基于光伏能源的CC2530无线数据采集系统设计

方 红，孙 奥，李晓英，陈红波

(1. 成都大学信息科学与工程学院，四川 成都 610106；2. 成都慧农信息技术有限公司，四川 成都 614001)

1 引言

随着经济发展，农村劳动人口逐年减少，用智慧农业来代替劳动力输出已经迫在眉睫[1-2]。然而目前智慧农业的应用主要集中在温室大棚、池塘等相对可控的小面积内，在分布式农田特别是山区农田环境监控的应用存在很多技术难点，如分散的农作物生长采集点的布控、山区采集设备的能源供应、山林地区不可控地形环境因素等等。近年来光伏系统得到了很大发展[3-5]，光伏能源是清洁能源，同时也能很好的解决山区设备的供能问题，依靠其体积小、成本低、绿色供能、分布性强等特点，适应了山区智慧农业发展的最新需求。本文主要针对山区分布式农田设计一款基于光伏能源的CC2530片上采集系统，整个光伏能源无线数据采集系统以CC2530片上系统为控制核心，附以外围电路，利用光伏能源、稳压模块、各种传感器采集外界信息、检测设备故障并及时上报给主机，实现分布式农田山区布控监测的绿色能源供应以及有效数据采集传送。

2 系统整体设计

整个系统可分为底层、中层、上层三层如图1，底层由CC2530无线片上系统作为整个终端节点的核心，通过光伏能源提供绿色能源，在节省布线开支的同时有效解决了底层能源供应问题。中层网关节点同样采用光伏能源供能，网关节点汇集采集节点信息、数据存储，并与上层通过GPS/GPRS/GSM公共网络完成指令收发、数据传输、节点定位以及参数远程设置等功能[6-7]。上层Internet网络由服务器和客户端组成。服务器从各网关节点接受信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布以及与其它后续系统集成整合的功能，并可通过网关节点发送控制指令至底层传感器节点完成远程参数设置，使得授权用户通过客户端任何时间地点，只要登陆系统服务器，就可以在线实时监测信息和远程设置参数，实现了Web方式下，客户端对各节点的控制供能。

图1 系统整体设计框图

3 系统硬件设计

CC2530可应用于农业、智能家居、建筑、工业等领域[8-11]，应用前景良好。基于光伏自供能的CC2530无线数据采集系统结构如图2，可以分为系统供能、数据采集、数据储存三部分，核心部件CC2530芯片选用TI的ZigBee模块，模块在免费的2.4GHz频段工作，数字I/O接口引出，执行标准满足IEEE801.15.4，8051 CPU集成8通道ADC转换器配合AD780可精准测量外部电源电压，外置SMA天线，增益很大，接收灵敏度非常高，通信距离实测可达400m[12]，满足了分布式农田山区布控远距离传输的需求。系统供能部分是通过太阳能电池板将光能变为电能从而实现系统能源自给，通过控制步进电机来改变太阳能电池板角度，可使太阳能的利用率最高。数据采集是依靠AM2301温、湿度传感器等外围设备采集数据并通过UART实现与主机通讯；数据储存可根据储存量需要选择W25Q系列存储芯片，将CC2530芯片的随机存储器(RAM)上的数据储存到存储模块中，在断电、重启等情况下能保证数据不被丢失。

图2 基于光伏自供能的CC2530无线数据采集系统结构图

3.1 太阳能电池板设计

太阳能电池板是光伏系统的重要部分，为了更优化各种设计方式层出不穷[13-16]。本文模块采用金字塔型结构如图3，使模块所占用的空间尽量小型化，同时在金字塔型结构的A、B、C、D四个面上设置太阳能电池板，工作时使每个太阳能板与地面夹角为45度如图4，并设置传动链、轴承与齿轮做传动装置，利用驱动器控制步进电机带动4个面板以金字塔顶点为中心旋转升降，升降角度为45度。

图3 太阳能板关闭结构示意图

图4 太阳能板打开结构示意图

太阳能电池板发电量与其自身的转换率μ以及电路损耗ε有关，对同一太阳能板而言，不考虑散射辐射情况下，发电量W与太阳辐射强度LN和充电时间t的关系，可以表示为

W=με∬tf(LN，t)dσ

(1)

其中太阳辐射强度

LN=LPmsinθ

(2)

L表示垂直大气层外边界处的太阳辐射强度，P表示大气透明系数，m表示光线透过大气层的质量，θ表示入射光与太阳能板的夹角。将(2)代入(1)中，由黎曼和定义[17]不难得出太阳能发电板的发电量与L、t是线性关系，而相同充电条件下，应当选择辐射强度强的时段进行充电最佳，根据中国西部地区的日照强度，日充电最佳时段为上午9时至下午5时，并且发电量还与入射光与太阳能板的夹角有关，夹角与发电量成反比。

