基于ZigBee的环境参数实时监测系统设计

为了监测和研究环境参数对光伏电站的影响，提出了一种基于ZigBee的光伏电站环境实时监测系统。以CC2530芯片为控制核心实现了传感节点、路由节点和网关节点的硬件电路，且在ZSTACK协议栈基础上，应用改进的Cluster Tree算法组成无线传感网络。利用网络计算机的Yeelink物联网平台实现上位机监测，科研人员可远程登录Yeelink平台和手机APP查看光伏电站环境状况。经实验测试，该系统实现了光伏电站温湿度、光照强度和气压信息的实时监测，数据可靠性高，且网关节点的数据收包率超过75%。

太阳能电池生产关键设备中射频电源装置的国产化研究（11213910D）目前，能源短缺和环境恶化成为制约各国经济增长的重要因素。为了降低能源消耗，各国都在探索新能源技术，而光伏发电是新能源不可或缺的一部分。虽然我国的光伏发电技术已经取得了较大的研究成果，但仍有技术问题有待进一步研究，其中一个关键问题是提高光伏发电转化率。光伏电池的光电转化过程会受温湿度、光照强度等环境参数的影响，而面向科研人员研究光伏发电转化率的环境数据十分匮乏，严重制约了光伏技术的发展。此外，国内的光伏电站多建立在偏远地区，一般在无人值守的情况下运行，而光伏电站的环境监测系统更是在建设之初就固定安装，移动拆卸都不方便，也无法全面地对周围环境进行监测。基于此，为了提高光伏发电环境数据传输的准确性和实时性，同时便于研究人员对监测数据的综合管理、分析，本文设计并实现了基于物联网技术和ZigBee技术的实时监测系统，可多点采集光伏电站的温湿度、光强和气压信息，并进行远程实时监测。

1系统概述

本系统包括无线传感网络和远程控制中心两部分。ZigBee无线传感网络包括1个网关节点、多个路由器节点和多个传感节点。在ZigBee协议规范中，网络拓扑结构包括星型、网状和树状结构。本设计为了提高WSN数据传输的可靠性，降低网络的复杂度，采用了树状拓扑结构。远程控制中心主要包括Yeelink物联网平台和监测终端，系统结构框图如图1所示。

系统通过传感节点采集光伏电站现场的温湿度、光照强度和压力信息，经过电路处理，通过ZigBee模块将数据转发给路由节点；路由节点主要完成数据的转发，实现远距离通信。传感节点和路由节点的数量可根据环境需求灵活配置。网关节点负责建立和管理网络，把接收到的数据利用串口通信发送到Yeelink平台。监测人员在监控室利用计算机或通过移动监测终端远程登录Yeelink平台就可直接对现场环境进行监测，无需到现场。

2节点硬件设计

节点硬件设计采用模块化的设计思想，以CC2530芯片作为主控芯片设计了各个节点。节点结构主要包括ZigBee模块、采集模块、LCD显示模块、通信模块以及电源模块，节点硬件结构如图2所示。

本系统各个节点的ZigBee模块选用了增强型芯片CC2530的最小系统，CC2530不仅作为ZigBee模块的核心芯片实现采集数据信息的无线通信，同时也作为微处理器进行控制。本系统选用的是CC2530F256，其内部集成了高性能的2.4GHz的RF收发器和低功耗的工业级的8051微控制器；其在接收和发射模式下，电流损耗分别为24mA和29mA，特别适合要求电池长期供电的超低功耗应用场合。由于CC2530功耗低、集成度高、硬件设计简单且外设接口丰富，在无线传感网络中得到了广泛的应用。此模块增加了数据存储电路，用于存放采集的信息，以便在数据传输过程中出现数据丢失的情况时可调取存储的内容重新发送。其电路如图3所示。

2.2采集模块

采集模块通过传感器收集电站现场的温湿度、光照强度以及压力参数，而参数信息的准确程度对科研人员及时获取环境参数有着重要作用。本设计以成本低、精度高和稳定性好为原则，选用了数字温湿度传感器SHT11、光敏电阻5516和高分辨率数字气压传感器MS5611-01BA03，所选用传感器的技术参数如表1所示。

2.3LCD显示模块

本系统中现场终端节点和协调器节点的数据显示均选择的是ZLE12864A液晶显示模块，通过液晶显示模块实现日期、时间、温度值、湿度值、光照强度值、气压值的实时显示。本设计中显示模块采用3.3 V电源供电，其与主控芯片采用串行通信方式，液晶电路控制芯片为ST7565P。显示模块引脚连接为SCLK→CC2530（P1.5）、MOSI→CC2530（P1.6）、Pin12→CC2530（P1.2）、Pin13→RST和Pin14→CC2530（P0.0）。

