太陽(yáng)能電池環(huán)境監測系統研究論文
摘要：根據太陽(yáng)能電池環(huán)境監測具有分散、靈活、偏遠等特點(diǎn)以及傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)繁瑣、維護困難等問(wèn)題，本設計提出一種基于CC2530-Zigbee的由太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電池環(huán)境監測系統。本系統由數據采集終端節點(diǎn)和上位機實(shí)時(shí)監測平臺組成，兩個(gè)數據采集節點(diǎn)均采用太陽(yáng)能電池和鋰電池組合供電的方式,可以實(shí)時(shí)監測和記錄溫度、太陽(yáng)能電池電壓等參數信息,并可將采集到的數據經(jīng)Zigbee網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸到監測平臺,實(shí)現數據的即時(shí)顯示和存儲功能。
【關(guān)鍵詞】ZigbeeCC2530；溫度；太陽(yáng)能電池；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )
1引言
太陽(yáng)能電池在其運行和操作過(guò)程中可能會(huì )因部分遮陰和老化而出現熱斑現象，從而可能會(huì )嚴重影響太陽(yáng)能電池的發(fā)電供電能力，又或者太陽(yáng)能電池可能在某種情況下失去供電能力而在遠處的用戶(hù)又不能知曉。為了確保太陽(yáng)能電池供電系統能夠正常的運行和工作,以及為了了解太陽(yáng)能電池的周邊環(huán)境，使人們能夠更加高效地利用太陽(yáng)能，我們需要對太陽(yáng)能電池供電系統的各項周邊環(huán)境參數和太陽(yáng)能電池的實(shí)時(shí)供電電量進(jìn)行測量和監控。早在2003年，美國國家自然科學(xué)基金委員會(huì )就開(kāi)始了一系列的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究計劃的實(shí)施，并聯(lián)合一些大學(xué)開(kāi)展了嵌入式智能傳感器項目的研究，旨在構建一個(gè)關(guān)于太陽(yáng)能電池無(wú)線(xiàn)動(dòng)態(tài)的監測系統。而國內的一些大學(xué)如武漢理工大學(xué)、湖南大學(xué)和華中科技大學(xué)等高校也陸續開(kāi)始了對類(lèi)似問(wèn)題的研究，分別提出有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的太陽(yáng)能發(fā)電監測系統。上訴研究雖然對太陽(yáng)能電池環(huán)境方面作出了詳細的研究，但是很多關(guān)鍵細節往往不公開(kāi)而且這些系統往往存在成本高、功耗大的缺陷。所以有必要設計一款基于成本比較低、功耗比較少的Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)、GPRS技術(shù)的太陽(yáng)能電池環(huán)境監測系統。本次研究結合公眾需求，基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、聯(lián)合傳感器，從而進(jìn)行對數據的實(shí)時(shí)監測，這次實(shí)驗具有一定的實(shí)際意義，也可滿(mǎn)足公眾對環(huán)境監測方面的要求。
2Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展現狀
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)源于20世紀70年代，這種技術(shù)最早是應用于軍事科技領(lǐng)域，但是由于技術(shù)能力限制，該網(wǎng)絡(luò )只能獲取單一數據信號，兩個(gè)節點(diǎn)之間只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)的數據通信，并不能實(shí)現廣播和組播。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以分為WPAN、WLAN、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標準協(xié)議已走過(guò)了多個(gè)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完成智能設備的自動(dòng)控制，其大樓管理人員可以對于燈光、空調、火災系統等各項重要開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠程智能控制，以此實(shí)現減少能源費用，降低人力資源管理成本的'目的。對于消費者來(lái)說(shuō)，若家中安裝有Zigbee管理系統，可以遠程地監控家里各種開(kāi)關(guān)、水利電力、煤氣是否泄漏、是否有外來(lái)人進(jìn)入等安全隱患，如若監測到異樣可自動(dòng)對戶(hù)主發(fā)出警報信號。作為全球經(jīng)濟總量排名第二的中國市場(chǎng)，Zigbee產(chǎn)品鏈的應用有良好的發(fā)展前景，雖然本土的芯片供應商的參與度有限，但是Zigbee應用的成熟不需要很長(cháng)時(shí)間。
3總體設計
