基于太陽(yáng)能充電的ZigBee 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴方民

（廣州紅貝科技有限公司，廣州5106700）

0 引言

在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，要求環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)處在長(zhǎng)期無(wú)人值守的工作狀態(tài)，系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)采用電池供電的方式并且能夠滿足工作時(shí)間上的要求[1,2]。例如在橋梁隧道安全監(jiān)測(cè)中，為大量的節(jié)點(diǎn)更換電池的方式是不現(xiàn)實(shí)的[3]。因此，在無(wú)人值守環(huán)境中檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景中存在以下兩個(gè)主要問(wèn)題，一方面，能量消耗問(wèn)題，數(shù)據(jù)信息采集周期長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間短，節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處在空閑工作狀態(tài)，浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)大量的能量；另一方面，能量供給問(wèn)題，檢測(cè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)本身能量供應(yīng)有限，而且節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)能量供應(yīng)不足，就會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常使用，同時(shí)增加了系統(tǒng)的維護(hù)難度和成本。

本文針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，提出利用太陽(yáng)能充電解決無(wú)人值守系統(tǒng)中的能量供給問(wèn)題，利用休眠和Zig-Bee 的低功耗傳輸協(xié)議解決感知節(jié)點(diǎn)的能量消耗問(wèn)題，從而為無(wú)人值守系統(tǒng)提供，持續(xù)、低功耗的環(huán)境感知和數(shù)據(jù)傳輸。

1 總體設(shè)計(jì)

本文所提設(shè)計(jì)由基于太陽(yáng)能的感知節(jié)點(diǎn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器端和移動(dòng)終端組成，總體架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

基于太陽(yáng)能的感知節(jié)點(diǎn)：感知節(jié)點(diǎn)主要有太陽(yáng)能模塊、傳感器和CC2530 芯片組成。太陽(yáng)能模塊主要包括太陽(yáng)能光伏板、充放電管理和鋰電池。太陽(yáng)能光伏板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能，充電管理芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電管理，以防過(guò)充和過(guò)放對(duì)鋰電池造成不可逆的影響。傳感器包括溫度、濕度和亮度等傳感器，用來(lái)收集感知節(jié)點(diǎn)所在環(huán)境的數(shù)據(jù)，CC2530 芯片可以控制傳感器的信息收集和傳輸。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模塊：感知節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CC2530 芯片處理之后，通過(guò)ZigBee 協(xié)議無(wú)線傳輸?shù)铰酚善魃?，然后再傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器再通過(guò)串口與服務(wù)器端連接和數(shù)據(jù)傳輸

服務(wù)器與移動(dòng)終端：環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯集到協(xié)調(diào)器后，協(xié)調(diào)器通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。移動(dòng)終端可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，連接到服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)查詢和管理，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于太陽(yáng)能的感知節(jié)點(diǎn)的功能框圖如圖所示，由以下部件組成：

系統(tǒng)電源：包括了太陽(yáng)能板、充放電管理單元和充電池，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板對(duì)充電池的電量?jī)?chǔ)存管理，以及電池對(duì)ZigBee 射頻芯片和接口的電量使用管理。

射頻模塊：包括MCU 單元、2.4GHz 收發(fā)單元、GPIO 單元和存儲(chǔ)單元，ZigBee 芯片CC2530 集成大部分單元，部分單元僅需要少量擴(kuò)展，環(huán)境感知電路用于監(jiān)測(cè)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。

外設(shè)接口：包括感知節(jié)點(diǎn)調(diào)試接口單元和電量查詢接口，由串口和I/O 口組成。

圖2 基于太陽(yáng)能的感知節(jié)點(diǎn)的功能框

（1）太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽(yáng)能板接收到當(dāng)太陽(yáng)光的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過(guò)充放電管理單元對(duì)感知節(jié)點(diǎn)的充電池充電。太陽(yáng)能板是一個(gè)可產(chǎn)生感應(yīng)電流的器件，等效于一節(jié)0.5V 的電池，而太陽(yáng)能組件由多片的太陽(yáng)能板經(jīng)串或并聯(lián)組成，因此，太陽(yáng)能組件等效于一個(gè)由多個(gè)電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)組成的組件。太陽(yáng)能組件的太陽(yáng)能板數(shù)量于系統(tǒng)的工作電壓有關(guān)，其電壓是充電池電壓的1.4～1.5 倍。由于感知節(jié)點(diǎn)采用3.7V 的充電鋰電池，因此，組件工作電壓為3.7V×1.4≈5V 左右，所以，太陽(yáng)能板的數(shù)量為5V/0.5V=10 片，通過(guò)串聯(lián)10片的太陽(yáng)能板，可以獲得5V 的充電電壓，電流約為100mA。

