一种无线太阳辐照数据采集节点的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种无线太阳辐照数据采集节点，包括供电模块、主控模块、ZigBee透传模块、辐照传感器，其特征在于：ZigBee透传模块，用于对无线通信信道进行监听，监测到信道中的信息后，将该信息发送给主控模块；还接收来自主控模块的信息，将该信息经由无线通信信道上传至上位机；主控模块，根据由ZigBee透传模块获取的信息，按照设定的采样模式对辐照传感器的输出端进行读取，将读取的数据打包发送给ZigBee透传模块。本实用新型提供的节点的工作模式简洁、控制信息与数据信息的传输格式简练，这不仅降低了上位机对其调用的复杂程度，也提高了节点工作的可靠性。
【专利说明】一种无线太阳辐照数据采集节点
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种使用ZigBee无线通信技术作为数据传输手段，可以根据上位机控制指令对太阳辐照数据进行远程采集的数据采集节点。
【背景技术】
[0002]对太阳辐照数据的采集在环境、林业、资源及光伏发电领域都具有十分重要的意义。通过采集到的太阳辐照数据可供对日光辐射强度、云层气象条件、太阳辐照的实时变化规律、植物光合作用效率、农业经济作物生长情况、森林植被覆盖性态情况及光伏发电效率等进行有针对性的分析。但是由于条件所限，部分太阳辐照监测位置难以使用有线传输方式布设监测节点。例如在林业领域需要测量乔木冠层顶部的日光实时辐照值时，就难以布设专用的数据传输线用以连接监测节点与上位机。使用有线数据线传输数据的传输距离受线长限制、传输线成本较高、系统维护较为繁琐。此外由于辐照传感器的成本相对较高，在测量时常采用测试时布设、测试结束后取回的安装方式。传统的有线数据传输方式对监测节点的快速布设与拆除也造成了一定的困难。由于太阳辐照传感器通常需要安置在户外环境下，难免受到雨雪风霜等环境因素的影响，节点易于被外界因素损坏。这也要求节点的成本要控制在合理的范围内，且要架构简单易于维护。
[0003]随着无线通信技术与嵌入式技术的发展，无线传感网络技术日益成熟。近年来，采用ZigBee规范的无线传感器组网技术得到的较快的发展。Zigbee是基于IEEE802.15.4无线传输标准的低功耗个域网(PAN)协议。ZigBee技术的优点体现在组网简单、性能可靠、能耗较低、成本低廉、安全可靠性高、网络容纳节点数量多及可扩展性好。ZigBee技术已经在工业、金融、物流、气象、医疗、矿业与智能家居领域都得到了应用。现已有多家国内外厂商生产了基于ZigBee协议的商用数据模块，部分模块可实现透明传输。用户仅需通过RS-232、SPI或I2C等数据总线对模块进行简单的读写操作，就可实现数据的传输。这大大方便了对ZigBee技术的使用。利用ZigBee技术可以在数百米的范围内传输最高达250Kb /S的数据。结合低成本的嵌入式技术，可供构建稳定可靠的数据传输通道。太阳辐照受太阳辐射、大气情况及云层变化等因素影响，其变化速度远低于ZigBee的数据传输速率及常见单片机的采样速率。所以采用ZigBee与单片机结合的技术方案可以有效地对太阳辐照数据进行采集与传输。
实用新型内容
[0004]本实用新型要解决的技术问题是提供一种利用ZigBee技术实现太阳辐照数据远程采集及控制的ZigBee节点设备。
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种无线太阳辐照数据采集节点，包括供电模块、主控模块、ZigBee透传模块、辐照传感器，其特征在于:
[0006]由供电模块为主控模块及ZigBee透传模块提供恒定的工作电压，该供电模块为辐照传感器提供数值连续可调的工作电压；[0007]辐照传感器，用于采集辐照数据，采集到的辐照数据传输给主控模块；
[0008]ZigBee透传模块，用于对无线通信信道进行监听，监测到信道中的信息后，将该信息发送给主控模块；还接收来自主控模块的信息，将该信息经由无线通信信道上传至上位机；
