引言

太阳能作为一种新型能源具有绿色清洁、无环境污染、取之不竭用之不尽又无地域限制的优势。陈洁[1]研制的太阳能多功能充电器可实现充电控制和电量检测功能，整个充电过程中由指示灯指示；李丽[2]研制模块式太阳能智能充电器实现自动辨别正负极，智能充电；朱宪忠等[3]设计太阳能电源仅仅供手机供电；丁成功等人（2013）[4]提出了对电源温度的检测的概念；胡奇勋等（2012）[5]设计了利用太阳能供电的无线传感器网络节点电源系统。这些系统存在单一电源供电、太阳能利用率低、缺少对电源的远程管理等缺陷。

本设计针对目前已有的太阳能电源续航能力差以及无法实时监控电源电量的问题，提出一套基于ZigBee的太阳能双电源设计方案，通过双电源切换以及利用太阳能充电为电子产品提供电源，通过ZigBee无线传输实时监控电源电量，对于户外电子器件的及时维护有着很大的意义。

1系统总体框图

本系统主要由太阳能电池、ZigBee控制模块、开关控制电路、蓄电池、稳压模块以及上位机监控平台组成，系统框图如图1所示。由太阳能电池板将太阳光能量转化为电能，使用ZigBee作为控制核心，根据采集到的主、副电源的电量情况自动对开关控制电路进行控制，将电能存储到相应的电源中，并无线传输数据至上位机监控平台。每次只有一个电源在供电，另一个电源在充电，如此反复循环，满足了长时间供电的要求。同时，为了满足用电器不同的电压要求，将输出电压分别稳压至5 V、9 V以及12 V。

图1 系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 开关控制电路

开关控制电路由电压采集子模块和继电器控制子模块组成，并使用了限流二极管防止电流过高损坏电子器件。开关控制模块有太阳能电池板输入接口、主/副电源输入接口、5 V，9 V，12 V输出接口。开关控制电路图如图2所示。

图2 开关控制电路图

电压采集子模块通过电阻分压将电压降低至ZigBee控制模块能检测到的电压范围，分压后的电压连接至ZigBee控制模块的A/D输入端口，基于减少功耗的考虑，采用了大阻值的电阻，减小流过的电流达到低功耗的要求。

继电器控制子模块采用DC12 V继电器，当继电器控制端口两端的电压满足12 V且通过电流大于350 mA时，继电器导通。由于ZigBee控制模块无法输出满足继电器导通要求的控制信号，于是将NPN型三极管的基极连接至ZigBee控制模块的端口，放大控制信号，由ZigBee控制模块控制对应端口的电平高低，从而实现继电器的开关。

当主电源DC1和副电源DC2同时接入时，由于继电器K1、K2仍保持初始状态，即常闭状态，此时使用主电源、副电源同时供电的模式。ZigBee控制模块开始上电工作，经过A/D转换后得到电源电量，再根据主电源电量情况决定采取何种供电模式。由于主、副电源切换时，系统输出的电流会增大，为了保护元器件，在输出口放置了一个限流二极管，防止电流过大而损毁器件。

2.2 ZigBee控制模块

CC2530是ZigBee无线数据传输中的一个核心芯片，它能够以非常低的总体成本建立强大的网络节点。CC2530芯片工作时具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[6]。该芯片的ADC支持7～12位的分辨率，转换精度高，满足本设计的要求。

CC2530的A/D转换输入端口连接开关控制电路的电压采集接口，对当前供电电源的电压进行采样，经CC2530进行A/D转换量化得到电压值。根据电压值与电源电量的关系得到当前电源的电量，并根据电量情况对输出端口的电平高低进行控制，经三极管放大控制信号进而达到控制开关电路的目的。ZigBee控制模块功能框图如图3所示。

图3 ZigBee控制模块功能框图

2.3 稳压模块

采用三端稳压集成电路LM7805和LM7809稳压芯片，将电源输出的12 V电压转换至5 V、9 V电压，实现多电压输出。LM78系列三端稳压集成电路实现稳压电路所需的外围元件少，仅需两个电容便可正常工作，且电路内部有过流、过热及调整管的保护电路，使用可靠、方便。

