嵌入式系統的太陽能雙電源系統設計＊

張鋒，李凱亮，曾俊林

（廣東石油化工學院，茂名525000）

引 言

太陽能作為一種新型能源具有綠色清潔、無環境污染、取之不竭用之不盡又無地域限制的優勢。陳潔[1]研制的太陽能多功能充電器可實現充電控制和電量檢測功能，整個充電過程中由指示燈指示；李麗[2]研制模塊式太陽能智能充電器實現自動辨別正負極，智能充電；朱憲忠等[3]設計太陽能電源僅僅供手機供電；丁成功等人（2013）[4]提出了對電源溫度的檢測的概念；胡奇勛等（2012）[5]設計了利用太陽能供電的無線傳感器網絡節點電源系統。這些系統存在單一電源供電、太陽能利用率低、缺少對電源的遠程管理等缺陷。

本設計針對目前已有的太陽能電源續航能力差以及無法實時監控電源電量的問題，提出一套基于ZigBee的太陽能雙電源設計方案，通過雙電源切換以及利用太陽能充電為電子產品提供電源，通過ZigBee無線傳輸實時監控電源電量，對于戶外電子器件的及時維護有著很大的意義。

1 系統總體框圖

圖1 系統框圖

本系統主要由太陽能電池、ZigBee控制模塊、開關控制電路、蓄電池、穩壓模塊以及上位機監控平臺組成，系統框圖如圖1所示。由太陽能電池板將太陽光能量轉化為電能，使用ZigBee作為控制核心，根據采集到的主、副電源的電量情況自動對開關控制電路進行控制，將電能存儲到相應的電源中，并無線傳輸數據至上位機監控平臺。每次只有一個電源在供電，另一個電源在充電，如此反復循環，滿足了長時間供電的要求。同時，為了滿足用電器不同的電壓要求，將輸出電壓分別穩壓至5 V、9 V以及12 V。

2 系統硬件電路設計

2.1 開關控制電路

開關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。開關控制模塊有太陽能電池板輸入接口、主/副電源輸入接口、5 V，9 V，12 V輸出接口。開關控制電路圖如圖2所示。

圖2 開關控制電路圖

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，減小流過的電流達到低功耗的要求。

繼電器控制子模塊采用DC-12 V繼電器，當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，繼電器導通。由于ZigBee控制模塊無法輸出滿足繼電器導通要求的控制信號，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，由ZigBee控制模塊控制對應端口的電平高低，從而實現繼電器的開關。

當主電源DC1和副電源DC2同時接入時，由于繼電器K1、K2仍保持初始狀態，即常閉狀態，此時使用主電源、副電源同時供電的模式。ZigBee控制模塊開始上電工作，經過A/D轉換后得到電源電量，再根據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，系統輸出的電流會增大，為了保護元器件，在輸出口放置了一個限流二極管，防止電流過大而損毀器件。

2.2 ZigBee控制模塊

CC2530是ZigBee無線數據傳輸中的一個核心芯片，它能夠以非常低的總體成本建立強大的網絡節點。CC2530芯片工作時具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統[6]。該芯片的ADC支持7～12位的分辨率，轉換精度高，滿足本設計的要求。

CC2530的A/D轉換輸入端口連接開關控制電路的電壓采集接口，對當前供電電源的電壓進行采樣，經CC2530進行A/D轉換量化得到電壓值。根據電壓值與電源電量的關系得到當前電源的電量，并根據電量情況對輸出端口的電平高低進行控制，經三極管放大控制信號進而達到控制開關電路的目的。ZigBee控制模塊功能框圖如圖3所示。

2.3 穩壓模塊

采用三端穩壓集成電路LM7805和LM7809穩壓芯片，將電源輸出的12 V電壓轉換至5 V、9 V電壓，實現多電壓輸出。LM78系列三端穩壓集成電路實現穩壓電路所需的外圍元件少，僅需兩個電容便可正常工作，且電路內部有過流、過熱及調整管的保護電路，使用可靠、方便。

2.4 電源安全防護設計

如果對鋰離子電池過充電、過放電、過電流和短路將會導致安全問題，因此電池需要一個保護電路。如圖4所示，電池保護電路具有可靠保護功能。選擇不易爆炸且免維護的鎳氫電池，并對電池二次封裝；現場所有設備均可靠接地，設置防雷保護電路；監控中心能隨時檢查到電池狀態[6]，便于操作人員對電源系統遠程監測。

