基于自供电无线传感网的环境监测设计与实现

范源源 李小龙 易云飞

（1.桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004；2.河池学院 计算机与信息工程学院，广西 宜州 546300；3.湖南工商大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙 410205）

0 引言

当今科技的发展突飞猛进，各种传统技术以及设备性能很难满足人们生活上的物质需求，取而代之的是现代先进化、智能化、自动化技术的设备。 物联网技术的发展使得科技围绕在人们的生活，而无线传感网是物联网发展领域的一种局域网技术，也是当今物联网发展的一个主要方向，广泛应用于工业、林业、矿业预警、环境监测等领域[1]。 如管万春研究了基于无线传感网络的海洋环境监测系统，该系统能够实现海洋生态环境监测、数据实时处理和海洋气象与灾害预报预测等功能[2]；陈为星则设计了基于无线传感网络的森林火灾预警防控系统，利用传感器网络对森林中的一氧化碳、温湿度以及烟雾浓度、火焰信号等进行检测[3]；而以上的两种监测系统均是利用蓄电池作为电源的无线传感网络。 传统的无线传感网络受能量限制和工作环境的影响，网络工作寿命较短，信息采集效率较低。针对这些问题[4]，本系统设计采用ZigBee 无线传感网技术结合MPPT 技术实现星状组网模式进行网络组网和太阳能供电系统的分析[5]，从而解决最大充电效率以及自供电的问题。 利用太阳能独有的无污染、能源再生特点，使之与ZigBee 技术结合实现一种基于自供电无线传感网的环境监测系统。

1 系统总体设计

系统总体设计框架如图1 所示，系统设计是由太阳能光伏电池板、ZigBee 模块、Mos 管驱动模块、肖特基二极管、各种传感器、锂电池、上位机控制软件组成。太阳能光伏电池板开路电压输出9 V、功率10 W，为系统主要的充电和供电电源；ZigBee 模块主要由CC2530 作为主控芯片， 其中还包含 32 MHz 以及32.768 kHz 晶振，由于系统设计需求可将ZigBee 模块分为终端设备及协调器部分；Mos 管及其驱动模块由NMos 管和三极管组成的控制电路， 可以经过单片机I/O 口输出PWM 脉宽控制输出不同电压，具有防过充保护性能[6]；肖特二极管用于电路中电流单向导通，防止反向击穿破环电路元件； 各种传感器包括MAX471传感器、温湿度传感器、光敏电阻传感器组成；锂电池用于系统供电以及充电； 上位机控制软件由chart、key、TextBoX 等组件组成。 由于本系统包含终端设备和协调器，因此，通信采用组网技术来实现数据传输，分布不同环境的终端设备采集的数据经处理后通过无线通信网络发送至协调器[7]，协调器以广播方式发指令控制终端设备，并通过串口上传数据到上位机控制软件，即可动态观察显示充电功率的正弦波。

图1 系统总体框架设计

2 硬件设计

系统硬件设计部分主要由ZigBee 模块、Mos 管及其驱动模块、肖特基二极管、各种传感器组成。 终端设备通过各种传感器采集电流电压的数据进行比较分析， 用单片机I/O 口输出PWM 脉宽控制Mos 管及其驱动模块来跟踪最大功率点， 以达到最佳充电状态，同时将数据发送至协调器，协调器串口上传至上位机控制软件。 其中肖特基二极管的作用是电流单向导通， 可以实现太阳能光伏板和电池同时给单片机供电，从而实现自供电无线传感网的环境监测系统的基本功能。 图2 是本系统的主要功能流程图。

图2 主要功能流程图

3 软件设计

系统采用终端设备、协调器、上位机控制软件组成实现局域网无线通信。 终端设备与协调器之间的通信采用IEEE802.15.4 无线传感网协议， 该协议采用载波侦听多路访问（CSMA-CA）协议，在数据传输的过程中有效避免数据冲突，降低了丢包率，从而使网络整体性能得到优化[8]。 在系统数据通信过程中，可分为数据分析及控制和数据传输两部分， 数据的分析及控制是指终端设备对系统中的电流电压监测并使用MPPT 算法分析，最终通过单片机I/O 端口输出PWM 脉宽调制控制Mos 管及其驱动模块输出恒定的电压，实现最大功率跟踪；数据传输包括协调器发送广播指令后， 终端设备接收到指令后通过周期性发送单波方式传输数据至协调器， 协调器再通过辨别终端设备的ID 号以串口方式上传数据到上位机控制软件[9]。 如图3 所示。