（2）充放電管理設(shè)計(jì)

由于太陽(yáng)的光照會(huì)隨時(shí)間和環(huán)境發(fā)生變化，所以太陽(yáng)能板感應(yīng)到的太陽(yáng)光照會(huì)發(fā)射變化，因此太陽(yáng)能板及組件的輸出電壓并不穩(wěn)定，如果充電鋰電池沒有充放電管理或者充放電管理不合理，將大大縮短充電池的壽命。針對(duì)無(wú)人值守中感知節(jié)點(diǎn)的環(huán)境變化和長(zhǎng)期工作的需求，設(shè)計(jì)了對(duì)鋰電池的充放電自動(dòng)管理的電路，該管理電路既可以對(duì)電量存儲(chǔ)進(jìn)行有效管理，有可以監(jiān)測(cè)充電池的電壓避免鋰電池過(guò)度放電，從而延長(zhǎng)鋰電池的工作壽命。

本文采用CN3063 芯片對(duì)充電進(jìn)行管理，該芯片帶8 位的AD 轉(zhuǎn)換電路[4]，可以對(duì)充電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行管理，即根據(jù)充電池的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，充分發(fā)揮充電池的電流輸出能力，對(duì)于太陽(yáng)能板這類電流輸出能力有限的電壓源可以有效的進(jìn)行充電鋰電池的電量管理。CN3063 內(nèi)部典型的充電電壓為4.2V，但是可以設(shè)置一個(gè)外部電阻調(diào)整充電電流。當(dāng)沒有充電電壓時(shí)，充電鋰電池的工作電流低于3μA，芯片自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。充電管理電路部分如圖3 所示。

圖3 太陽(yáng)能充電管理電路

在圖中，電池的恒壓充電電壓如下公式：

VBAT是鋰電池電壓，單位伏特。恒流模式下的充電電流公式如下：

ICH為充電電流，R2是ISET 管腳到地的電阻。

（3）保護(hù)電路設(shè)計(jì)

鋰電池保護(hù)芯片采用CS213 和FS8205A，防止鋰電池的過(guò)充過(guò)放，鋰電池保護(hù)電路如下圖所示。聚合物鋰電池的工作電壓在3.2V 到4.2V 之間，過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)鋰電池造成不可逆的破壞。CS213 和FS8205A 能智能控制鋰電池的工作電壓電壓在正常范圍之內(nèi)。當(dāng)鋰電池電壓超過(guò)4.2V 時(shí)，保護(hù)電路將會(huì)自動(dòng)斷開充電電路，當(dāng)鋰電池的電壓低于閾值3.2V 時(shí)，保護(hù)電路將自動(dòng)斷開負(fù)載，停止鋰電池放電。

圖4 鋰電池保護(hù)電路

（4）電壓變換電路設(shè)計(jì)

為了減少鋰電池電量的耗損，采用TI 公司的TPS62046 電壓變換芯片，該芯片是一款標(biāo)準(zhǔn)的高效率5V-3.3V 電壓轉(zhuǎn)換芯片[5]，添加輸入和輸出濾波電容即可。其輸出電壓可以穩(wěn)定在3.3V 左右，輸出電流最高能達(dá)到1.2A，完全能滿足節(jié)點(diǎn)的供電需求。其輸入電源通常為單節(jié)鋰電池或者鎳氫電池，輸入電壓范圍為0.7V-6.0V，該芯片的電壓轉(zhuǎn)換效率理論值高達(dá)95%。電壓變換電路如圖5 所示。