傳統的太陽(yáng)能環(huán)境監測系統是以單片機和射頻技術(shù)模塊組合設計而成的，其特點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單、容易實(shí)現和移植，但功耗比較高，成本也相對比較高，實(shí)用性較差；另外，用到的元器件比較多，不易于系統的長(cháng)時(shí)間的運行且不能進(jìn)行休眠或休眠的功能不容易實(shí)現。因此本設計采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，通過(guò)采集子節點(diǎn)和協(xié)調器的通信實(shí)現數據在兩個(gè)節點(diǎn)之間的通信。位于PC的上位機能實(shí)時(shí)顯示各項數據的情況，且增加高溫、高壓預警功能，保護系統的正常運行工作，在滿(mǎn)足大眾需求的情況下符合人性化、性?xún)r(jià)比比較高、功能容易實(shí)現。本設計主要分為兩部分制作：硬件設計和軟件設計。硬件設計方面：采用現成Zigbee核心板和底板結合溫濕度傳感器和AD模塊實(shí)現溫濕度和電量的測量；軟件設計方面：利用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件程序的編輯、編譯和采用C#編程語(yǔ)言在VS2012開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行上位機程序的編寫(xiě)，系統總體框圖如圖1所示。
4硬件設計
本設計主要分為四個(gè)部分：第一部分是由Zigbee芯片和傳感器模塊構成的數據采集子節點(diǎn)；第二部分是由Zigbee芯片和GPRS模塊構成協(xié)調器模塊；第三部分為太陽(yáng)能電池供電模塊；第四部分為信息收集模塊。
4.1CC2530Zigbee芯片Zigbee
通信技術(shù)要應用于功耗比較低、成本比較低以及運行速率要求的低的監控系統中。本設計采用的主控芯片為CC2530-Zigbee。CC2530芯片結合了強大的RF技術(shù)，以及業(yè)界標準的增強型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。本設計采用的是CC2530F256，其具有幾種不同的運行模式，使得它可以適應超低功耗要求的系統，非常適合用作以環(huán)境監測系統的主控芯片。同時(shí)，CC2530F256結合了業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元Z-Stack協(xié)議棧，提供了一個(gè)強大而完整的Zigbee解決方案。同時(shí)為了便于設備的維護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(mǎn)足監測系統開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí)模塊引出CC2530所有IO口，便于功能評估與二次開(kāi)發(fā)。CC2530底板連接著(zhù)CH340G芯片，該信芯片與串口0相接，方便使用USB線(xiàn)進(jìn)行調試。同時(shí)，底板有CC_Debugger接口，可與仿真器連接直接下載或調試程序。由于CC2530芯片是3.3V供電的，所以底板連接著(zhù)AMS1117-3.3芯片，實(shí)現5V到3.3V的轉變。
4.2Zigbee協(xié)議棧
由于傳統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路協(xié)議很難適應某些系統對低成本、低功耗、低容錯性的要求，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間進(jìn)行數據信息傳輸又以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路通信協(xié)議為基礎，于是就出現了以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎的Zigbee協(xié)議來(lái)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、應用層、網(wǎng)絡(luò )層構成。其中Zigbee應用層包括應用支持子層APS、應用框架AF、Zigbee設備象ZDO等。其中設備之間的綁定是在協(xié)議棧的APS層實(shí)現的，應用支持子層APS在NWK層和APL層之間，并提供了兩個(gè)接口：APSDE-SAP、APSME-SAP，兩個(gè)接口的功能如下：前者提供在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內兩個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)之間的數據通信；后者提供多種服務(wù)給應用對象ZDO。IEEE802.15.4標準規定了物理層和MAC層的協(xié)議規范，而Zigbee聯(lián)盟中的Zigbee標準定義了NWK層以及APL層的協(xié)議標準，讓用戶(hù)可在這個(gè)應用層上開(kāi)發(fā)實(shí)現自己應用的開(kāi)發(fā)，其中Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議如圖2所示。太陽(yáng)能電池模塊是太陽(yáng)能發(fā)電系統中價(jià)值最高的部分，其作用是將太陽(yáng)能轉化為電能，或送往電池中存儲起來(lái)，或推動(dòng)負載工作。在硅晶類(lèi)的太陽(yáng)能電池板中，當吸收了太陽(yáng)光中0.4μm～1.1μm波長(cháng)的光時(shí)，就能把光能轉化為電能輸出。本設計采用的是9V3W的單晶太陽(yáng)能板，其開(kāi)路電壓可達到10.5V、短路電流可達400MA，并且該電池板可以直接加在6.4V的鋰電池上而不需要添加穩壓模塊。本設計配備一個(gè)發(fā)光二極管，可知道電池板是否正常。本設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用很廣泛的數字溫濕度傳感器。