基于自供電無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范源源 李小龍 易云飛

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

0 引言

當(dāng)今科技的發(fā)展突飛猛進(jìn)，各種傳統(tǒng)技術(shù)以及設(shè)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(jìn)化、智能化、自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)備。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(lǐng)域的一種局域網(wǎng)技術(shù)，也是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)主要方向，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、林業(yè)、礦業(yè)預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。 如管萬春研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)處理和海洋氣象與災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)測等功能[2]；陳為星則設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)預(yù)警防控系統(tǒng)，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林中的一氧化碳、溫濕度以及煙霧濃度、火焰信號(hào)等進(jìn)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(luò)。 傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)受能量限制和工作環(huán)境的影響，網(wǎng)絡(luò)工作壽命較短，信息采集效率較低。針對(duì)這些問題[4]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ZigBee 無線傳感網(wǎng)技術(shù)結(jié)合MPPT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)星狀組網(wǎng)模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(dú)有的無污染、能源再生特點(diǎn)，使之與ZigBee 技術(shù)結(jié)合實(shí)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由太陽能光伏電池板、ZigBee 模塊、Mos 管驅(qū)動(dòng)模塊、肖特基二極管、各種傳感器、鋰電池、上位機(jī)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(shè)計(jì)需求可將ZigBee 模塊分為終端設(shè)備及協(xié)調(diào)器部分；Mos 管及其驅(qū)動(dòng)模塊由NMos 管和三極管組成的控制電路， 可以經(jīng)過單片機(jī)I/O 口輸出PWM 脈寬控制輸出不同電壓，具有防過充保護(hù)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(jī)控制軟件由chart、key、TextBoX 等組件組成。 由于本系統(tǒng)包含終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器，因此，通信采用組網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，分布不同環(huán)境的終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，并通過串口上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)控制軟件，即可動(dòng)態(tài)觀察顯示充電功率的正弦波。

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要由ZigBee 模塊、Mos 管及其驅(qū)動(dòng)模塊、肖特基二極管、各種傳感器組成。 終端設(shè)備通過各種傳感器采集電流電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析， 用單片機(jī)I/O 口輸出PWM 脈寬控制Mos 管及其驅(qū)動(dòng)模塊來跟蹤最大功率點(diǎn)， 以達(dá)到最佳充電狀態(tài)，同時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)太陽能光伏板和電池同時(shí)給單片機(jī)供電，從而實(shí)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器、上位機(jī)控制軟件組成實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線通信。 終端設(shè)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(luò)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(shè)備對(duì)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(jī)I/O 端口輸出PWM 脈寬調(diào)制控制Mos 管及其驅(qū)動(dòng)模塊輸出恒定的電壓，實(shí)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(shè)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(shè)備的ID 號(hào)以串口方式上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)控制軟件[9]。 如圖3 所示。

圖4 是終端節(jié)點(diǎn)采用MPPT 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理部分程序設(shè)計(jì)以及算法框架圖。 利用MPPT 算法中的恒壓采集法實(shí)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(diǎn)，如果不在80%以下范圍，則繼續(xù)往上加10%掃描最大功率點(diǎn)，如果未尋找到最大功率點(diǎn)，則繼續(xù)往上加10%掃描最大功率點(diǎn)。 在尋找到某一個(gè)適合電池充電的功率點(diǎn)后， 單片機(jī)輸出PWM 脈寬控制Mos 管及其驅(qū)動(dòng)模塊輸出最大功率。 在定時(shí)器模式下輸出恒定點(diǎn)的占空比不變， 而系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，定時(shí)發(fā)送無線消息。 如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架

圖4 MPPT 算法框架圖

本系統(tǒng)采用的串口通信方式實(shí)現(xiàn)從協(xié)調(diào)器上發(fā)送功能指令、接收應(yīng)答數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示通信過程[10]。 上位機(jī)控制軟件通過解析字符串即能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、 存儲(chǔ)及波形界面， 同時(shí)上位機(jī)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 圖5 為服務(wù)器控制端程序設(shè)計(jì)框架。

圖5 服務(wù)器控制端程序設(shè)計(jì)框架

4 測試與分析

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、電流以及協(xié)調(diào)器傳達(dá)給終端節(jié)點(diǎn)的控制指令進(jìn)行驗(yàn)證。 在單片機(jī)初始化狀態(tài)下默認(rèn)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(dòng)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。可見，在波形輸出端口經(jīng)過二極管接上負(fù)載后波形輸出穩(wěn)定可靠，波形下方能量被電池吸收，才會(huì)出現(xiàn)波形下方不到底的情況，與實(shí)際理論相符合。

圖7 終端設(shè)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(shí)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(shí)際功率偏差0.009W。 由于AD 特性采集是一個(gè)上下抖動(dòng)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(jī)軟件從協(xié)調(diào)器接收到的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度值。 在實(shí)際溫濕度和采集到的溫濕度進(jìn)行比較，如表1 所示，溫度值相差0.5℃，在DHT11 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的溫度偏差范圍在±2℃，故溫度數(shù)據(jù)符合實(shí)際。 如表2 所示，濕度值相差 3.1%RH，在 DHT11 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的濕度偏差范圍在±5%，故濕度數(shù)據(jù)符合實(shí)際。 如表3 所示，光照強(qiáng)度值相差0.2Lux，在光敏電阻傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)中偏差范圍內(nèi)， 故光照強(qiáng)度值符合實(shí)際。

圖8 萬用表測采集功率端的實(shí)際電壓與電流

表1 溫度測試表

表2 光照強(qiáng)度測試表

表3 光照強(qiáng)度測試表

圖9 是上位機(jī)控制界面接收到協(xié)調(diào)器上傳到串口的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)波形動(dòng)態(tài)顯示的效果，依據(jù)上傳的電流電壓計(jì)算功率，結(jié)果與實(shí)際相符，波形屬于正常的顯示。

圖9 上位機(jī)波形顯示界面

5 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)能量受限網(wǎng)絡(luò)壽命短導(dǎo)致信息采集效率不高差等問題，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee 技術(shù)的自供電無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)監(jiān)測、低功耗、高效能、低誤差等特點(diǎn)，顯現(xiàn)了一定的開發(fā)價(jià)值。 作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，ZigBee 無線傳感網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)作為光伏電池轉(zhuǎn)換電能、 自動(dòng)尋優(yōu)的關(guān)鍵技術(shù)，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(diǎn)， 充分提高太陽能光伏板光電轉(zhuǎn)化效率。 當(dāng)ZigBee 無線傳感網(wǎng)技術(shù)結(jié)合MPPT 技術(shù)時(shí)，通過控制Mos 管及其驅(qū)動(dòng)模塊， 以及傳感器采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)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(shè)備采集多數(shù)據(jù)而通信不穩(wěn)定的問題。 ZigBee 技術(shù)和MPPT 技術(shù)的結(jié)合會(huì)讓自供電無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)具備高效運(yùn)行，實(shí)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(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。