圖5 電壓變換電路

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文采用TI 公司的CC2530 設(shè)計(jì)感知節(jié)點(diǎn)的射頻模塊，該芯片集成了2.45GHz 的射頻收發(fā)功能以及8位的C51 核處理單元，適用于低功耗、低速率的應(yīng)用場(chǎng)景。CC2530 在由內(nèi)部32MHz 晶振提供時(shí)鐘的工作狀態(tài)下，典型的電流值為6.5mA，在芯片處于無(wú)線接收模式時(shí)，輸入功率為-50dBm 時(shí)的電流值為20.5mA，在芯片處于發(fā)送模式時(shí)，輸出功率為4.5dBm 時(shí)電流值為33.5mA；CC2530 具有三種低功耗休眠模式：低功耗模式1 時(shí)保持32.768kHz 晶振、休眠定時(shí)器等寄存器處于活躍狀態(tài)，電流值為0.2mA；低功耗模式2 時(shí)也保持32.768kHz 晶振、休眠定時(shí)器等寄存器處于活躍狀態(tài)，電流值為1uA；低功耗模式3 時(shí)，只保持POR 活躍，電流值為0.4uA[6]。由收發(fā)和低功耗模式可見，CC2530 處于射頻模塊空閑或者運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電流的消耗是比較低的，如果配合休眠模式使用，可以使射頻模塊處于較低電流的狀態(tài)，從而在射頻模塊的設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)低功耗。

感知節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)利用傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器上，處理流程如圖6。

圖6 感知節(jié)點(diǎn)處理流程

當(dāng)ZigBee 感知節(jié)點(diǎn)上電后，自動(dòng)搜索并加入Zig-Bee 網(wǎng)絡(luò)，先檢查感知節(jié)點(diǎn)的電量情況，如果電量不充足，就需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整休眠時(shí)間，否則，則直接進(jìn)入環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，采集完成后，經(jīng)過(guò)處理和整合，發(fā)送到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，然后進(jìn)入休眠，一方面減少感知節(jié)點(diǎn)的功耗，另一方面，對(duì)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行太陽(yáng)能充電，從而保障感知節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作。以下是其中一種環(huán)境數(shù)據(jù)——溫度的收集代碼。

對(duì)于CC2530 內(nèi)置的單片機(jī)而言，計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)乘法較慢，因此把值擴(kuò)大10 倍，這樣就可以將浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為整數(shù)的運(yùn)算，提高運(yùn)算速度。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入等。在本設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口輸出到服務(wù)器端。

2.3 服務(wù)器和移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，服務(wù)器端的監(jiān)控軟件用Eclipse 開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，本地服務(wù)器使用Tomcat 搭建，移動(dòng)端使用Android 系統(tǒng)，用Java 開發(fā)。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器端的交互需要通過(guò)串口連接，RS-232 串口更通用和低成本，因此本系統(tǒng)采用RS-232串口連接ZigBee 協(xié)調(diào)器和服務(wù)器端。由于Java 語(yǔ)言屬于高級(jí)編程語(yǔ)言，運(yùn)行于虛擬機(jī)上，因此無(wú)法直接操作串口，通過(guò)導(dǎo)入本地動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)rxtxSerial.dll 到虛擬機(jī)的運(yùn)行環(huán)境中，然后通過(guò)JNI 技術(shù)進(jìn)行調(diào)用[7]。

服務(wù)器端監(jiān)控界面的主要功能如圖7 所示。

檢測(cè)串口：在打開串口之前，檢測(cè)連接到服務(wù)器端的串口，防止直接打開指定串口時(shí)出現(xiàn)異常。

設(shè)置串口參數(shù)：設(shè)置接收數(shù)據(jù)串口參數(shù)和ZigBee協(xié)調(diào)器串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的參數(shù)一致。

控制串口開關(guān)：在串口關(guān)閉狀態(tài)下點(diǎn)擊打開按鈕時(shí)，會(huì)對(duì)相應(yīng)的串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后打開該串口，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和保存到臨時(shí)文件當(dāng)中。在串口打開狀態(tài)下點(diǎn)擊該開關(guān)，會(huì)關(guān)閉串口，停止接收數(shù)據(jù)，并對(duì)已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

