范源源 李小龍 易云飛

（1.桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林 541004；2.河池學院 計算機與信息工程學院，廣西 宜州 546300；3.湖南工商大學 計算機與信息工程學院，湖南 長沙 410205）

0 引言

當今科技的發(fā)展突飛猛進，各種傳統(tǒng)技術以及設備性能很難滿足人們生活上的物質(zhì)需求，取而代之的是現(xiàn)代先進化、智能化、自動化技術的設備。 物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展使得科技圍繞在人們的生活，而無線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展領域的一種局域網(wǎng)技術，也是當今物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個主要方向，廣泛應用于工業(yè)、林業(yè)、礦業(yè)預警、環(huán)境監(jiān)測等領域[1]。 如管萬春研究了基于無線傳感網(wǎng)絡的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時處理和海洋氣象與災害預報預測等功能[2]；陳為星則設計了基于無線傳感網(wǎng)絡的森林火災預警防控系統(tǒng)，利用傳感器網(wǎng)絡對森林中的一氧化碳、溫濕度以及煙霧濃度、火焰信號等進行檢測[3]；而以上的兩種監(jiān)測系統(tǒng)均是利用蓄電池作為電源的無線傳感網(wǎng)絡。 傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡受能量限制和工作環(huán)境的影響，網(wǎng)絡工作壽命較短，信息采集效率較低。針對這些問題[4]，本系統(tǒng)設計采用ZigBee 無線傳感網(wǎng)技術結合MPPT 技術實現(xiàn)星狀組網(wǎng)模式進行網(wǎng)絡組網(wǎng)和太陽能供電系統(tǒng)的分析[5]，從而解決最大充電效率以及自供電的問題。 利用太陽能獨有的無污染、能源再生特點，使之與ZigBee 技術結合實現(xiàn)一種基于自供電無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計框架如圖1 所示，系統(tǒng)設計是由太陽能光伏電池板、ZigBee 模塊、Mos 管驅(qū)動模塊、肖特基二極管、各種傳感器、鋰電池、上位機控制軟件組成。太陽能光伏電池板開路電壓輸出9 V、功率10 W，為系統(tǒng)主要的充電和供電電源；ZigBee 模塊主要由CC2530 作為主控芯片， 其中還包含 32 MHz 以及32.768 kHz 晶振，由于系統(tǒng)設計需求可將ZigBee 模塊分為終端設備及協(xié)調(diào)器部分；Mos 管及其驅(qū)動模塊由NMos 管和三極管組成的控制電路， 可以經(jīng)過單片機I/O 口輸出PWM 脈寬控制輸出不同電壓，具有防過充保護性能[6]；肖特二極管用于電路中電流單向?qū)?，防止反向擊穿破環(huán)電路元件； 各種傳感器包括MAX471傳感器、溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器組成；鋰電池用于系統(tǒng)供電以及充電； 上位機控制軟件由chart、key、TextBoX 等組件組成。 由于本系統(tǒng)包含終端設備和協(xié)調(diào)器，因此，通信采用組網(wǎng)技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，分布不同環(huán)境的終端設備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線通信網(wǎng)絡發(fā)送至協(xié)調(diào)器[7]，協(xié)調(diào)器以廣播方式發(fā)指令控制終端設備，并通過串口上傳數(shù)據(jù)到上位機控制軟件，即可動態(tài)觀察顯示充電功率的正弦波。

圖1 系統(tǒng)總體框架設計

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件設計部分主要由ZigBee 模塊、Mos 管及其驅(qū)動模塊、肖特基二極管、各種傳感器組成。 終端設備通過各種傳感器采集電流電壓的數(shù)據(jù)進行比較分析， 用單片機I/O 口輸出PWM 脈寬控制Mos 管及其驅(qū)動模塊來跟蹤最大功率點， 以達到最佳充電狀態(tài)，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器串口上傳至上位機控制軟件。 其中肖特基二極管的作用是電流單向?qū)ǎ?可以實現(xiàn)太陽能光伏板和電池同時給單片機供電，從而實現(xiàn)自供電無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能。 圖2 是本系統(tǒng)的主要功能流程圖。

圖2 主要功能流程圖

3 軟件設計

系統(tǒng)采用終端設備、協(xié)調(diào)器、上位機控制軟件組成實現(xiàn)局域網(wǎng)無線通信。 終端設備與協(xié)調(diào)器之間的通信采用IEEE802.15.4 無線傳感網(wǎng)協(xié)議， 該協(xié)議采用載波偵聽多路訪問（CSMA-CA）協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中有效避免數(shù)據(jù)沖突，降低了丟包率，從而使網(wǎng)絡整體性能得到優(yōu)化[8]。 在系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信過程中，可分為數(shù)據(jù)分析及控制和數(shù)據(jù)傳輸兩部分， 數(shù)據(jù)的分析及控制是指終端設備對系統(tǒng)中的電流電壓監(jiān)測并使用MPPT 算法分析，最終通過單片機I/O 端口輸出PWM 脈寬調(diào)制控制Mos 管及其驅(qū)動模塊輸出恒定的電壓，實現(xiàn)最大功率跟蹤；數(shù)據(jù)傳輸包括協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播指令后， 終端設備接收到指令后通過周期性發(fā)送單波方式傳輸數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器， 協(xié)調(diào)器再通過辨別終端設備的ID 號以串口方式上傳數(shù)據(jù)到上位機控制軟件[9]。 如圖3 所示。

