摘 要： 針對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測管理的需要，研發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其能對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可為供電系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)作為系統(tǒng)調(diào)控依據(jù)，使系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性得到保障，為發(fā)電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供監(jiān)測手段。
關(guān)鍵詞： ZigBee；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；無線傳感器；硬件設(shè)計(jì)
世界能源需求的不斷攀升和自然資源的日益枯竭，使得以高效和可持續(xù)的方式使用能源成為了當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和太陽能發(fā)電技術(shù)是目前各國都在積極發(fā)展的技術(shù)，具有廣闊的市場前景。但風(fēng)力發(fā)電和光能發(fā)電與光照強(qiáng)度、風(fēng)速、溫度等大氣環(huán)境因素密切相關(guān)，監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、溫度和濕度等大氣環(huán)境參數(shù)，對風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)管理、提高發(fā)電系統(tǒng)的工作效率都有著重要的實(shí)用價(jià)值。
本文研究的無線環(huán)境參數(shù)傳感器對5種環(huán)境變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行提供保障，以提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，保障發(fā)電系統(tǒng)有較高的工作效率，也為供電系統(tǒng)的調(diào)控提供可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)根據(jù)。
1 功能
ZigBee無線傳輸技術(shù)具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度及高靈活性等特點(diǎn)，降低了線路依賴性及安裝維護(hù)成本，具有自動(dòng)組網(wǎng)、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。風(fēng)力、光伏發(fā)電設(shè)備均放在野外無人值守的環(huán)境中工作[1-3]，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集有著特殊的優(yōu)越性。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域的眾多無線傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需要對監(jiān)測對象進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)以單跳或多跳的方式傳送給外部的用戶[4]。由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置需要監(jiān)測的位置是確定的，所以本課題研發(fā)的節(jié)點(diǎn)采用確定性部署方式。對于由于發(fā)電場地廣闊帶來的距離問題，通過增加適當(dāng)?shù)穆酚晒?jié)點(diǎn)[5]來解決。
本文研究的無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有以下功能。（1）可以同時(shí)檢測溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向這5項(xiàng)環(huán)境變量；（2）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、重發(fā)功能；（3）可以接收控制中心的命令并進(jìn)行各種工作參數(shù)設(shè)定；（4）具有自診斷功能。
2 無線傳感器的整體結(jié)構(gòu)
從網(wǎng)絡(luò)功能來看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)具備終端和路由器的功能，這對其硬件設(shè)計(jì)提出了較高的要求[6]。傳感器節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基本單元，由溫度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、濕度傳感器、單片機(jī)、電源芯片、無線通信模塊及相關(guān)接口電路組成，傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
傳感器數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理、存儲(chǔ)后由無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心。單片機(jī)還通過無線模塊接收命令，執(zhí)行相應(yīng)的處理。電源模塊將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的直流電壓經(jīng)過變換后給傳感器、單片機(jī)和無線模塊等供電。
3 硬件的選擇
3.1 處理器
處理器采用MSP430微處理器。該處理器可在線編程，遠(yuǎn)程升級(jí)，工作電壓僅為2.2 V~3.6 V，且價(jià)格低廉，功耗超低，具有超強(qiáng)抗干擾能力。
3.2 無線網(wǎng)絡(luò)模塊
無線網(wǎng)絡(luò)模塊采用IP-Link 1223無線通信芯片。IP-Link 1223模塊是基于IEEE 802.15.4/ZigBee技術(shù)的嵌入式無線模塊，具有高頻率、高工作速率、低功耗、小封裝、多頻道和較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。IP-Link 1223模塊的傳輸距離最大為200 m，添加上功率放大模塊，傳輸距離可達(dá)1 000 m~1 200 m，是遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的理想選擇[7]。IP-Link與單片機(jī)STC12LE5A60S2的接口電路[8]如圖2所示。
3.3 溫濕度傳感器
本設(shè)計(jì)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11功耗低，在5 V電源電壓下，工作平均最大電流為0.5 mA。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器連接方法如圖3所示。第1腳接電源正；第4腳接電源地；數(shù)據(jù)端為第2腳，可直接接主機(jī)（單片機(jī)）的I/O口，為提高穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)端和電源正之間接一只4.7 kΩ的上拉電阻；第3腳為空腳，不用。傳感器輸出腳與單片機(jī)的P4.6連接，通過單總線方式獲取所需數(shù)據(jù)[9]。
3.4 光照傳感器
光照傳感器采用BH1750FVI光照傳感器，它是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化。它通過I2C總線接口與單片機(jī)相連。光照傳感器的連接圖如圖4所示。
3.5 風(fēng)速風(fēng)向傳感器
采用FC-1風(fēng)速風(fēng)向傳感器。該傳感器由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和傳感器支架組成，動(dòng)態(tài)性能好、線性精度高、靈敏度高、測量范圍寬、互換性好、抗風(fēng)強(qiáng)度大、電路抗雷電干擾能力強(qiáng)、壽命長且工作可靠。風(fēng)速風(fēng)向傳感器的連接圖如圖5所示。
D0~D6是風(fēng)向傳感器7位格雷碼的輸出管腳；2號(hào)管腳為風(fēng)向傳感器的輸出管腳，由于輸出形式為頻率，因此與單片機(jī)能夠脈沖計(jì)數(shù)的P4.2管腳相連。
3.6 電源
電源采用LTC3112電源芯片，可在VIN高于、低于或等于VOUT的情況下獲得穩(wěn)壓輸出，輸入電壓范圍為2.7 V~15 V，輸出電壓范圍為2.5 V~14 V。電源芯片輸出5 V、3.3 V、12 V電壓的連接圖如6所示。
4 軟件功能
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器軟件的主要功能是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)測中心發(fā)送的命令的執(zhí)行和工作參數(shù)的設(shè)置。無線通信模塊IP-Link 1223中已經(jīng)封裝了完整的ZigBee通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件不用開發(fā)。
無線傳感器的軟件基本流程圖如圖7所示。
無線傳感器上電后，單片機(jī)和IP-Link 1223模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)中，單片機(jī)的初始化主要是對各個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置單片機(jī)串口的波特率，定時(shí)時(shí)間的長短以及中斷的優(yōu)先級(jí)。而IP-Link 1223模塊在初始化前必須等待10 s，由于通信模塊自身就包含處理器模塊及通信協(xié)議，上電后需要等待一段時(shí)間后以保證模塊進(jìn)入正常工作模式，之后單片機(jī)才能與通信模塊正常通信。
隨著新型能源的研究和發(fā)展，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)越來越多地被應(yīng)用在生產(chǎn)生活中。由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受到多種因素的制約，監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文主要探討了應(yīng)用ZigBee無線技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊的選擇、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)為無線傳感器的軟件設(shè)計(jì)及在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)的程序按照監(jiān)測過程主要包括了數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)與處理以及監(jiān)測界面。所組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、穩(wěn)定可靠、自組織、多性能等明顯超越其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，使其在環(huán)境監(jiān)控應(yīng)急事件等處理中，處于技術(shù)領(lǐng)先地位。
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