2.4 电源安全防护设计

如果对锂离子电池过充电、过放电、过电流和短路将会导致安全问题，因此电池需要一个保护电路。如图4所示，电池保护电路具有可靠保护功能。选择不易爆炸且免维护的镍氢电池，并对电池二次封装；现场所有设备均可靠接地，设置防雷保护电路；监控中心能随时检查到电池状态[6] ,便于操作人员对电源系统远程监测。

图4 电池保护电路

3 系统软件设计

3.1 电源检测功能设计

ZigBee系统通电，经过系统初始化之后，ZigBee的A/D转换端口采集主电源电压，将模拟的电压量化成数值，并根据该电压值判断主电源电量是否充足。若主电源电量充足，则ZigBee通过控制输出端口K1置为高电平，K2置为低电平，使得继电器1常闭，继电器2常开，则副电源接通到太阳能充电端口，此时采用主电源供电、副电源充电的模式。反之，采用副电源供电、主电源充电的模式，主电源利用太阳能充电并一直持续到副电源电量不足；当副电源电量不足时，主电源结束充电并接通，此时副电源开始充电，主电源供电。如此反复切换，保证了系统为电子产品不间断提供电源。双电源工作流程如图5所示。

图5 电源检测操作流程

3.2 ZigBee控制模块设计

ZigBee网络设备主要包括终端设备、路由节点、协调器节点。以CC2530的ZigBee芯片为核心构建终端节点，各个终端节点之间通过ZStack协议栈组成拓扑结构为网状的网络，建立相应的路由节点以及协调器。终端节点以及路由节点通过组网请求加入到协调器所在的网络。终端节点检测到的数据发送到其所属的路由节点，再通过无线网络传输到监控平台以供管理人员进行监控。

3.3 监控平台设计

监控平台采用Qt平台编写，可以实现多平台运行（Windows、Linux），适用面广。监控平台通过初始化串口设置，接收来自协调器的数据，并显示到电脑界面上，供管理人员查看。运行本监控平台应用软件时，当有数据从接收数据的协调器上行至PC机串口，触发串口接收信号槽，就会执行串口读取数据的操作。接收完数据后校验数据的完整性以及正确性，如果数据正确则执行数据分类存储及分析，并将数据在图表上绘制成曲线；如果校验接收的数据是错误的则将数据丢弃；如果接收到的数据符合预警条件，则发送报警信息。其软件工作流程如图6所示。

图6 监控平台软件工作流程图

4 实验与分析

本电源系统在广东重点实验室调试成功，实验如下：将ＺigＢee接收设备（协调器）通过USB串口连接上计算机，并开启设备的电源开关，可以看见节点LED灯开始闪烁，节点开始组建网络；将采集节点设备上的传感器等各个模块组装好，开启电源开关，节点开始初始化并准备加入网络，指示LED灯由快闪变为慢闪，表示节点已经加入网络并定时向接收节点发送数据。

开启上位机，设置COM口和波特率，选择COM1，波特率为38 400 b/s。智能电源监控界面显示各个节点实时监测数据，节点１数据分析图如图7所示。最左侧显示某一时刻的电源系统周围环境实时参数：温度是28.5 ℃；湿度是80%；电源1的电量是98.0%;电源2的电量是10.2%。左侧曲线是电源环境温度历史曲线；右侧曲线是电源环境湿度历史曲线。

图7 节点１数据分析图

结语

本文重点介绍了基于ZigBee的智能太阳能双电源供电系统的设计开发。基于ZigBee控制模块和开关控制模块，实现主、副电源在供电、充电之间切换，大大地提升了供电系统的续航能力并实现实时的电量检测。通过稳压模块的多电压输出，可以满足电子产品不同的工作电压要求，从而使系统的应用更有实际意义。同时利用太阳能电池板对电源充电，解决了户外布线供电困难的问题，极大地降低了电子产品的户外布设成本，使得电子元器件可以在户外长时间工作。经过多次的全面测试以及安全分析，该系统可以安全、稳定地为其他电子产品供电，且实时监控电源电量，从而使电子产品在户外长时间工作成为可能。