按蓄电池充电需求设计，当需要充电时且上午9时后，太阳能板打开与地面平行，以减小入射光与太阳能板的夹角，实现光能转换电能为蓄电池进行充电；待充电结束或下午5时后，4个面板再收回到与地面45度的初始位置。这样的金字塔形结构设计除了牢固稳定、减少使用空间、结构布置更合理紧密，同时设置升降太阳能板能提高相同日照时间太阳能电池板能量转换能力，并且在夜间与大风、大雨天气可使模块处于闭合状态，能减小系统被损坏可能，延长系统使用寿命。

蓄电池的充电时间T与电池电容C、充电电流I的关系为

(3)

在不超过蓄电池峰值电流的前提下，电流越大充电时间越小，所以，四个相同大小的太阳能板采用并联的方式接入电路，配以防反二极管防止电流回流损坏太阳能板，如图5。在不改变电压的前提下，电流可增大4倍，这样能使充电时间缩短为单一电池板充电时间的1/4，很好的解决了冬季日照时间短、太阳辐射强度较弱情况下太阳能发电不足的问题，且在任意太阳能板损坏后，其余太阳能板任然可以正常运作发电，对整体系统运行影响较小。

图5 太阳能板连接电路图

3.2 稳压、降压模块设计

电源模块为系统各个模块提供所需要的电源，可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由太阳能电池板提供，所以各级之间需要不同的稳压、降压电路。

稳压电路可以按输出电流、与负载的连接方式、调整管工作状态、电路类型等来分类，各种类型的稳压电路有其不同的使用场合。在大多数的低压差稳压电路中，多采用LDO线性稳压器作为稳压元件[18]，与它成本较低、静态电流小、噪声小等优点分不开。为了资源利用最大化，一般使用的太阳能电池板输出电压比蓄电池电压高1.2～1.5倍最好，这样既能保证输出，又能使电流最大化从而使系统效率更高。在电路设计上，太能能电池板受天气影响，电压值常有波动，选用低压差的LDO线性稳压器稳定输出电压，为整个电路提供稳定电压输出是必不可少的，如图6。

图6 电源稳压电路

在接口电路中，由于各模块需求不同，常常使得一个系统需要多种电压，所以降压转换电路是必不可少的。降压变换原理如图7所示，S为开关元器件，开关闭合时，电感两端加电压(Vin-Vout)，电感增加磁通Øz可以由式(4)确定

图7 降压转换电路图

∅z=(Vin-Vout)*Ton

(4)

开关断开时，因电流连续性，二极管导通，电感减少磁通Øj可表示为：

∅j=Vout*Toff

(5)

当闭合和断开的电感达到平衡，即

(Vin-Vout)*Ton=Vout*Toff

(6)

由于在脉冲循环内，占空比是指某一电路接通时间与整个电路工作时间的百分比，即如果电路信号电压为5V，占空比为66%，那么输出电压有效值就是3.3V，调节占空比大小从而直接影响电感输入端电压与输出端电压的差值，实现降压功能。

3.3 故障报警设计

由于采用太阳能电池板对整个系统供电，外界因素对供电系统影响较大，所以对电源电压进行检测，并在电压过低时反馈给主控中心，主控中心根据不同情况做出相应指示，从而完成故障报警作用。CC2530的ADC可以检测外部电压[19]，但随着使用时间增长，内部提供的基准电压测量的数据差值很大，采用AD780提供稳定的3V基准电压，可以很好的解决这一问题[20]。采用如图8所示电路方式连接AD780，使其在所有负载同时运行的情况下，都能稳定的正或负电压输出，适应性更好、功能性更强；同时低裕量设计利用5.0 V输入提供3.0 V输出，使ADC动态范围可提升20%，其性能与2.5 V基准电压比较更优化。

图8 ADC连接电路图

ADC通过AD780提供的基准电压测得的电源电压与用内部基准电压测得电源电压对比测试结果的精度。电压精度测试比较结果如表1所示。

从表1可知，ADC用内部提供的基准电压测电源电压在标准大气压下，由于受外界环境影响大，电压值浮动较大，最大可达0.5V；用AD780提供的基准电压测得的电压则很稳定，差值最大变化在0.1V以内。

表1 测量电压精度测试(单位：V)

3.4 充电电池的选择

充电电池负责存储太阳能发电模块的电量并为系统提供电源，是光伏自供能系统的重要组成部分，所以电池的选择应考虑以下方面：

1)成本不宜太高，以满足低成本；

2)使用寿命长，节能环保；

3)耐过饱充，记忆效应小；

4)大电流输出下电压下降稳定。

常用的蓄电池有铅酸电池、锂离子蓄电池、飞轮电池、燃料电池、镍氢电池等，其中DP-AALITELONG镍氢电池用储氢合金代替了镉的污染，在使用寿命和记忆效应上有极大进展，且耐低温、降压慢、可大电流充放电，镍氢电池放电端电压对时间的下降梯度更小，因而能放出更多的能量，具有比较高的比能量[21]，虽重量较大，但不影响整体体积和使用，因此，选择镍氢充电电池满足设计需求。