[0009]主控模块，根据由ZigBee透传模块获取的信息，按照设定的采样模式对辐照传感器的输出端进行读取，将读取的数据打包发送给ZigBee透传模块。
[0010]优选地，所述主控模块包括内置A / D转换单元的单片机电路单元，单片机电路单元通过A / D转换单元的模拟量输入端对供电模块提供的主控模块及ZigBee透传模块的工作电压以及辐照传感器的工作电压进行监测，若监测到的电压值异常，则通过ZigBee透传模块向上位机发出告警信息。
[0011]优选地，所述主控模块还包括电平转换单元，所述单片机电路单元通过USART端口向所述ZigBee透传模块传输数据，在该USART端口与ZigBee透传模块之间串接电平转换单元，由该电平转换单元进行格式转换。
[0012]优选地，还包括电压表头，由该电压表头检测供电模块输出的连续可调的工作电压的数值。
[0013]本实用新型改进现有太阳辐照数据采集系统的数据传输方式，采用低成本的无线传输技术代替有线数据传输方式。改善有线数据传输线对系统安装带来的限制、提高监测节点布设与拆除转移的效率、提高数据传输覆盖距离、降低维护复杂度且优化其系统成本。在此基础上尽可能降低设计的复杂度与成本。
[0014]本实用新型具有如下有益效果:
[0015]本实用新型提出了一种用于太阳辐照数据采集的节点，该节点使用ZigBee无线传输技术使其避免了传统有线数据传输的限制，使布设维护较为方便。节点采用低成本的CMOS单片机及商用透传模块实现，系统结构简单、使用容易、成本低廉。节点具有三种数据采集模式可以远程设置，用户可以方便地根据数据采集需求进行选取。节点对系统供电与传感器供电进行监测，遇到异常则向用户发出警报，降低了供电问题给数据采集带来的风险。传感器供电可以人为调整，便于匹配不同型号传感器的供电需求。节点的工作模式简洁、控制信息与数据信息的传输格式简练，这不仅降低了上位机对其调用的复杂程度，也提高了节点工作的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型提供的一种无线太阳辐照数据采集节点结构图；
[0017]图2为PIC16F690弓I脚接线图；
[0018]图3为串口实现方案原理图；
[0019]图4为节点供电原理图；
[0020]图5为节点程序流程图。
【具体实施方式】
[0021]为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0022]本实用新型提供了一种无线太阳辐照数据采集节点，该节点在设计中分为太阳辐照数据采集部分、数据传输部分及系统供电监测部分。节点围绕低成本的单片机设计，并采用商用透传ZigBee模块作为数据传输手段。如图1所示，本实用新型提供的一种无线太阳辐照数据采集节点主要包括供电模块、主控模块、ZigBee透传模块、辐照传感器。
[0023]主控模块包括单片机电路单元及电平转换单元。单片机电路单元是节点的核心部分，节点的通信、数据采集及供电监测都由其完成。在设计时应尽可能选择内部集成了高精度A / D及UART通信模块的单片机。另外单片机的功耗也要在满足系统需求的前提下尽可能低。在本实施例中，单片机采用微芯公司(Microchip)生产的PIC16F690单片机，该单片机为采用纳瓦技术的20引脚8位CMOS闪存单片机。
[0024]PIC16F690的封装形式为DIP-20，其对应的接线图如图2所示。通过辐照传感器获取的辐照数据通过RB4 (13，管脚号，下同)管脚输入PIC16F690，并被AD采样变换。PIC16F690的RC7 (9)与RCO (16)管脚用于对系统供电与传感器供电电压进行监测。RB5 (12)与RB7(10)管脚用于USART的接收(Rx)与发送(Tx)。MCLR(4)管脚用于单片机的复位。RAO (19)与RAl (18)用于连接微芯公司生产的PICKIT下载器，进行程序下载。系统时钟使用24MHz有源晶振，晶振产生的时钟信号由RA5(2)输入PIC16F690。PIC16F690的供电端采用0.1yF电容去耦。
