嵌入式系統(tǒng)的太陽(yáng)能雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

張鋒，李凱亮，曾俊林

（廣東石油化工學(xué)院，茂名525000）

引 言

太陽(yáng)能作為一種新型能源具有綠色清潔、無(wú)環(huán)境污染、取之不竭用之不盡又無(wú)地域限制的優(yōu)勢(shì)。陳潔[1]研制的太陽(yáng)能多功能充電器可實(shí)現(xiàn)充電控制和電量檢測(cè)功能，整個(gè)充電過程中由指示燈指示；李麗[2]研制模塊式太陽(yáng)能智能充電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)辨別正負(fù)極，智能充電；朱憲忠等[3]設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電源僅僅供手機(jī)供電；丁成功等人（2013）[4]提出了對(duì)電源溫度的檢測(cè)的概念；胡奇勛等（2012）[5]設(shè)計(jì)了利用太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)。這些系統(tǒng)存在單一電源供電、太陽(yáng)能利用率低、缺少對(duì)電源的遠(yuǎn)程管理等缺陷。

本設(shè)計(jì)針對(duì)目前已有的太陽(yáng)能電源續(xù)航能力差以及無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控電源電量的問題，提出一套基于ZigBee的太陽(yáng)能雙電源設(shè)計(jì)方案，通過雙電源切換以及利用太陽(yáng)能充電為電子產(chǎn)品提供電源，通過ZigBee無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)控電源電量，對(duì)于戶外電子器件的及時(shí)維護(hù)有著很大的意義。

1 系統(tǒng)總體框圖

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池、ZigBee控制模塊、開關(guān)控制電路、蓄電池、穩(wěn)壓模塊以及上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。由太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)化為電能，使用ZigBee作為控制核心，根據(jù)采集到的主、副電源的電量情況自動(dòng)對(duì)開關(guān)控制電路進(jìn)行控制，將電能存儲(chǔ)到相應(yīng)的電源中，并無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。每次只有一個(gè)電源在供電，另一個(gè)電源在充電，如此反復(fù)循環(huán)，滿足了長(zhǎng)時(shí)間供電的要求。同時(shí)，為了滿足用電器不同的電壓要求，將輸出電壓分別穩(wěn)壓至5 V、9 V以及12 V。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)控制電路

開關(guān)控制電路由電壓采集子模塊和繼電器控制子模塊組成，并使用了限流二極管防止電流過高損壞電子器件。開關(guān)控制模塊有太陽(yáng)能電池板輸入接口、主/副電源輸入接口、5 V，9 V，12 V輸出接口。開關(guān)控制電路圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)控制電路圖

電壓采集子模塊通過電阻分壓將電壓降低至ZigBee控制模塊能檢測(cè)到的電壓范圍，分壓后的電壓連接至Zig-Bee控制模塊的A/D輸入端口，基于減少功耗的考慮，采用了大阻值的電阻，減小流過的電流達(dá)到低功耗的要求。

繼電器控制子模塊采用DC-12 V繼電器，當(dāng)繼電器控制端口兩端的電壓滿足12 V且通過電流大于350 m A時(shí)，繼電器導(dǎo)通。由于ZigBee控制模塊無(wú)法輸出滿足繼電器導(dǎo)通要求的控制信號(hào)，于是將NPN型三極管的基極連接至ZigBee控制模塊的端口，放大控制信號(hào)，由ZigBee控制模塊控制對(duì)應(yīng)端口的電平高低，從而實(shí)現(xiàn)繼電器的開關(guān)。

當(dāng)主電源DC1和副電源DC2同時(shí)接入時(shí)，由于繼電器K1、K2仍保持初始狀態(tài)，即常閉狀態(tài)，此時(shí)使用主電源、副電源同時(shí)供電的模式。ZigBee控制模塊開始上電工作，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到電源電量，再根據(jù)主電源電量情況決定采取何種供電模式。由于主、副電源切換時(shí)，系統(tǒng)輸出的電流會(huì)增大，為了保護(hù)元器件，在輸出口放置了一個(gè)限流二極管，防止電流過大而損毀器件。

2.2 ZigBee控制模塊

CC2530是ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中的一個(gè)核心芯片，它能夠以非常低的總體成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片工作時(shí)具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)[6]。該芯片的ADC支持7～12位的分辨率，轉(zhuǎn)換精度高，滿足本設(shè)計(jì)的要求。

CC2530的A/D轉(zhuǎn)換輸入端口連接開關(guān)控制電路的電壓采集接口，對(duì)當(dāng)前供電電源的電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)CC2530進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換量化得到電壓值。根據(jù)電壓值與電源電量的關(guān)系得到當(dāng)前電源的電量，并根據(jù)電量情況對(duì)輸出端口的電平高低進(jìn)行控制，經(jīng)三極管放大控制信號(hào)進(jìn)而達(dá)到控制開關(guān)電路的目的。ZigBee控制模塊功能框圖如圖3所示。

2.3 穩(wěn)壓模塊

采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805和LM7809穩(wěn)壓芯片，將電源輸出的12 V電壓轉(zhuǎn)換至5 V、9 V電壓，實(shí)現(xiàn)多電壓輸出。LM78系列三端穩(wěn)壓集成電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電路所需的外圍元件少，僅需兩個(gè)電容便可正常工作，且電路內(nèi)部有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用可靠、方便。

2.4 電源安全防護(hù)設(shè)計(jì)

如果對(duì)鋰離子電池過充電、過放電、過電流和短路將會(huì)導(dǎo)致安全問題，因此電池需要一個(gè)保護(hù)電路。如圖4所示，電池保護(hù)電路具有可靠保護(hù)功能。選擇不易爆炸且免維護(hù)的鎳氫電池，并對(duì)電池二次封裝；現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備均可靠接地，設(shè)置防雷保護(hù)電路；監(jiān)控中心能隨時(shí)檢查到電池狀態(tài)[6]，便于操作人員對(duì)電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

