摘 要： 針對風光互補發電系統的監測管理的需要，研發了一種基于ZigBee技術的無線傳感器節點，其能對環境參數進行監測，可為供電系統提供實時準確的環境參數作為系統調控依據，使系統供電的連續性、穩定性和可靠性得到保障，為發電系統的可靠運行提供監測手段。
關鍵詞： ZigBee；風光互補發電系統；無線傳感器；硬件設計
世界能源需求的不斷攀升和自然資源的日益枯竭，使得以高效和可持續的方式使用能源成為了當務之急。風力發電技術和太陽能發電技術是目前各國都在積極發展的技術，具有廣闊的市場前景。但風力發電和光能發電與光照強度、風速、溫度等大氣環境因素密切相關，監測風速、風向、光照強度、溫度和濕度等大氣環境參數，對風力和光伏發電系統的維護管理、提高發電系統的工作效率都有著重要的實用價值。
本文研究的無線環境參數傳感器對5種環境變量進行實時監測，并將數據傳送給上位機，為風光互補發電系統的運行提供保障，以提高系統供電的連續性、穩定性和可靠性，保障發電系統有較高的工作效率，也為供電系統的調控提供可靠準確的數據根據。
1 功能
ZigBee無線傳輸技術具有低功耗、低成本、低復雜度及高靈活性等特點，降低了線路依賴性及安裝維護成本，具有自動組網、轉發等功能。風力、光伏發電設備均放在野外無人值守的環境中工作[1-3]，采用無線傳感器網絡進行數據采集有著特殊的優越性。
無線傳感器網絡由部署在監測區域的眾多無線傳感器節點以自組織方式組成網絡系統，根據實際需要對監測對象進行有效的數據采集，并將數據以單跳或多跳的方式傳送給外部的用戶[4]。由于風光互補發電裝置需要監測的位置是確定的，所以本課題研發的節點采用確定性部署方式。對于由于發電場地廣闊帶來的距離問題，通過增加適當的路由節點[5]來解決。
本文研究的無線傳感器節點具有以下功能。（1）可以同時檢測溫度、濕度、光照強度、風速、風向這5項環境變量；（2）具有數據存儲、重發功能；（3）可以接收控制中心的命令并進行各種工作參數設定；（4）具有自診斷功能。
2 無線傳感器的整體結構
從網絡功能來看，每個傳感器節點同時具備終端和路由器的功能，這對其硬件設計提出了較高的要求[6]。傳感器節點是監測網絡的基本單元，由溫度傳感器、光照傳感器、風速風向傳感器、濕度傳感器、單片機、電源芯片、無線通信模塊及相關接口電路組成，傳感器節點結構如圖1所示。
傳感器數據通過A/D轉換傳送給單片機，單片機處理、存儲后由無線模塊將數據發送給網絡監控中心。單片機還通過無線模塊接收命令，執行相應的處理。電源模塊將風光互補發電系統蓄電池的直流電壓經過變換后給傳感器、單片機和無線模塊等供電。
3 硬件的選擇
3.1 處理器
處理器采用MSP430微處理器。該處理器可在線編程，遠程升級，工作電壓僅為2.2 V~3.6 V，且價格低廉，功耗超低，具有超強抗干擾能力。
3.2 無線網絡模塊
無線網絡模塊采用IP-Link 1223無線通信芯片。IP-Link 1223模塊是基于IEEE 802.15.4/ZigBee技術的嵌入式無線模塊，具有高頻率、高工作速率、低功耗、小封裝、多頻道和較強的抗干擾能力等優點。IP-Link 1223模塊的傳輸距離最大為200 m，添加上功率放大模塊，傳輸距離可達1 000 m~1 200 m，是遠程監控應用的理想選擇[7]。IP-Link與單片機STC12LE5A60S2的接口電路[8]如圖2所示。
3.3 溫濕度傳感器
本設計采用DHT11數字溫濕度傳感器。DHT11功耗低，在5 V電源電壓下，工作平均最大電流為0.5 mA。DHT11數字溫濕度傳感器連接方法如圖3所示。第1腳接電源正；第4腳接電源地；數據端為第2腳，可直接接主機（單片機）的I/O口，為提高穩定性，在數據端和電源正之間接一只4.7 kΩ的上拉電阻；第3腳為空腳，不用。傳感器輸出腳與單片機的P4.6連接，通過單總線方式獲取所需數據[9]。
3.4 光照傳感器
光照傳感器采用BH1750FVI光照傳感器，它是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化。它通過I2C總線接口與單片機相連。光照傳感器的連接圖如圖4所示。
3.5 風速風向傳感器
采用FC-1風速風向傳感器。該傳感器由風速傳感器、風向傳感器和傳感器支架組成，動態性能好、線性精度高、靈敏度高、測量范圍寬、互換性好、抗風強度大、電路抗雷電干擾能力強、壽命長且工作可靠。風速風向傳感器的連接圖如圖5所示。
D0~D6是風向傳感器7位格雷碼的輸出管腳；2號管腳為風向傳感器的輸出管腳，由于輸出形式為頻率，因此與單片機能夠脈沖計數的P4.2管腳相連。
3.6 電源
電源采用LTC3112電源芯片，可在VIN高于、低于或等于VOUT的情況下獲得穩壓輸出，輸入電壓范圍為2.7 V~15 V，輸出電壓范圍為2.5 V~14 V。電源芯片輸出5 V、3.3 V、12 V電壓的連接圖如6所示。
4 軟件功能
風光互補發電監測系統無線傳感器軟件的主要功能是數據采集、存儲，數據傳輸，無線網絡通信，監測中心發送的命令的執行和工作參數的設置。無線通信模塊IP-Link 1223中已經封裝了完整的ZigBee通信協議，網絡協議軟件不用開發。
無線傳感器的軟件基本流程圖如圖7所示。
無線傳感器上電后，單片機和IP-Link 1223模塊進入初始化狀態中，單片機的初始化主要是對各個寄存器進行設置，設置單片機串口的波特率，定時時間的長短以及中斷的優先級。而IP-Link 1223模塊在初始化前必須等待10 s，由于通信模塊自身就包含處理器模塊及通信協議，上電后需要等待一段時間后以保證模塊進入正常工作模式，之后單片機才能與通信模塊正常通信。
隨著新型能源的研究和發展，風光互補發電系統越來越多地被應用在生產生活中。由于風光互補發電系統受到多種因素的制約，監測系統就顯得尤為重要。本文主要探討了應用ZigBee無線技術的風光互補發電系統的無線傳感器節點的各個模塊的選擇、硬件設計以及軟件設計。硬件設計為無線傳感器的軟件設計及在風光互補發電系統中的應用提供了基礎。軟件設計的程序按照監測過程主要包括了數據采集程序、數據發送與接收程序、數據存儲、統計與處理以及監測界面。所組成的無線傳感器網絡具有低功耗、穩定可靠、自組織、多性能等明顯超越其他無線傳感器網絡的優勢，使其在環境監控應急事件等處理中，處于技術領先地位。
參考文獻
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