4 系统软件设计

4.1 系统组网设计

本系统通过ZigBee进行底层自动采集组网传输，传统的ZigBee主要有星型和点对点的拓扑结构[22-26]，但是由于本系统的覆盖范围广，且需要适应地形条件复杂的地域，所以需要采用一种复合型的网络结构，本系统综合考虑了性能和成本等问题将星型结构与点对点结构进行结合，通过将一个全功能设备(FFD)作为中间节点连接各个精简功能设备(RFD)形成的子节点构成星型结构，本系统将这样一个星型结构称之为“星”其中中间节点称为“星核”，设备部署时将一个区域划分为一个“星”的区域，将所有需要的RFD设备部署在此区域中，部署完成之后再设置一个FFD设备作为“星核”设备，将此区域的FFD与各RFD连接并测试网络联通状况，联通之后这个区域的“星”就部署完成，一个星能适应短距离的数据收集传输，但是在需要中长距离传输以及大量节点要求的场景下就不再适用了，所以还需要另外选用一种点对点的结构进行综合组网，本系统将每个“星”视为一个点，将每个“星”连接构成点对点的结构，将一个“星”部署联通之后就依次根据区域大小部署更多的“星”，在组成大量的“星”之后，再通过各个“星核”的FFD设备形成一个自组织的网络管理，“星核”FFD设备之间通过自组织的方式组成一个大的多跳的无中心的网络结构，其中每个“星核”FFD设备都能进行路由功能，网络通过自组织选择一个通信更好的“星核”FFD设备成为类网关节点的存在，所有的“星核”设备数据往此节点发送，再通过类网关节点与传输层连接进行通信传输，最后将数据发送到应用层，由此构成整个系统的网络设计。

4.2 节点程序设计

由于采用了CC2530片上系统，集成了Zigbee模块，节点软件设计主要用Zigbee协议栈，基于光伏自供能的CC2530无线数据采集系统的软件框图，如图9，节点在每次被定时器唤醒后，进入初始化判断，对电源进行检测，如电压过低则报警等人工检修，如正常则判断是否需要控制太阳能板打开或关闭，同时传感器网络建立判断是否需要组网。如果不用组网，则控制传感器采集数据并储存，然后设置定时器，等待下一次唤醒操作。如果需要组网，则自动组网接收联网指令并根据指令作出相应回应，如控制传感器采集数据并上传等，然后储存数据和设置定时器并进入休眠状态，等待下一次休眠唤醒。

图9 基于光伏自供能的CC2530无线数据采集系统软件框图

通过CC2530核心芯片控制驱动器实现太阳能板根据电源、时间及外部命令等实现开关是本设计的关键，部分源码实现如下：

void computeT(int chour，int cmin) {

…

int dayhour=0；

int daymin=0；

dayhour=chour；

daymin=cmin；

char open[3]="1#"； ∥1#表示太阳板开

char close[3]="0#"； ∥0#表示关

char stay[3]="2#"； ∥2#维持当前状态

p=power()； ∥获取电量，电量为1表示电量充足，为0表示不足

…

while (true) {

if ((8==dayhour) && (daymin==0) && (p==0)) {

URX0＿ISR(open)；

}

else if (((18==dayhour) && (daymin==0)) ‖ (p==1)) {

URX0＿ISR(close)；

}

else {

URX0＿ISR(stay)；

}

Sleep(SL)；

…

}

4.3 远程数据监控设计

本系统中心控制平台主要通过搭建Web平台进行控制，Web平台主要通过JSP与MySQL数据库进行搭建[27-29]，主体采用SSH框架，通过搭建中心控制平台实现用户远程与采集系统的交互操作，平台通过与远程采集系统网关建立TCP连接进行信息交换，通过JSP网页对采集节点进行监控管理，采集到的数据通过网关节点发送到中心控制平台中，然后平台存入数据库，经过处理最终呈现给用户，由此达到远程无线监控、数据交互的目的。

5 实验与结论

在25°C标准状态下，用太阳能电池板对6000mAh镍氢电池进行充电，测试电压、电流增大时镍氢电池充电时间的变化，测试结果如图10。测试结果表明镍氢电池在电压6v～6.5v、电流0.4mA时充电速度最快，3.5小时左右就能完成充电。以西部地区四季日照强度计算，完全符合充电要求。

图10 镍氢电池充电曲线

无线传感系统[30]在室外使用时，电源一直是大问题，不仅耗费钱财收益也不高，而且存在很多技术难点，所以使用光伏能源供能比较科学，但在使用太阳能电池板供能时应考虑冬季连续时段无光照或光照不足的情况，电源能否为系统继续供能的问题。对镍氢电池进行了放电测试，结果如图11。结果表明在大电流放电情况下，镍氢电池任然能长时间保持电压在3V以上，在采用休眠方式的系统中使用，即使连续20天无光照，系统任然能正常运行，符合设计需求。

图11 镍氢电池放电曲线

本文用光伏供能[31]，以CC2530为核心，设计了无线采集系统，提出了一套太阳能供电系统方案，重点介绍了太阳能电池片、蓄电池、稳压、降压模块及相关软硬件设计，由于篇幅限制，显示器、基准电压、时钟、传感器等辅助电路略过。通过对电池测试，证明该设计的可行性，具有一定的实用价值。