圖3 ZigBee控制模塊功能框圖

3 系統軟件設計

3.1 電源檢測功能設計

圖4 電池保護電路

ZigBee系統通電，經過系統初始化之后，ZigBee的A/D轉換端口采集主電源電壓，將模擬的電壓量化成數值，并根據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能充電端口，此時采用主電源供電、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，主電源利用太陽能充電并一直持續到副電源電量不足；當副電源電量不足時，主電源結束充電并接通，此時副電源開始充電，主電源供電。如此反復切換，保證了系統為電子產品不間斷提供電源。雙電源工作流程如圖5所示。

圖5 電源檢測操作流程

3.2 ZigBee控制模塊設計

ZigBee網絡設備主要包括終端設備、路由節點、協調器節點。以CC2530的ZigBee芯片為核心構建終端節點，各個終端節點之間通過Z-Stack協議棧組成拓撲結構為網狀的網絡，建立相應的路由節點以及協調器。終端節點以及路由節點通過組網請求加入到協調器所在的網絡。終端節點檢測到的數據發送到其所屬的路由節點，再通過無線網絡傳輸到監控平臺以供管理人員進行監控。

3.3 監控平臺設計

監控平臺采用Qt平臺編寫，可以實現多平臺運行（Windows、Linux），適用面廣。監控平臺通過初始化串口設置，接收來自協調器的數據，并顯示到電腦界面上，供管理人員查看。運行本監控平臺應用軟件時，當有數據從接收數據的協調器上行至PC機串口，觸發串口接收信號槽，就會執行串口讀取數據的操作。接收完數據后校驗數據的完整性以及正確性，如果數據正確則執行數據分類存儲及分析，并將數據在圖表上繪制成曲線；如果校驗接收的數據是錯誤的則將數據丟棄；如果接收到的數據符合預警條件，則發送報警信息。其軟件工作流程如圖6所示。

圖6 監控平臺軟件工作流程圖

4 實驗與分析

本電源系統在廣東重點實驗室調試成功，實驗如下：將ZigBee接收設備（協調器）通過USB串口連接上計算機，并開啟設備的電源開關，可以看見節點LED燈開始閃爍，節點開始組建網絡；將采集節點設備上的傳感器等各個模塊組裝好，開啟電源開關，節點開始初始化并準備加入網絡，指示LED燈由快閃變為慢閃，表示節點已經加入網絡并定時向接收節點發送數據。

開啟上位機，設置COM口和波特率，選擇COM1，波特率為38 400 b/s。智能電源監控界面顯示各個節點實時監測數據，節點1數據分析圖如圖7所示。最左側顯示某一時刻的電源系統周圍環境實時參數：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%。左側曲線是電源環境溫度歷史曲線；右側曲線是電源環境濕度歷史曲線。

圖7 節點1數據分析圖

結 語

本文重點介紹了基于ZigBee的智能太陽能雙電源供電系統的設計開發。基于ZigBee控制模塊和開關控制模塊，實現主、副電源在供電、充電之間切換，大大地提升了供電系統的續航能力并實現實時的電量檢測。通過穩壓模塊的多電壓輸出，可以滿足電子產品不同的工作電壓要求，從而使系統的應用更有實際意義。同時利用太陽能電池板對電源充電，解決了戶外布線供電困難的問題，極大地降低了電子產品的戶外布設成本，使得電子元器件可以在戶外長時間工作。經過多次的全面測試以及安全分析，該系統可以安全、穩定地為其他電子產品供電，且實時監控電源電量，從而使電子產品在戶外長時間工作成為可能。

[1]陳潔.太陽能多功能充電器的設計研究[J].電子技術應用，2008（8）：75-77.

[2]李麗.模塊式太陽能智能充電器的設計與分析[J].機電信息，2012（12）：140-141.

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

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

[5]胡奇勛，段渭軍，王福豹.無線傳感器網絡節點太陽能電源系統設計[J].2011，34（6）：199-202.

[6]羅剛，蔣學彬，涂熹薇，等.油氣田有毒氣體泄漏預警與監測系統研究[J].鉆采工藝，2013（11）：116-118.