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