摘 要：针对风光互补发电系统的监测管理的需要，研发了一种基于ZigBee技术的无线传感器节点，其能对环境参数进行监测，可为供电系统提供实时准确的环境参数作为系统调控依据，使系统供电的连续性、稳定性和可靠性得到保障，为发电系统的可靠运行提供监测手段。
关键词：ZigBee；风光互补发电系统；无线传感器；硬件设计
世界能源需求的不断攀升和自然资源的日益枯竭，使得以高效和可持续的方式使用能源成为了当务之急。风力发电技术和太阳能发电技术是目前各国都在积极发展的技术，具有广阔的市场前景。但风力发电和光能发电与光照强度、风速、温度等大气环境因素密切相关，监测风速、风向、光照强度、温度和湿度等大气环境参数，对风力和光伏发电系统的维护管理、提高发电系统的工作效率都有着重要的实用价值。
本文研究的无线环境参数传感器对5种环境变量进行实时监测，并将数据传送给上位机，为风光互补发电系统的运行提供保障，以提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，保障发电系统有较高的工作效率，也为供电系统的调控提供可靠准确的数据根据。
1 功能
ZigBee无线传输技术具有低功耗、低成本、低复杂度及高灵活性等特点，降低了线路依赖性及安装维护成本，具有自动组网、转发等功能。风力、光伏发电设备均放在野外无人值守的环境中工作[1-3]，采用无线传感器网络进行数据采集有着特殊的优越性。
无线传感器网络由部署在监测区域的众多无线传感器节点以自组织方式组成网络系统，根据实际需要对监测对象进行有效的数据采集，并将数据以单跳或多跳的方式传送给外部的用户[4]。由于风光互补发电装置需要监测的位置是确定的，所以本课题研发的节点采用确定性部署方式。对于由于发电场地广阔带来的距离问题，通过增加适当的路由节点[5]来解决。
本文研究的无线传感器节点具有以下功能。（1）可以同时检测温度、湿度、光照强度、风速、风向这5项环境变量；（2）具有数据存储、重发功能；（3）可以接收控制中心的命令并进行各种工作参数设定；（4）具有自诊断功能。
2 无线传感器的整体结构
从网络功能来看，每个传感器节点同时具备终端和路由器的功能，这对其硬件设计提出了较高的要求[6]。传感器节点是监测网络的基本单元，由温度传感器、光照传感器、风速风向传感器、湿度传感器、单片机、电源芯片、无线通信模块及相关接口电路组成，传感器节点结构如图1所示。
传感器数据通过A/D转换传送给单片机，单片机处理、存储后由无线模块将数据发送给网络监控中心。单片机还通过无线模块接收命令，执行相应的处理。电源模块将风光互补发电系统蓄电池的直流电压经过变换后给传感器、单片机和无线模块等供电。
3 硬件的选择
3.1 处理器
处理器采用MSP430微处理器。该处理器可在线编程，远程升级，工作电压仅为2.2 V~3.6 V，且价格低廉，功耗超低，具有超强抗干扰能力。
3.2 无线网络模块
无线网络模块采用IP-Link 1223无线通信芯片。IP-Link 1223模块是基于IEEE 802.15.4/ZigBee技术的嵌入式无线模块，具有高频率、高工作速率、低功耗、小封装、多频道和较强的抗干扰能力等优点。IP-Link 1223模块的传输距离最大为200 m，添加上功率放大模块，传输距离可达1 000 m~1 200 m，是远程监控应用的理想选择[7]。IP-Link与单片机STC12LE5A60S2的接口电路[8]如图2所示。
3.3 温湿度传感器
本设计采用DHT11数字温湿度传感器。DHT11功耗低，在5 V电源电压下，工作平均最大电流为0.5 mA。DHT11数字温湿度传感器连接方法如图3所示。第1脚接电源正；第4脚接电源地；数据端为第2脚，可直接接主机（单片机）的I/O口，为提高稳定性，在数据端和电源正之间接一只4.7 kΩ的上拉电阻；第3脚为空脚，不用。传感器输出脚与单片机的P4.6连接，通过单总线方式获取所需数据[9]。
3.4 光照传感器
光照传感器采用BH1750FVI光照传感器，它是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。它通过I2C总线接口与单片机相连。光照传感器的连接图如图4所示。
3.5 风速风向传感器
采用FC-1风速风向传感器。该传感器由风速传感器、风向传感器和传感器支架组成，动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大、电路抗雷电干扰能力强、寿命长且工作可靠。风速风向传感器的连接图如图5所示。
D0~D6是风向传感器7位格雷码的输出管脚；2号管脚为风向传感器的输出管脚，由于输出形式为频率，因此与单片机能够脉冲计数的P4.2管脚相连。
3.6 电源
电源采用LTC3112电源芯片，可在VIN高于、低于或等于VOUT的情况下获得稳压输出，输入电压范围为2.7 V~15 V，输出电压范围为2.5 V~14 V。电源芯片输出5 V、3.3 V、12 V电压的连接图如6所示。
4 软件功能
风光互补发电监测系统无线传感器软件的主要功能是数据采集、存储，数据传输，无线网络通信，监测中心发送的命令的执行和工作参数的设置。无线通信模块IP-Link 1223中已经封装了完整的ZigBee通信协议，网络协议软件不用开发。
无线传感器的软件基本流程图如图7所示。
无线传感器上电后，单片机和IP-Link 1223模块进入初始化状态中，单片机的初始化主要是对各个寄存器进行设置，设置单片机串口的波特率，定时时间的长短以及中断的优先级。而IP-Link 1223模块在初始化前必须等待10 s，由于通信模块自身就包含处理器模块及通信协议，上电后需要等待一段时间后以保证模块进入正常工作模式，之后单片机才能与通信模块正常通信。
随着新型能源的研究和发展，风光互补发电系统越来越多地被应用在生产生活中。由于风光互补发电系统受到多种因素的制约，监测系统就显得尤为重要。本文主要探讨了应用ZigBee无线技术的风光互补发电系统的无线传感器节点的各个模块的选择、硬件设计以及软件设计。硬件设计为无线传感器的软件设计及在风光互补发电系统中的应用提供了基础。软件设计的程序按照监测过程主要包括了数据采集程序、数据发送与接收程序、数据存储、统计与处理以及监测界面。所组成的无线传感器网络具有低功耗、稳定可靠、自组织、多性能等明显超越其他无线传感器网络的优势，使其在环境监控应急事件等处理中，处于技术领先地位。
参考文献
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[2] 蔡朝月，夏立新.风光互补发电系统及其发展[J].机电信息，2009（24）:99-101.
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[4] VANESSA A D. Evaluating mobility models within an ad hoc network[A]. The Faculty and the Board of Trustees of the Colorado School，2000.
[5] Liu Zhixin， Dai Lili， Ma Kai， et al. Balance energy-efficient and real-time with reliable communication protocol for wireless sensor network[J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications， 2013.
[6] CHAN K Y， PHOON H J， OOI C P， et al. Power management of a wireless sensor node with solar energy harvesting technology[J]. Microelectronics International，Emerald， 2012-05-04.
[7] 赫立讯科技（北京）有限公司.IP-Link 122X User Manual v2.2.00_20080505[Z].2008.
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[9] 奥松电子有限公司.DHT11数字湿温度传感器的原理和应用范例[Z].2001.