2.4电源模块

电源模块是保证系统正常工作的关键。由于系统各个电路需3.3V供电，而各个节点使用5 V干电池供电，利用LM117稳压芯片将5V电压转换成3.3V，电源模块电路图如图4所示。

3系统软件实现

3.1ZigBee路由算法

本设计应用了改进的Cluster Tree路由算法，传统的Cluster Tree算法不需要存储路由表，算法简单，但是仅依靠节点间存在的父子关联来转发分组，使平均时延、跳数都增加［7］。在传统算法基础上引入邻居表，通过计算当前节点到目标节点间的跳数并邻居节点到目标节点的跳数进行对比，在把数据传递到邻居节点和直接沿目标节点传送两条路径中选取更优的，算法具体流程如图5所示（Ds为源节点的网络深度，Dd为目标节点的网络深度）。数据传输过程中，重复使用改进算法进行计算，直到到达目标节点。改进的Cluster Tree算法引入了邻居表结合计算节点之间跳数的机制，在节点发送或转发数据包前对两类节点的跳数计算对比，来寻找一条跳数小的传送路径。改进算法有效地降低了能耗，并且提高了数据传输效率。

3.2节点软件实现

网关节点是无线传感网络的核心，负责组建树状网络，接收、处理和发送所有信息以及指令。网关节点启动，并对系统进行初始化，然后扫描一个合适的信道并组建无线传感网络［8］。组网成功后，开始接收节点传送的数据并传送给Yeelink平台，再向节点发送指令。

传感节点负责电站现场温湿度、光强和气压信息的采集和传输。节点上电启动并初始化后，扫描网络信道，并请求加入扫描到的无线网络。成功入网后，开始信息采集和发送。采集节点设定为周期工作模式，如果无需采集数据，则进入休眠状态，以降低能耗。

3.3Yeelink平台对接

随着物联网技术的快速进步，物联网公共服务平台逐渐被用来储存和管理传感器数据信息，并将数据通过电脑、手机APP实时地显示给用户。Yeelink是国内使用比较广泛的一个平台，本设计运用Yeeink平台实现数据的显示和储存以及环境的控制，利用Yeelink平台提供的Yeelink串口工具和网络计算机COM2口实现与物联网平台通信。

4测试及结果分析

系统搭建完成后，进行系统试验，主要测试内容为系统测量准确度、网关节点的收包率，以及系统运行的稳定性。为了保证试验顺利进行，试验是针对实验室环境进行监测；测试对象为室内空气的温湿度、光照强度和气压；在室内放置3个传感节点。试验从2015年3月11日开始，由于实验环境的限制，采用加湿器、模拟光源和空调来调节温湿度和光强。

以温度为例进行测试与分析，传感节点采用了SHT11温湿度传感器（精度±0.4℃，±3.0%相对湿度），比对试验采用川仪的便携式温湿度计（精度±0.1℃，±0.1%相对湿度），从图6中的温度对比结果看，系统采集的温度参数对比温湿度计数值相差较小，温度误差保持在±0.5℃内，可以满足光伏电站使用。

图6温度对比试验曲线图通过对比测试可知，系统的温度误差保持在±0.5℃内，湿度误差保持在±1.8%内。气压对比试验采用370数字式标准气压计，气压差保持在±1.4 hPa左右。当节点间距离在80 m以内，网关节点的数据收包率在75%以上，当距离超过80 m，收包率大幅下降，因此在布网时，为了保证数据的传输可靠性，节点间距离最多不超过80 m。通过连续试验，系统可及时反映采集的环境参数信息，并且可通过监测终端远程登录Yeelink平台查看环境信息。

5结束语

为了实时监测光伏电站的环境信息，设计了基于ZigBee的环境参数实时监测系统。本系统以CC2530为控制核心设计了各个节点硬件电路和软件程序。同时，采用改进的Cluster Tree算法节约了网络资源，降低了能耗，最终搭建了一个组网灵活、安装方便、功耗低的监测系统，实现了光伏电站的温湿度、光照度和气压参数的实时监测。经过测试，采集数据可靠性高，系统稳定可靠，且具有很强的扩展性，可将天气或其他数据接入系统，具有一定的实际推广价值。