圖4 是終端節(jié)點采用MPPT 算法實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)分析處理部分程序設計以及算法框架圖。 利用MPPT 算法中的恒壓采集法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理， 再依據(jù)AD 采集特性， 首先掃描80%以下的脈寬尋找最大功率點，如果不在80%以下范圍，則繼續(xù)往上加10%掃描最大功率點，如果未尋找到最大功率點，則繼續(xù)往上加10%掃描最大功率點。 在尋找到某一個適合電池充電的功率點后， 單片機輸出PWM 脈寬控制Mos 管及其驅(qū)動模塊輸出最大功率。 在定時器模式下輸出恒定點的占空比不變， 而系統(tǒng)實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，定時發(fā)送無線消息。 如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設計框架

圖4 MPPT 算法框架圖

本系統(tǒng)采用的串口通信方式實現(xiàn)從協(xié)調(diào)器上發(fā)送功能指令、接收應答數(shù)據(jù)并實時顯示通信過程[10]。 上位機控制軟件通過解析字符串即能實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、 存儲及波形界面， 同時上位機控軟件可通過按鍵發(fā)送指令至協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器發(fā)送指令控制節(jié)點，實現(xiàn)對節(jié)點的實時監(jiān)控。 圖5 為服務器控制端程序設計框架。

圖5 服務器控制端程序設計框架

4 測試與分析

為了實時監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、電流以及協(xié)調(diào)器傳達給終端節(jié)點的控制指令進行驗證。 在單片機初始化狀態(tài)下默認輸出500 Hz， 占空比為50%的PWM 波形。如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)測試初始化波形頻率和MOS 管調(diào)整后的占空比

圖6 中顯示的是Mos 管及其驅(qū)動模塊經(jīng)過脈寬調(diào)制輸出500 Hz、以及濾波過后的穩(wěn)定波形?？梢?，在波形輸出端口經(jīng)過二極管接上負載后波形輸出穩(wěn)定可靠，波形下方能量被電池吸收，才會出現(xiàn)波形下方不到底的情況，與實際理論相符合。

圖7 終端設備采集的電流電壓發(fā)送至協(xié)調(diào)器以上傳到串口界面顯示， 數(shù)據(jù)流Hy411V023A120D， 其中Hy411V 表示電壓為 4.11 V，023 A 表示電流為。 0.23 A，20D 表示占空比為100%，則功率等于0.9453 W。 其中圖8 為萬用表測得功率采集端實際電壓為4.15 V，電源輸出電流為0.23 A，則功率0.954 5 W,與實際功率偏差0.009W。 由于AD 特性采集是一個上下抖動的過程，故采集過程中存在誤差屬于正常。

圖7 系統(tǒng)采集上傳的數(shù)據(jù)

以下是上位機軟件從協(xié)調(diào)器接收到的環(huán)境溫濕度、光照強度值。 在實際溫濕度和采集到的溫濕度進行比較，如表1 所示，溫度值相差0.5℃，在DHT11 數(shù)據(jù)手冊中的溫度偏差范圍在±2℃，故溫度數(shù)據(jù)符合實際。 如表2 所示，濕度值相差 3.1%RH，在 DHT11 數(shù)據(jù)手冊中的濕度偏差范圍在±5%，故濕度數(shù)據(jù)符合實際。 如表3 所示，光照強度值相差0.2Lux，在光敏電阻傳感器數(shù)據(jù)手冊中偏差范圍內(nèi)， 故光照強度值符合實際。

圖8 萬用表測采集功率端的實際電壓與電流

表1 溫度測試表

表2 光照強度測試表

表3 光照強度測試表

圖9 是上位機控制界面接收到協(xié)調(diào)器上傳到串口的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)波形動態(tài)顯示的效果，依據(jù)上傳的電流電壓計算功率，結果與實際相符，波形屬于正常的顯示。

圖9 上位機波形顯示界面

5 結語

本文針對傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)中節(jié)點能量受限網(wǎng)絡壽命短導致信息采集效率不高差等問題，設計一種基于ZigBee 技術的自供電無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)分析可見，自供電無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有局域網(wǎng)內(nèi)定時監(jiān)測、低功耗、高效能、低誤差等特點，顯現(xiàn)了一定的開發(fā)價值。 作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵技術之一，ZigBee 無線傳感網(wǎng)具有網(wǎng)絡容量大、低功耗等優(yōu)點，在局域網(wǎng)內(nèi)組網(wǎng)靈活、傳輸效率高，其發(fā)展使得能源低消耗步入人們的生活。而MPPT技術作為光伏電池轉(zhuǎn)換電能、 自動尋優(yōu)的關鍵技術，使得太陽能光伏板的V-A 特性曲線始終輸出在最大功率點， 充分提高太陽能光伏板光電轉(zhuǎn)化效率。 當ZigBee 無線傳感網(wǎng)技術結合MPPT 技術時，通過控制Mos 管及其驅(qū)動模塊， 以及傳感器采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲在鋰電池中，使電池保持在最佳狀態(tài)高容量的蓄能讓系統(tǒng)正常工作，以解決終端設備采集多數(shù)據(jù)而通信不穩(wěn)定的問題。 ZigBee 技術和MPPT 技術的結合會讓自供電無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)具備高效運行，實現(xiàn)無人看守、數(shù)據(jù)可大容量采集的自供電無線傳感網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。