中Zigbee的IO口ADC是12位的，故最大值是4095。然后確定最大值對應(yīng)的參考電壓。一般而言最大值對應(yīng)的參考電壓是加在芯片上的電壓，為3.3V。接著計算10電壓值。就是把你ADC數(shù)值除以剛才確定的最大數(shù)值再乘以參考電壓。最后計算實際的電壓。因為IO口最大的輸入電壓不超過3.3V，故需要電阻分壓測量。本設(shè)計采用了兩個電阻：502歐姆和2K歐姆的電阻。故輸入電壓不超過3V，符合ADC電壓輸入的要求，所以電壓計算如式1所示。

其中Va表示AD轉(zhuǎn)換的值，V表示最終的電壓值。

本設(shè)計使用到GPRS模塊的功能是發(fā)送短消息，故采用的是模塊是果云GA6mini。該模塊的供電電壓為5V，并支持GSM/GPRS的四個頻段，包括850、900、1800和1900MHZ。正常的工作溫度范圍是-30℃-+80℃，并且支持移動和聯(lián)通2G，支持GSM 07.10協(xié)議，使用的AT指令支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集。該模塊具有尺寸較小、功耗較低和寬工位溫度范圍的特點(diǎn)，適合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的要求。當(dāng)發(fā)生高溫、高壓警報時，由協(xié)調(diào)器和GPRS模塊通信發(fā)送警報短信到預(yù)設(shè)的手機(jī)號碼。短信信息包括：節(jié)點(diǎn)序號和何種預(yù)警信號，其流程圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)工作流程

在協(xié)調(diào)器主控程序中，首先進(jìn)行了設(shè)備的初始化，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)建好后開始等待終端設(shè)備的加入。當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后開始向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，通過串口。把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上位機(jī)顯示。若協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)為警報數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器會判斷是哪個節(jié)點(diǎn)發(fā)出的何種警報，然后調(diào)用警報函數(shù)通過GPRS模塊把警報短信發(fā)送到預(yù)設(shè)的手機(jī)號碼上。若協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，則會把數(shù)據(jù)廣播到終端子節(jié)點(diǎn)上，其流程圖如圖5所示。

在終端節(jié)點(diǎn)主控程序中，首先進(jìn)行設(shè)備的初始化，然后根據(jù)Zigbee協(xié)議棧搜索附近的無線網(wǎng)絡(luò)并請求加入，加入網(wǎng)絡(luò)后會根據(jù)設(shè)置定時采集溫濕度和電壓數(shù)據(jù)并判斷是否超過預(yù)設(shè)值，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。若該終端收到了協(xié)調(diào)器發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，則會判斷數(shù)據(jù)的類型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)作出修改，修改后返回成功標(biāo)志，其流程圖如圖6所示。

6 上位機(jī)設(shè)計

本設(shè)計采用C#語言來編寫上位機(jī)軟件程序。該語言是一門穩(wěn)定、簡單、安全的，是由C語言和C++語言衍變出來的編程語言，故其很好地繼承了C與C++語言的強(qiáng)大功能，同時又剔除了C與C++語言的一些特性。其可視化的界面、高運(yùn)行效率、便捷的面向組件編程的支持受到了許多用戶的青睞。上位機(jī)的功能是與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，完成溫濕度、電壓數(shù)據(jù)的實時顯示、保存等功能，并且用戶可在上位機(jī)上進(jìn)行操作，例如改變數(shù)據(jù)的定時發(fā)送的時間、獲取節(jié)點(diǎn)的實時數(shù)據(jù)以及停止/開始節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集功能，方便用戶對數(shù)據(jù)的分析和處理，其中上位機(jī)效果圖如圖7所示。本文設(shè)計的系統(tǒng)采集實時數(shù)據(jù)效果圖如圖8所示，電壓警報的效果圖如圖9所示，上位機(jī)高溫高壓警報如圖10所示。

7 結(jié)語

本設(shè)計是基于Zigbee技術(shù)的一項應(yīng)用，通過終端、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)之間的通信，形成一個功能強(qiáng)大的太陽能電池環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅可以采集各個節(jié)點(diǎn)的溫濕度、電池電壓數(shù)據(jù)，也可以通過控制GPRS模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程短信報警。同時位于PC端的上位機(jī)可以改變終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，以實現(xiàn)更加智能化的效果。這類監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用前景是很廣泛的，比如太陽能路燈、共享單車供電系統(tǒng)、森林、海島、沙漠供電系統(tǒng)中都使用了大量的太陽能電池板，而Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)功耗低、制作成本低、數(shù)據(jù)傳輸性能好，故太陽能電池環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)很適合應(yīng)用于這些場合。

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