[0025]常见辐照传感器的输出可分为模拟与数字两种。输出为模拟量的辐照传感器成本较为低廉且易于调试，在单片机内置高精度A / D的前提下模拟输出的辐照传感器的性能完全可满足大多数系统监测的需要。在选取时应优先选取内置转换器、输出为线性比例电压信号的辐照传感器。在本实施例中，选用DAVIS6450辐照传感器监测日光辐照。
[0026]当ZigBee透传模块接收到数据包后，单片机监测到串行启动位之后进入相应的处理程序。ZigBee透传模块可利用市售商用模块，选择时应选取接口为RS-232串口的设计以方便模块连接与替换。在本实施例中，选用深圳鼎泰克公司生产的DTK-2617型串口转Zigbee无线模块，该模块可较好地满足本设计对监测数据进行透明传输的要求。
[0027]DTK-2617模块为基于ZigBee协议的透明传输模块，在使用前需要对其进行配置。其需要配置的参数如下:PAN ID、频道、自身ID、目标ID及波特率。使用者可以根据具体情况灵活地配置以上参数。在本实施例中各参数的配置值如下(十六进制):PAN ID-OIAA,频道-20、自身ID-503E、目标ID-OOO1、波特率-9600。由于DTK-2617通过可变长度容器的方式为用户提供数据传输的调用接口，所以用户在编写程序时可以省略结束码。实施例所对应的节点设计中，传输数据及控制信息时所用的容器长度统一定为5字节。
[0028]单片机USART端口与该Zigbee无线模块之间需要配备电平转换芯片，在本实施例中，PIC16F690的USART端口与DTK-2617数据传输模块的RS-232端口之间的连接通过MAX232进行格式转换。设计中采用Maxim公司MAX232数据手册中推荐的标准方案，如图3所示。DTK-2617 通过 DB9 接口(D Connector9)与 MAX232 连接。
[0029]节点设计中考虑到辐照传感器、单片机及外围器件供电的多样性要求，分别设计了有针对性的供电方案。如图4所示，辐照传感器使用LM317三端稳压器产生可调电压输出。通过调整可调电位器Rv，即可改变VCC3端的电压值。在VCC3处还端接一电压表头，供使用者直观地观察传感器供电端的电压。单片机及外围器件使用LM1117(5.0)产生恒定5V的供电电压VCC。在LM317与LMl 117的输入输出端还布设了滤波电容。DTK-2617由于其内部已经含有三端稳压器，所以直接采用系统原始供电Vi。[0030]由于户外供电常采用太阳能等方式，供电电压在部分情况下不稳定。所以设计中应加入对系统供电电压与辐照传感器供电电压的监测。设计中利用单片机的内置A / D分别对系统与辐照传感器供电电压进行监测，如果供电电压低于或高于预先设定的阈值就通过ZigBee透传模块发出告警信息以便系统管理员处理。告警信息的格式为前导码+节点ID号+告警信息+结束码。告警信息发出后开启告警定时器，定时周期结束后重新发送告警信息。依此类推，不断循环往复，直到监测到正常的供电信息或系统管理员掉电关闭节点。系统供电告警阈值可设定为比系统允许最低供电电压高1-2V、最大供电允许电压低1-2V ；辐照传感器供电告警阈值设定需参考具体传感器的需求，可定为传感器供电允许偏离值的70% -80%。
[0031]实施例中节点的供电电压的允许范围是6.5V-12V，PIC16F690通过RC7对这一电压进行监测。如果电压小于8V或大于10.5V，节点都将发出系统供电异常报警信息。根据ZigBee模块的协议格式，系统供电异常报警信息的具体格式为(16进制):FD+05+0001 (上位机ID)+FF AAAAAAAA。DAVIS6450允许的供电电压偏离值为2.7V-3.3V，实施例中如果传感器供电电压低于2.8V或高于3.2V就会发出传感器供电异常报警。传感器供电异常报警信息的具体格式为(16进制):FD+05+0001 (上位机ID)+FF55555555。在发送完报警信息后，PIC16F690进入延时程序开启定时器，该延时程序通过结合PIC16F690内部的Timerl定时器和Timer2定时器嵌套实现，延时长度为5秒。当延时结束后重新对系统供电与传感器供电进行检测。如果还处于异常状态，则继续发出对应的告警信息。如果无异常，则返回等待状态。