顯示數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)顯示區(qū)域能夠直觀地顯示服務(wù)器端接收到并進(jìn)行解析的數(shù)據(jù)。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備的普及，僅僅只能通過(guò)服務(wù)器端監(jiān)控ZigBee 環(huán)境數(shù)據(jù)已不能滿足日趨增長(zhǎng)的需求。簡(jiǎn)單的監(jiān)控方式往往滯后于實(shí)時(shí)變化的環(huán)境數(shù)據(jù)，因此根據(jù)此需求，本系統(tǒng)增加了移動(dòng)端監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)移動(dòng)端的手持設(shè)備，安裝了監(jiān)控軟件App，只要連接到網(wǎng)絡(luò)，就能查看到ZigBee 節(jié)點(diǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

移動(dòng)終端的主要包括登錄驗(yàn)證以及環(huán)境時(shí)間查詢兩個(gè)功能：登錄驗(yàn)證功能通過(guò)輸入服務(wù)器的主機(jī)地址、用戶名和密碼，在服務(wù)端驗(yàn)證是否為授權(quán)用戶；通過(guò)服務(wù)器的驗(yàn)證之后，即可以在功能列表中選擇查詢數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，查看ZigBee 節(jié)點(diǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖7 服務(wù)器端監(jiān)控界面主要功能

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 太陽(yáng)能感知節(jié)點(diǎn)測(cè)試

為了對(duì)太陽(yáng)能感知節(jié)點(diǎn)的充電電壓及通信情況進(jìn)行測(cè)試，將感知節(jié)點(diǎn)放置于無(wú)遮陽(yáng)處，保證感知節(jié)點(diǎn)一直處于全方位的太陽(yáng)光照射下，并在試驗(yàn)前將感知節(jié)點(diǎn)的電量耗光。分別在8 時(shí)、9 時(shí)、10 時(shí)、11 時(shí)點(diǎn)、13時(shí)、15 時(shí)、17 時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量感知節(jié)點(diǎn)的電池電壓并記錄，同時(shí)檢查感知節(jié)點(diǎn)在服務(wù)器界面上的顯示情況，記錄感知節(jié)點(diǎn)是否能進(jìn)行通信。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 太陽(yáng)能感知節(jié)點(diǎn)工作電壓及通信測(cè)試情況

通過(guò)1 小時(shí)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，感知節(jié)點(diǎn)的工作電壓從2.4V 上升到3.55V，進(jìn)入了正常工作，在后續(xù)的8 個(gè)小時(shí)充電電池穩(wěn)定在額定電壓范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了感知節(jié)點(diǎn)的能源持續(xù)供給。

3.2 服務(wù)器和移動(dòng)終端端測(cè)試

為了測(cè)試ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)的情況，對(duì)服務(wù)器端和移動(dòng)端的數(shù)據(jù)收集和查詢情況進(jìn)行測(cè)試。服務(wù)器端中監(jiān)測(cè)程序接收數(shù)據(jù)界面如圖8 所示，圖中，左側(cè)為串口設(shè)置、串口打開和串口探測(cè)等功能，界面底部顯示了串口工作情況，以及工作時(shí)間，界面右邊顯示了感知節(jié)點(diǎn)回傳的環(huán)境溫度，電池電壓和光照強(qiáng)度等信息。

移動(dòng)終端通過(guò)查詢功能獲得某個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的結(jié)果如圖9 所示，同樣顯示了感知節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)椒?wù)器的環(huán)境溫度、電池電壓和光照強(qiáng)度等信息。

圖8 服務(wù)器端監(jiān)控界面

圖9 移動(dòng)端數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)太陽(yáng)能充電和低功耗ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，解決了無(wú)人值守環(huán)境檢測(cè)中能量供給和能量消耗的問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試表明了，基于太陽(yáng)能充電的感知節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)穩(wěn)定的工作，并將環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端，通過(guò)整理和存儲(chǔ)后，移動(dòng)端用戶也可以通過(guò)查詢獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)為無(wú)人值守環(huán)境的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，今后可以對(duì)感知節(jié)點(diǎn)的休眠方法及網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)一步的改進(jìn)，提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。