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(xiàn)通信的方式，也就是說(shuō)數據的傳輸和控制都是通過(guò)一根總線(xiàn)完成的，這在一定程度上節省了單片機IO端口的使用，同時(shí)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(hù)的青睞，因此適合本設計中對太陽(yáng)能環(huán)境中溫濕度的測量，它的單總線(xiàn)通訊過(guò)程流程圖如圖3所示。本設計電池電壓的測量方案采用的是內部ADC功能實(shí)現的，其主要步驟如下：首先是確定ADC用要幾位進(jìn)制表示，它的最大數值是多少。例如一個(gè)8位的ADC，最大值是0xFF，就是255。本設計中Zigbee的IO口A(yíng)DC是12位的，故最大值是4095。然后確定最大值對應的參考電壓。一般而言最大值對應的參考電壓是加在芯片上的電壓，為3.3V。接著(zhù)計算IO電壓值。就是把你ADC數值除以剛才確定的最大數值再乘以參考電壓。最后計算實(shí)際的電壓。因為IO口最大的輸入電壓不超過(guò)3.3V，故需要電阻分壓測量。本設計采用了兩個(gè)電阻：502歐姆和2K歐姆的電阻。故輸入電壓不超過(guò)3V，符合ADC電壓輸入的要求，所以電壓計算如式1所示。（1）其中Va表示AD轉換的值，V表示最終的電壓值。本設計使用到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(gè)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(dòng)和聯(lián)通2G,支持GSM07.10協(xié)議,使用的AT指令支持標準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)境監測系統的要求。當發(fā)生高溫、高壓警報時(shí)，由協(xié)調器和GPRS模塊通信發(fā)送警報短信到預設的手機號碼。短信信息包括：節點(diǎn)序號和何種預警信號，其流程圖如圖4所示。
5系統工作流程
在協(xié)調器主控程序中，首先進(jìn)行了設備的初始化，當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建好后開(kāi)始等待終端設備的加入。當設備加入網(wǎng)絡(luò )后開(kāi)始向協(xié)調器發(fā)送數據，協(xié)調器收到數據后，通過(guò)串口0把收到的數據發(fā)送到PC上位機顯示。若協(xié)調器接收的數據為警報數據，協(xié)調器會(huì )判斷是哪個(gè)節點(diǎn)發(fā)出的何種警報，然后調用警報函數通過(guò)GPRS模塊把警報短信發(fā)送到預設的手機號碼上。若協(xié)調器收到上位機發(fā)送的數據，則會(huì )把數據廣播到終端子節點(diǎn)上，其流程圖如圖5所示。在終端節點(diǎn)主控程序中，首先進(jìn)行設備的初始化，然后根據Zigbee協(xié)議棧搜索附近的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )并請求加入，加入網(wǎng)絡(luò )后會(huì )根據設置定時(shí)采集溫濕度和電壓數據并判斷是否超過(guò)預設值，然后把數據發(fā)送到協(xié)調器。若該終端收到了協(xié)調器發(fā)送出來(lái)的數據，則會(huì )判斷數據的類(lèi)型，然后根據數據作出修改，修改后返回成功標志，其流程圖如圖6所示。
6上位機設計
本設計采用C#語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)上位機軟件程序。該語(yǔ)言是一門(mén)穩定、簡(jiǎn)單、安全的，是由C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言衍變出來(lái)的編程語(yǔ)言，故其很好地繼承了C與C++語(yǔ)言的強大功能，同時(shí)又剔除了C與C++語(yǔ)言的一些特性。其可視化的界面、高運行效率、便捷的面向組件編程的支持受到了許多用戶(hù)的青睞。上位機的功能是與協(xié)調器進(jìn)行通信，完成溫濕度、電壓數據的實(shí)時(shí)顯示、保存等功能，并且用戶(hù)可在上位機上進(jìn)行操作，例如改變數據的定時(shí)發(fā)送的時(shí)間、獲取節點(diǎn)的實(shí)時(shí)數據以及停止/開(kāi)始節點(diǎn)的數據采集功能，方便用戶(hù)對數據的分析和處理，其中上位機效果圖如圖7所示。本文設計的系統采集實(shí)時(shí)數據效果圖如圖8所示，電壓警報的效果圖如圖9所示，上位機高溫高壓警報如圖10所示。
7結語(yǔ)
本設計是基于Zigbee技術(shù)的一項應用，通過(guò)終端、協(xié)調器和上位機之間的通信，形成一個(gè)功能強大的太陽(yáng)能電池環(huán)境監測系統，系統不僅可以采集各個(gè)節點(diǎn)的溫濕度、電池電壓數據，也可以通過(guò)控制GPRS模塊實(shí)現遠程短信報警。同時(shí)位于PC端的上位機可以改變終端節點(diǎn)的狀態(tài)，以實(shí)現更加智能化的效果。這類(lèi)監測系統應用前景是很廣泛的，比如太陽(yáng)能路燈、共享單車(chē)供電系統、森林、海島、沙漠供電系統中都使用了大量的太陽(yáng)能電池板，而Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)功耗低、制作成本低、數據傳輸性能好，故太陽(yáng)能電池環(huán)境監測系統很適合應用于這些場(chǎng)合。
作者：徐國保 黃清文
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