[0032]结合图5，上述无线太阳辐照数据采集节点的工作流程为:
[0033](I)使用前配置:节点在使用前进行配置时被赋予一个唯一的节点ID号，使用者根据辐照传感器的供电电压调整可调电位器Rv，使VCC3端的电压值满足特定的电压需求。使用者在进行电压调整时，可以通过电压数字表头来观察VCC3端的具体电压值。
[0034](2)待机状态:在完成配置并安装完毕后，使节点上电工作。节点利用ZigBee透传模块对通信信道进行监听，并对节点供电电压与辐照传感器的供电电压进行监测。如果发现节点供电电压或辐照传感器的供电电压异常，就通过ZigBee透传模块发出告警信息，并停止响应任何控制命令，直到检测到正确的供电信息或节点由管理员掉电关闭。
[0035](3)控制命令接收:当ZigBee透传模块监测到信道中的信息后，触发单片机的外部中断。单片机通过ZigBee透传模块接收控制命令。控制命令数据包的格式为前导码+节点ID号+控制信息+结束码。控制命令数据包中包含采样模式、采样次数、每次采样之间的间隔、触发阈值信息。设计中采用不同的前导码使节点可以区分接收到的信息是由上位机发来的控制信息还是网内其他节点传输的数据。在监测节点进行数据采集时，可通过控制命令可以将节点的工作模式设定为单次采集模式、连续采集模式及阈值采集模式。控制信息中不同的比特位代表不同的工作模式。
[0036]本实施例中对应的控制命令数据包格式为:FD+05+503E(数据节点自身ID)+FF+模式设定位(2位16进制数；00-单次采集、01-连续采集、02-阈值采集)+采集次数(2位16进制数；单次采集-设为00 ;连续采集/阈值采集-根据实际需求设定，设定值为0-FF，最大为256次)+触发阈值(2位16进制数；单次采集/连续采集-设为00 ；阈值采集-根据实际需求设定，设定值为0-FF，最小为参考电压的256分之一)+FF。控制信息中的采集次数参数设定了在连续采集或阈值采集模式下需要采集的数据数，触发阈值参数设定了需将参考电压分压多少分之一以获得阈值。比如本例中参考电压为5V，如果阈值参数设定为AE (16进制，等于十进制的174)，那么触发采样阈值就近似等于5V / 174=0.02874V。当节点接收到控制信息进行采样后，则屏蔽由USART发出的中断响应。只有在完成采样后，才重新使能USART中断。
[0037](4)控制信息判断:当节点完成信息接收后根据前导码判断这个数据是否是控制命令。如果是控制命令则进一步将控制命令中的节点ID号与自身预先配置好的节点ID号进行比较，验证是否是针对本节点所发送的控制命令。以上两次判断都为“真”的情况下，转入辐照数据采集步骤。假如不是控制命令或节点ID号与自身的节点ID号不匹配，则不做出响应，返回对数据信道的监听过程中。
[0038](5)辐照数据采集:当节点确认控制信息后，就开始数据采集与传输过程。节点依据之前接受到控制信息设定采样模式，开始对辐照传感器的输出电压进行读取，并通过ZigBee透传模块发往上位机。数据包格式为前导码+节点ID+数据+结束码。每一个数据包中含一个采样数据值。在本实施例中，节点采集到的数据按照以下格式发回上位机:FD+05+0001 (上位机ID) +数据序号(4位16进制，对应上位机逆序采集的本次数据时对应的序号；单次-0000、连续采集/阈值采集-00+实际序号)+采集到的辐照数据(4位16进制，不足在前方补O) +校验和(2位16进制，由序号与数据高低8位与操作形成)。
[0039]在监测节点进行数据采集时，可通过控制命令可以将节点的工作模式设定为单次采集模式、连续采集模式及阈值采集模式。控制信息中不同的比特位代表不同的工作模式。
[0040]单次采集模式:节点通过A / D端口对辐照传感器的输出进行一次采集量化后将数据发回上位机，之后进入待机状态。
