袁穎，孫榮霞，李瑞，王碩南

　?。ê颖贝髮W(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002）

       摘要：為了監(jiān)測和研究環(huán)境參數(shù)對光伏電站的影響，提出了一種基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530芯片為控制核心實(shí)現(xiàn)了傳感節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件電路，且在ZSTACK協(xié)議棧基礎(chǔ)上，應(yīng)用改進(jìn)的ClusterTree算法組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)測，科研人員可遠(yuǎn)程登錄Yeelink平臺和手機(jī)APP查看光伏電站環(huán)境狀況。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏電站溫濕度、光照強(qiáng)度和氣壓信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)可靠性高，且網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收包率超過75%。

　　關(guān)鍵詞：光伏電站；ZigBee；實(shí)時(shí)監(jiān)測；Yeelink

　　中圖分類號：TP182文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.010

　　引用格式：袁穎，孫榮霞，李瑞，等.基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（3）：33-35，38.

0引言

　　太陽能電池生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備中射頻電源裝置的國產(chǎn)化研究(11213910D)目前，能源短缺和環(huán)境惡化成為制約各國經(jīng)濟(jì)增長的重要因素。為了降低能源消耗，各國都在探索新能源技術(shù)，而光伏發(fā)電是新能源不可或缺的一部分。雖然我國的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)取得了較大的研究成果，但仍有技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究［1］，其中一個(gè)關(guān)鍵問題是提高光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化率。光伏電池的光電轉(zhuǎn)化過程會(huì)受溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的影響，而面向科研人員研究光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化率的環(huán)境數(shù)據(jù)十分匱乏，嚴(yán)重制約了光伏技術(shù)的發(fā)展。此外，國內(nèi)的光伏電站多建立在偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般在無人值守的情況下運(yùn)行，而光伏電站的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)更是在建設(shè)之初就固定安裝，移動(dòng)拆卸都不方便，也無法全面地對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測［2］?；诖?，為了提高光伏發(fā)電環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)便于研究人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理、分析，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和ZigBee技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可多點(diǎn)采集光伏電站的溫濕度、光強(qiáng)和氣壓信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制中心兩部分。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)［3］。在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型、網(wǎng)狀和樹狀結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)為了提高WSN數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，采用了樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程控制中心主要包括Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺和監(jiān)測終端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)通過傳感節(jié)點(diǎn)采集光伏電站現(xiàn)場的溫濕度、光照強(qiáng)度和壓力信息，經(jīng)過電路處理，通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。傳感節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)環(huán)境需求靈活配置。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)［4］，把接收到的數(shù)據(jù)利用串口通信發(fā)送到Y(jié)eelink平臺。監(jiān)測人員在監(jiān)控室利用計(jì)算機(jī)或通過移動(dòng)監(jiān)測終端遠(yuǎn)程登錄Yeelink平臺就可直接對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，無需到現(xiàn)場。

2節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，以CC2530芯片作為主控芯片設(shè)計(jì)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要包括ZigBee模塊、采集模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及電源模塊，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　本系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊選用了增強(qiáng)型芯片CC2530的最小系統(tǒng)，CC2530不僅作為ZigBee模塊的核心芯片實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)信息的無線通信，同時(shí)也作為微處理器進(jìn)行控制。本系統(tǒng)選用的是CC2530F256，其內(nèi)部集成了高性能的2.4 GHz的RF收發(fā)器和低功耗的工業(yè)級的8051微控制器［5］；其在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA，特別適合要求電池長期供電的超低功耗應(yīng)用場合。由于CC2530功耗低、集成度高、硬件設(shè)計(jì)簡單且外設(shè)接口豐富，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。此模塊增加了數(shù)據(jù)存儲電路，用于存放采集的信息，以便在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況時(shí)可調(diào)取存儲的內(nèi)容重新發(fā)送。其電路如圖3所示。

　　2.2采集模塊

　　采集模塊通過傳感器收集電站現(xiàn)場的溫濕度、光照強(qiáng)度以及壓力參數(shù)，而參數(shù)信息的準(zhǔn)確程度對科研人員及時(shí)獲取環(huán)境參數(shù)有著重要作用。本設(shè)計(jì)以成本低、精度高和穩(wěn)定性好為原則，選用了數(shù)字溫濕度傳感器SHT11、光敏電阻5516和高分辨率數(shù)字氣壓傳感器MS5611-01BA03，所選用傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　2.3LCD顯示模塊

　　本系統(tǒng)中現(xiàn)場終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示均選擇的是ZLE12864A液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)日期、時(shí)間、溫度值、濕度值、光照強(qiáng)度值、氣壓值的實(shí)時(shí)顯示。本設(shè)計(jì)中顯示模塊采用3.3 V電源供電，其與主控芯片采用串行通信方式［6］，液晶電路控制芯片為ST7565P。顯示模塊引腳連接為SCLK→CC2530(P1.5)、MOSI→CC2530(P1.6)、Pin12→CC2530(P1.2)、Pin13→RST和Pin14→CC2530(P0.0)。