图4 是终端节点采用MPPT 算法实现对采集数据分析处理部分程序设计以及算法框架图。 利用MPPT 算法中的恒压采集法实现的数据处理， 再依据AD 采集特性， 首先扫描80%以下的脉宽寻找最大功率点，如果不在80%以下范围，则继续往上加10%扫描最大功率点，如果未寻找到最大功率点，则继续往上加10%扫描最大功率点。 在寻找到某一个适合电池充电的功率点后， 单片机输出PWM 脉宽控制Mos 管及其驱动模块输出最大功率。 在定时器模式下输出恒定点的占空比不变， 而系统实时采集环境数据的变化，定时发送无线消息。 如图4 所示。

图3 系统软件设计框架

图4 MPPT 算法框架图

本系统采用的串口通信方式实现从协调器上发送功能指令、接收应答数据并实时显示通信过程[10]。 上位机控制软件通过解析字符串即能实现数据显示、 存储及波形界面， 同时上位机控软件可通过按键发送指令至协调器，由协调器发送指令控制节点，实现对节点的实时监控。 图5 为服务器控制端程序设计框架。

图5 服务器控制端程序设计框架

4 测试与分析

为了实时监测系统的电压、电流以及协调器传达给终端节点的控制指令进行验证。 在单片机初始化状态下默认输出500 Hz， 占空比为50%的PWM 波形。如图6 所示。

图6 系统测试初始化波形频率和MOS 管调整后的占空比

图6 中显示的是Mos 管及其驱动模块经过脉宽调制输出500 Hz、以及滤波过后的稳定波形。可见，在波形输出端口经过二极管接上负载后波形输出稳定可靠，波形下方能量被电池吸收，才会出现波形下方不到底的情况，与实际理论相符合。

图7 终端设备采集的电流电压发送至协调器以上传到串口界面显示， 数据流Hy411V023A120D， 其中Hy411V 表示电压为 4.11 V，023 A 表示电流为。 0.23 A，20D 表示占空比为100%，则功率等于0.9453 W。 其中图8 为万用表测得功率采集端实际电压为4.15 V，电源输出电流为0.23 A，则功率0.954 5 W,与实际功率偏差0.009W。 由于AD 特性采集是一个上下抖动的过程，故采集过程中存在误差属于正常。

图7 系统采集上传的数据

以下是上位机软件从协调器接收到的环境温湿度、光照强度值。 在实际温湿度和采集到的温湿度进行比较，如表1 所示，温度值相差0.5℃，在DHT11 数据手册中的温度偏差范围在±2℃，故温度数据符合实际。 如表2 所示，湿度值相差 3.1%RH，在 DHT11 数据手册中的湿度偏差范围在±5%，故湿度数据符合实际。 如表3 所示，光照强度值相差0.2Lux，在光敏电阻传感器数据手册中偏差范围内， 故光照强度值符合实际。

图8 万用表测采集功率端的实际电压与电流

表1 温度测试表

表2 光照强度测试表

表3 光照强度测试表

图9 是上位机控制界面接收到协调器上传到串口的数据，实现波形动态显示的效果，依据上传的电流电压计算功率，结果与实际相符，波形属于正常的显示。

图9 上位机波形显示界面

5 结语

本文针对传统无线传感网中节点能量受限网络寿命短导致信息采集效率不高差等问题，设计一种基于ZigBee 技术的自供电无线传感网的环境监测系统。根据实验测试数据分析可见，自供电无线传感网的环境监测系统具有局域网内定时监测、低功耗、高效能、低误差等特点，显现了一定的开发价值。 作为物联网发展的关键技术之一，ZigBee 无线传感网具有网络容量大、低功耗等优点，在局域网内组网灵活、传输效率高，其发展使得能源低消耗步入人们的生活。而MPPT技术作为光伏电池转换电能、 自动寻优的关键技术，使得太阳能光伏板的V-A 特性曲线始终输出在最大功率点， 充分提高太阳能光伏板光电转化效率。 当ZigBee 无线传感网技术结合MPPT 技术时，通过控制Mos 管及其驱动模块， 以及传感器采集光能并将其转换为电能存储在锂电池中，使电池保持在最佳状态高容量的蓄能让系统正常工作，以解决终端设备采集多数据而通信不稳定的问题。 ZigBee 技术和MPPT 技术的结合会让自供电无线传感网系统具备高效运行，实现无人看守、数据可大容量采集的自供电无线传感网络环境监测系统。