[0041]连续采集模式:单片机根据控制命令中规定的采集次数与采样间隔分别设定一个计数器和定时器控制字。监测节点每完成一次数据采集后将监测数据发回，然后执行计数器减一操作。如果计数器溢出，则执行数据采集结束流程。反之则开启定时器，等待定时结束后开始下一次采样过程。
[0042]在本实施例中，在连续采集模式下，节点将采样设定值存储在变量空间中，并按照采集次数进行采样。每完成一次采样、并将数据发回上位机后后将变量空间中的采样值减1，并进入一个5秒长度的延时程序。在延时结束后开始下一次采样。
[0043]阈值工作模式下节点连续地对辐照传感器输出进行监测，如果辐照值的变化超过了通过控制命令预先设定的阈值，监测节点就将采集到的数据发回上位机。当发回的数据超过控制命令预先设定的监测数量后，则进入数据采集结束流程。
[0044]在本实施例中，在阈值采样模式下也需要将采样设定值存储在变量空间中，每次有效采样完毕(与上一次的采样值的差大于阈值)并将数据返回上位机后执行采样数减I与延时程序。当延时结束后对辐照传感器进行采样并与上一次有效采样值进行比较，如果差值没有超过预先设定的阈值，则不将数据发回上位机且将本次采样结果丢弃。只有在进行了有效采样之后，才执行发送操作，并将新的有效采样值写入寄存器共随后的有效采样判定比较。在连续采集与阈值采集模式下，每次采样之间还要对系统及传感器供电进行监测，如果出现异常，则直接终止采样并发出告警信息。
[0045]用户可以根据具体需要通过对节点发送控制命令来灵活地选择以上三种模式。在少数极端情况下节点外部供电电压稳定性很差，在连续监测或者阈值监测模式的采样周期中系统或传感器供电电压可能会发生变化。为应对这种情况，可以在每一次数据采集之后令单片机额外对供电进行监测一次，根据对系统供电的监测结果选择系统告警或者继续下一次数据采集。
[0046](6)数据采集结束:当完成数据采集后，节点向上位机返回采样结束信息。数据包格式为前导码+节点ID+采样结束标志信息+结束码。采样结束信息发送完毕后节点开启一个计时器，并使无线通信模块处于监听状态。当收到上位机发回的接受确认指令或者定时器超时，节点进入待机状态。
【权利要求】
1.一种无线太阳辐照数据采集节点，包括供电模块、主控模块、ZigBee透传模块、辐照传感器，其特征在于: 由供电模块为主控模块及ZigBee透传模块提供恒定的工作电压，该供电模块为辐照传感器提供数值连续可调的工作电压； 辐照传感器，用于采集辐照数据，采集到的辐照数据传输给主控模块； ZigBee透传模块，用于对无线通信信道进行监听，监测到信道中的信息后，将该信息发送给主控模块；还接收来自主控模块的信息，将该信息经由无线通信信道上传至上位机； 主控模块，根据由ZigBee透传模块获取的信息，按照设定的采样模式对辐照传感器的输出端进行读取，将读取的数据打包发送给ZigBee透传模块。
2.如权利要求1所述的一种无线太阳辐照数据采集节点，其特征在于:所述主控模块包括内置A / D转换单元的单片机电路单元，单片机电路单元通过A / D转换单元的模拟量输入端对供电模块提供的主控模块及ZigBee透传模块的工作电压以及辐照传感器的工作电压进行监测，若监测到的电压值异常，则通过ZigBee透传模块向上位机发出告警信息。
3.如权利要求2所述的一种无线太阳辐照数据采集节点，其特征在于:所述主控模块还包括电平转换单元，所述单片机电路单元通过USART端口向所述ZigBee透传模块传输数据，在该USART端口与ZigBee透传模块之间串接电平转换单元，由该电平转换单元进行格式转换。
4.如权利要求1所述的一种无线太阳辐照数据采集节点，其特征在于:还包括电压表头，由该电压表头检测供电模块输出的连续可调的工作电压的数值。
【文档编号】H04W84/18GK203455941SQ201320573602
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】杨义, 徐杨柳, 周红伟, 李梦竹, 靳修峰, 朱明达, 韩芳 申请人:东华大学, 昆山思达软件集成有限公司