圖3 ZigBee控制模塊功能框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電源檢測(cè)功能設(shè)計(jì)

圖4 電池保護(hù)電路

ZigBee系統(tǒng)通電，經(jīng)過系統(tǒng)初始化之后，ZigBee的A/D轉(zhuǎn)換端口采集主電源電壓，將模擬的電壓量化成數(shù)值，并根據(jù)該電壓值判斷主電源電量是否充足。若主電源電量充足，則ZigBee通過控制輸出端口K1置為高電平，K2置為低電平，使得繼電器1常閉，繼電器2常開，則副電源接通到太陽(yáng)能充電端口，此時(shí)采用主電源供電、副電源充電的模式。反之，采用副電源供電、主電源充電的模式，主電源利用太陽(yáng)能充電并一直持續(xù)到副電源電量不足；當(dāng)副電源電量不足時(shí)，主電源結(jié)束充電并接通，此時(shí)副電源開始充電，主電源供電。如此反復(fù)切換，保證了系統(tǒng)為電子產(chǎn)品不間斷提供電源。雙電源工作流程如圖5所示。

圖5 電源檢測(cè)操作流程

3.2 ZigBee控制模塊設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括終端設(shè)備、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。以CC2530的ZigBee芯片為核心構(gòu)建終端節(jié)點(diǎn)，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間通過Z-Stack協(xié)議棧組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)，建立相應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)通過組網(wǎng)請(qǐng)求加入到協(xié)調(diào)器所在的網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到其所屬的路由節(jié)點(diǎn)，再通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)以供管理人員進(jìn)行監(jiān)控。

3.3 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控平臺(tái)采用Qt平臺(tái)編寫，可以實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)運(yùn)行（Windows、Linux），適用面廣。監(jiān)控平臺(tái)通過初始化串口設(shè)置，接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，并顯示到電腦界面上，供管理人員查看。運(yùn)行本監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用軟件時(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)從接收數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)器上行至PC機(jī)串口，觸發(fā)串口接收信號(hào)槽，就會(huì)執(zhí)行串口讀取數(shù)據(jù)的操作。接收完數(shù)據(jù)后校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性以及正確性，如果數(shù)據(jù)正確則執(zhí)行數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)及分析，并將數(shù)據(jù)在圖表上繪制成曲線；如果校驗(yàn)接收的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的則將數(shù)據(jù)丟棄；如果接收到的數(shù)據(jù)符合預(yù)警條件，則發(fā)送報(bào)警信息。其軟件工作流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)控平臺(tái)軟件工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

本電源系統(tǒng)在廣東重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功，實(shí)驗(yàn)如下：將ZigBee接收設(shè)備（協(xié)調(diào)器）通過USB串口連接上計(jì)算機(jī)，并開啟設(shè)備的電源開關(guān)，可以看見節(jié)點(diǎn)LED燈開始閃爍，節(jié)點(diǎn)開始組建網(wǎng)絡(luò)；將采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的傳感器等各個(gè)模塊組裝好，開啟電源開關(guān)，節(jié)點(diǎn)開始初始化并準(zhǔn)備加入網(wǎng)絡(luò)，指示LED燈由快閃變?yōu)槁W，表示節(jié)點(diǎn)已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)并定時(shí)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

開啟上位機(jī)，設(shè)置COM口和波特率，選擇COM1，波特率為38 400 b/s。智能電源監(jiān)控界面顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)分析圖如圖7所示。最左側(cè)顯示某一時(shí)刻的電源系統(tǒng)周圍環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)：溫度是28.5℃；濕度是80%；電源1的電量是98.0%；電源2的電量是10.2%。左側(cè)曲線是電源環(huán)境溫度歷史曲線；右側(cè)曲線是電源環(huán)境濕度歷史曲線。

圖7 節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)分析圖

結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了基于ZigBee的智能太陽(yáng)能雙電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)?；赯igBee控制模塊和開關(guān)控制模塊，實(shí)現(xiàn)主、副電源在供電、充電之間切換，大大地提升了供電系統(tǒng)的續(xù)航能力并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的電量檢測(cè)。通過穩(wěn)壓模塊的多電壓輸出，可以滿足電子產(chǎn)品不同的工作電壓要求，從而使系統(tǒng)的應(yīng)用更有實(shí)際意義。同時(shí)利用太陽(yáng)能電池板對(duì)電源充電，解決了戶外布線供電困難的問題，極大地降低了電子產(chǎn)品的戶外布設(shè)成本，使得電子元器件可以在戶外長(zhǎng)時(shí)間工作。經(jīng)過多次的全面測(cè)試以及安全分析，該系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地為其他電子產(chǎn)品供電，且實(shí)時(shí)監(jiān)控電源電量，從而使電子產(chǎn)品在戶外長(zhǎng)時(shí)間工作成為可能。

[1]陳潔.太陽(yáng)能多功能充電器的設(shè)計(jì)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（8）：75-77.

[2]李麗.模塊式太陽(yáng)能智能充電器的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)電信息，2012（12）：140-141.

[3]朱憲忠，許斌，周一航，等.太陽(yáng)能手機(jī)充電器的電路設(shè)計(jì)[J].電子世界，2012（21）：134-135.

[4]丁成功，王升鴻.便攜式移動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)[J].伺服控制，2013（4）：67-69.

[5]胡奇勛，段渭軍，王福豹.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2011，34（6）：199-202.

[6]羅剛，蔣學(xué)彬，涂熹薇，等.油氣田有毒氣體泄漏預(yù)警與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].鉆采工藝，2013（11）：116-118.