太陽能電池環境監測系統研究論文
摘要：根據太陽能電池環境監測具有分散、靈活、偏遠等特點以及傳統有線網絡布線繁瑣、維護困難等問題，本設計提出一種基于CC2530-Zigbee的由太陽能電池進行供電的無線網絡電池環境監測系統。本系統由數據采集終端節點和上位機實時監測平臺組成，兩個數據采集節點均采用太陽能電池和鋰電池組合供電的方式,可以實時監測和記錄溫度、太陽能電池電壓等參數信息,并可將采集到的數據經Zigbee網絡無線傳輸到監測平臺,實現數據的即時顯示和存儲功能。
【關鍵詞】ZigbeeCC2530；溫度；太陽能電池；無線網絡
1引言
太陽能電池在其運行和操作過程中可能會因部分遮陰和老化而出現熱斑現象，從而可能會嚴重影響太陽能電池的發電供電能力，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處的用戶又不能知曉。為了確保太陽能電池供電系統能夠正常的運行和工作,以及為了了解太陽能電池的周邊環境，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的各項周邊環境參數和太陽能電池的實時供電電量進行測量和監控。早在2003年，美國國家自然科學基金委員會就開始了一系列的無線傳感器網絡研究計劃的實施，并聯合一些大學開展了嵌入式智能傳感器項目的研究，旨在構建一個關于太陽能電池無線動態的監測系統。而國內的一些大學如武漢理工大學、湖南大學和華中科技大學等高校也陸續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電監測系統。上訴研究雖然對太陽能電池環境方面作出了詳細的研究，但是很多關鍵細節往往不公開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無線傳感器技術、GPRS技術的太陽能電池環境監測系統。本次研究結合公眾需求，基于無線網絡、聯合傳感器，從而進行對數據的實時監測，這次實驗具有一定的實際意義，也可滿足公眾對環境監測方面的要求。
2Zigbee無線技術的發展現狀
無線傳感器網絡技術源于20世紀70年代，這種技術最早是應用于軍事科技領域，但是由于技術能力限制，該網絡只能獲取單一數據信號，兩個節點之間只能進行簡單的點對點的數據通信，并不能實現廣播和組播。無線網絡技術可以分為WPAN、WLAN、WMAN和WWAN四種。Zigbee通信技術從2002年的Zigbee聯盟成立到2006年該聯盟推出了一種比較成熟協議—Zigbee-2006標準協議已走過了多個年頭，而Zigbee技術也得到了快速的發展。Zigbee通信技術有良好的應用前景，比如智能家居、智能商業大樓、智能儀表控制。在智能的商業大樓中可以使用Zigbee完成智能設備的自動控制，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關進行遠程智能控制，以此實現減少能源費用，降低人力資源管理成本的'目的。對于消費者來說，若家中安裝有Zigbee管理系統，可以遠程地監控家里各種開關、水利電力、煤氣是否泄漏、是否有外來人進入等安全隱患，如若監測到異樣可自動對戶主發出警報信號。作為全球經濟總量排名第二的中國市場，Zigbee產品鏈的應用有良好的發展前景，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時間。
3總體設計
傳統的太陽能環境監測系統是以單片機和射頻技術模塊組合設計而成的，其特點是編程簡單、容易實現和移植，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，不易于系統的長時間的運行且不能進行休眠或休眠的功能不容易實現。因此本設計采用Zigbee無線通信技術進行開發和研究，通過采集子節點和協調器的通信實現數據在兩個節點之間的通信。位于PC的上位機能實時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。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模塊實現溫濕度和電量的測量；軟件設計方面：利用IAR集成開發環境進行軟件程序的編輯、編譯和采用C#編程語言在VS2012開發環境下進行上位機程序的編寫，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；第二部分是由Zigbee芯片和GPRS模塊構成協調器模塊；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。
4.1CC2530Zigbee芯片Zigbee
通信技術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，以及業界標準的增強型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，非常適合用作以環境監測系統的主控芯片。同時，CC2530F256結合了業界領先的黃金單元Z-Stack協議棧，提供了一個強大而完整的Zigbee解決方案。同時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，滿足監測系統開發的需要。同時模塊引出CC2530所有IO口，便于功能評估與二次開發。CC2530底板連接著CH340G芯片，該信芯片與串口0相接，方便使用USB線進行調試。同時，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AMS1117-3.3芯片，實現5V到3.3V的轉變。
