基于ZigBee的環境參數實時監測系統設計

為了監測和研究環境參數對光伏電站的影響，提出了一種基于ZigBee的光伏電站環境實時監測系統。以CC2530芯片為控制核心實現了傳感節點、路由節點和網關節點的硬件電路，且在ZSTACK協議?；A上，應用改進的Cluster Tree算法組成無線傳感網絡。利用網絡計算機的Yeelink物聯網平臺實現上位機監測，科研人員可遠程登錄Yeelink平臺和手機APP查看光伏電站環境狀況。經實驗測試，該系統實現了光伏電站溫濕度、光照強度和氣壓信息的實時監測，數據可靠性高，且網關節點的數據收包率超過75%。

太陽能電池生產關鍵設備中射頻電源裝置的國產化研究（11213910D）目前，能源短缺和環境惡化成為制約各國經濟增長的重要因素。為了降低能源消耗，各國都在探索新能源技術，而光伏發電是新能源不可或缺的一部分。雖然我國的光伏發電技術已經取得了較大的研究成果，但仍有技術問題有待進一步研究，其中一個關鍵問題是提高光伏發電轉化率。光伏電池的光電轉化過程會受溫濕度、光照強度等環境參數的影響，而面向科研人員研究光伏發電轉化率的環境數據十分匱乏，嚴重制約了光伏技術的發展。此外，國內的光伏電站多建立在偏遠地區，一般在無人值守的情況下運行，而光伏電站的環境監測系統更是在建設之初就固定安裝，移動拆卸都不方便，也無法全面地對周圍環境進行監測?；诖?，為了提高光伏發電環境數據傳輸的準確性和實時性，同時便于研究人員對監測數據的綜合管理、分析，本文設計并實現了基于物聯網技術和ZigBee技術的實時監測系統，可多點采集光伏電站的溫濕度、光強和氣壓信息，并進行遠程實時監測。

1系統概述

本系統包括無線傳感網絡和遠程控制中心兩部分。ZigBee無線傳感網絡包括1個網關節點、多個路由器節點和多個傳感節點。在ZigBee協議規范中，網絡拓撲結構包括星型、網狀和樹狀結構。本設計為了提高WSN數據傳輸的可靠性，降低網絡的復雜度，采用了樹狀拓撲結構。遠程控制中心主要包括Yeelink物聯網平臺和監測終端，系統結構框圖如圖1所示。

系統通過傳感節點采集光伏電站現場的溫濕度、光照強度和壓力信息，經過電路處理，通過ZigBee模塊將數據轉發給路由節點；路由節點主要完成數據的轉發，實現遠距離通信。傳感節點和路由節點的數量可根據環境需求靈活配置。網關節點負責建立和管理網絡，把接收到的數據利用串口通信發送到Yeelink平臺。監測人員在監控室利用計算機或通過移動監測終端遠程登錄Yeelink平臺就可直接對現場環境進行監測，無需到現場。

2節點硬件設計

節點硬件設計采用模塊化的設計思想，以CC2530芯片作為主控芯片設計了各個節點。節點結構主要包括ZigBee模塊、采集模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及電源模塊，節點硬件結構如圖2所示。

本系統各個節點的ZigBee模塊選用了增強型芯片CC2530的最小系統，CC2530不僅作為ZigBee模塊的核心芯片實現采集數據信息的無線通信，同時也作為微處理器進行控制。本系統選用的是CC2530F256，其內部集成了高性能的2.4GHz的RF收發器和低功耗的工業級的8051微控制器；其在接收和發射模式下，電流損耗分別為24mA和29mA，特別適合要求電池長期供電的超低功耗應用場合。由于CC2530功耗低、集成度高、硬件設計簡單且外設接口豐富，在無線傳感網絡中得到了廣泛的應用。此模塊增加了數據存儲電路，用于存放采集的信息，以便在數據傳輸過程中出現數據丟失的情況時可調取存儲的內容重新發送。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場的溫濕度、光照強度以及壓力參數，而參數信息的準確程度對科研人員及時獲取環境參數有著重要作用。本設計以成本低、精度高和穩定性好為原則，選用了數字溫濕度傳感器SHT11、光敏電阻5516和高分辨率數字氣壓傳感器MS5611-01BA03，所選用傳感器的技術參數如表1所示。

2.3LCD顯示模塊