　　2.4電源模塊

　　電源模塊是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)各個(gè)電路需3.3 V供電，而各個(gè)節(jié)點(diǎn)使用5 V干電池供電，利用LM117穩(wěn)壓芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，電源模塊電路圖如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　3.1ZigBee路由算法

　　本設(shè)計(jì)應(yīng)用了改進(jìn)的ClusterTree路由算法，傳統(tǒng)的ClusterTree算法不需要存儲路由表，算法簡單，但是僅依靠節(jié)點(diǎn)間存在的父子關(guān)聯(lián)來轉(zhuǎn)發(fā)分組，使平均時(shí)延、跳數(shù)都增加［7］。在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上引入鄰居表，通過計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)并鄰居節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)進(jìn)行對比，在把數(shù)據(jù)傳遞到鄰居節(jié)點(diǎn)和直接沿目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送兩條路徑中選取更優(yōu)的，算法具體流程如圖5所示（Ds為源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度，Dd為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度）。數(shù)據(jù)傳輸過程中，重復(fù)使用改進(jìn)算法進(jìn)行計(jì)算，直到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。改進(jìn)的ClusterTree算法引入了鄰居表結(jié)合計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)的機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包前對兩類節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)計(jì)算對比，來尋找一條跳數(shù)小的傳送路徑。改進(jìn)算法有效地降低了能耗，并且提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

　　3.2節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)組建樹狀網(wǎng)絡(luò)，接收、處理和發(fā)送所有信息以及指令。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后掃描一個(gè)合適的信道并組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)［8］。組網(wǎng)成功后，開始接收節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)并傳送給Yeelink平臺，再向節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。

　　傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)電站現(xiàn)場溫濕度、光強(qiáng)和氣壓信息的采集和傳輸。節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)并初始化后，掃描網(wǎng)絡(luò)信道，并請求加入掃描到的無線網(wǎng)絡(luò)。成功入網(wǎng)后，開始信息采集和發(fā)送。采集節(jié)點(diǎn)設(shè)定為周期工作模式，如果無需采集數(shù)據(jù)，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低能耗。

　　3.3Yeelink平臺對接

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)平臺逐漸被用來儲存和管理傳感器數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)通過電腦、手機(jī)APP實(shí)時(shí)地顯示給用戶。Yeelink是國內(nèi)使用比較廣泛的一個(gè)平臺，本設(shè)計(jì)運(yùn)用Yeeink平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和儲存以及環(huán)境的控制，利用Yeelink平臺提供的Yeelink串口工具和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)COM2口實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信。

4測試及結(jié)果分析

　　系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，主要測試內(nèi)容為系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的收包率，以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，試驗(yàn)是針對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；測試對象為室內(nèi)空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度和氣壓；在室內(nèi)放置3個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)從2015年3月11日開始，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，采用加濕器、模擬光源和空調(diào)來調(diào)節(jié)溫濕度和光強(qiáng)。

　　以溫度為例進(jìn)行測試與分析，傳感節(jié)點(diǎn)采用了SHT11溫濕度傳感器（精度±0.4℃，±3.0%相對濕度），比對試驗(yàn)采用川儀的便攜式溫濕度計(jì)（精度±0.1℃，±0.1%相對濕度），從圖6中的溫度對比結(jié)果看，系統(tǒng)采集的溫度參數(shù)對比溫濕度計(jì)數(shù)值相差較小，溫度誤差保持在±0.5℃內(nèi)，可以滿足光伏電站使用。

　　圖6溫度對比試驗(yàn)曲線圖通過對比測試可知，系統(tǒng)的溫度誤差保持在±0.5℃內(nèi)，濕度誤差保持在±1.8%內(nèi)。氣壓對比試驗(yàn)采用370數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)，氣壓差保持在±1.4 hPa左右。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離在80 m以內(nèi)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收包率在75%以上，當(dāng)距離超過80 m，收包率大幅下降，因此在布網(wǎng)時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，節(jié)點(diǎn)間距離最多不超過80 m。通過連續(xù)試驗(yàn)，系統(tǒng)可及時(shí)反映采集的環(huán)境參數(shù)信息，并且可通過監(jiān)測終端遠(yuǎn)程登錄Yeelink平臺查看環(huán)境信息。

5結(jié)束語

　　為了實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏電站的環(huán)境信息，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)以CC2530為控制核心設(shè)計(jì)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件電路和軟件程序。同時(shí)，采用改進(jìn)的ClusterTree算法節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，降低了能耗，最終搭建了一個(gè)組網(wǎng)靈活、安裝方便、功耗低的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光伏電站的溫濕度、光照度和氣壓參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。經(jīng)過測試，采集數(shù)據(jù)可靠性高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可將天氣或其他數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，具有一定的實(shí)際推廣價(jià)值。

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