4.2Zigbee協議棧
由于傳統的無線傳感器網路協議很難適應某些系統對低成本、低功耗、低容錯性的要求，而無線傳感器網絡節點之間進行數據信息傳輸又以無線網路通信協議為基礎，于是就出現了以IEEE802.15.4協議為基礎的Zigbee協議來支持于Zigbee技術的發展。Zigbee協議棧由物理層、介質接入控制層、應用層、網絡層構成。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議棧的APS層實現的，應用支持子層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絡內兩個或多個節點之間的數據通信；后者提供多種服務給應用對象ZDO。IEEE802.15.4標準規定了物理層和MAC層的協議規范，而Zigbee聯盟中的Zigbee標準定義了NWK層以及APL層的協議標準，讓用戶可在這個應用層上開發實現自己應用的開發，其中Zigbee無線網絡協議如圖2所示。太陽能電池模塊是太陽能發電系統中價值最高的部分，其作用是將太陽能轉化為電能，或送往電池中存儲起來，或推動負載工作。在硅晶類的太陽能電池板中，當吸收了太陽光中0.4μm～1.1μm波長的光時，就能把光能轉化為電能輸出。本設計采用的是9V3W的單晶太陽能板，其開路電壓可達到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。本設計配備一個發光二極管，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通信的方式，也就是說數據的傳輸和控制都是通過一根總線完成的，這在一定程度上節省了單片機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，因此適合本設計中對太陽能環境中溫濕度的測量，它的單總線通訊過程流程圖如圖3所示。本設計電池電壓的測量方案采用的是內部ADC功能實現的，其主要步驟如下：首先是確定ADC用要幾位進制表示，它的最大數值是多少。例如一個8位的ADC，最大值是0xFF，就是255。本設計中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。（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℃，并且支持移動和聯通2G,支持GSM07.10協議,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,適合環境監測系統的要求。當發生高溫、高壓警報時，由協調器和GPRS模塊通信發送警報短信到預設的手機號碼。短信信息包括：節點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
在協調器主控程序中，首先進行了設備的初始化，當無線網絡建好后開始等待終端設備的加入。當設備加入網絡后開始向協調器發送數據，協調器收到數據后，通過串口0把收到的數據發送到PC上位機顯示。若協調器接收的數據為警報數據，協調器會判斷是哪個節點發出的何種警報，然后調用警報函數通過GPRS模塊把警報短信發送到預設的手機號碼上。若協調器收到上位機發送的數據，則會把數據廣播到終端子節點上，其流程圖如圖5所示。在終端節點主控程序中，首先進行設備的初始化，然后根據Zigbee協議棧搜索附近的無線網絡并請求加入，加入網絡后會根據設置定時采集溫濕度和電壓數據并判斷是否超過預設值，然后把數據發送到協調器。若該終端收到了協調器發送出來的數據，則會判斷數據的類型，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#語言來編寫上位機軟件程序。該語言是一門穩定、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。上位機的功能是與協調器進行通信，完成溫濕度、電壓數據的實時顯示、保存等功能，并且用戶可在上位機上進行操作，例如改變數據的定時發送的時間、獲取節點的實時數據以及停止/開始節點的數據采集功能，方便用戶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時數據效果圖如圖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
本設計是基于Zigbee技術的一項應用，通過終端、協調器和上位機之間的通信，形成一個功能強大的太陽能電池環境監測系統，系統不僅可以采集各個節點的溫濕度、電池電壓數據，也可以通過控制GPRS模塊實現遠程短信報警。同時位于PC端的上位機可以改變終端節點的狀態，以實現更加智能化的效果。這類監測系統應用前景是很廣泛的，比如太陽能路燈、共享單車供電系統、森林、海島、沙漠供電系統中都使用了大量的太陽能電池板，而Zigbee無線網絡傳輸技術功耗低、制作成本低、數據傳輸性能好，故太陽能電池環境監測系統很適合應用于這些場合。
作者：徐國保 黃清文
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