基于ZigBee 和GPRS 的戶用屋頂光伏管理系統(tǒng)

劉彥超 位禮奎

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

隨著分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，戶用屋頂光伏逐漸走入千家萬戶［1-3］。大規(guī)模的分布式屋頂光伏的接入給電網(wǎng)公司的管理帶來了困難和挑戰(zhàn)，因此，有必要進行集中式的監(jiān)測和管理，以提高家庭供電的安全性和可靠性［4-6］。文獻［7］開發(fā)了基于RS-485 總線和Internet 網(wǎng)絡技術(shù)的光伏遠程監(jiān)控系統(tǒng)，但其主要針對光伏電站設計，不適合用在網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量較多的戶用光伏中。文獻［8］針對人煙稀少的邊遠地區(qū)，設計了太陽能光伏發(fā)電無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)網(wǎng)絡的利用率較低。文獻［9］提出一種結(jié)合DSP 和3G 技術(shù)的并網(wǎng)運行光伏監(jiān)控系統(tǒng)，其通信速度更快，但建設和通信成本較高。因此，現(xiàn)有的光伏監(jiān)控系統(tǒng)并不適用于大規(guī)模戶用屋頂光伏的管理。

本文以ZigBee 和GPRS 通信技術(shù)為基礎，提出了一種全新的管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對戶用屋頂光伏的層次化管理。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所提出的戶用屋頂光伏管理系統(tǒng)，由用戶監(jiān)控終端、區(qū)域監(jiān)控子站、遠程管理中心三個層次組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。用戶監(jiān)控終端與區(qū)域監(jiān)控子站間通過ZigBee 網(wǎng)絡進行通信，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的接收;區(qū)域監(jiān)控子站與遠程控制中心間通過GPRS 網(wǎng)絡進行通信，實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制指令的接收;遠程管理中心通過上位機實現(xiàn)對管理范圍用戶的監(jiān)測和管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

2 關鍵部件硬件設計

2.1 用戶監(jiān)控終端

用戶監(jiān)控終端包括用戶端監(jiān)控設備和ZigBee 無線通信模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 用戶監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the user monitoring terminal

用戶端監(jiān)控設備主要由數(shù)據(jù)采集器、處理器模塊、LCD 顯示屏、控制按鍵、電源模塊組成。數(shù)據(jù)采集器采集逆變器和蓄電池的電壓、電流、電量、溫度等信息，送給處理器模塊的內(nèi)部存儲單元。處理器模塊將這些參數(shù)通過顯示屏顯示給用戶，用戶可根據(jù)自身需求對其屋頂光伏進行簡單控制。

本文用戶監(jiān)控終端的處理器模塊和無線通信模塊采用一片CC2530 芯片。CC2530 是TI 公司生產(chǎn)用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系統(tǒng)解決方案，片內(nèi)整合了RF 收發(fā)器、增強型8051MCU、最大256 kB 的Flash 內(nèi)存、8 kB 的RAM;集成了2 個USART、8 通道12 位ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換，128 位AES 加密解密安全協(xié)議;只需極少的外圍電路即可實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，并且支持空中無線下載?？紤]到用戶監(jiān)控終端可能安裝在室內(nèi)或建筑物較多的區(qū)域，會對ZigBee 無線信號的傳輸造成很大衰減，所以加裝了CC2591 射頻范圍擴展器。CC2591 具有低功耗、低電壓的特點，能有效提高CC2530 的輸出功率，增加數(shù)據(jù)收發(fā)的靈敏度。用戶監(jiān)控終端將用戶數(shù)據(jù)按照ZigBee 通信協(xié)議規(guī)范發(fā)送給區(qū)域監(jiān)控子站，同時，接收區(qū)域監(jiān)控子站傳達的指令，對用戶設備進行控制。

2.2 區(qū)域監(jiān)控子站

區(qū)域監(jiān)控子站是建立在一定區(qū)域內(nèi)(如某小區(qū)或某農(nóng)村)的監(jiān)控設備，負責本區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡的管理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)，包括ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、控制器、外部存儲模塊、環(huán)境檢測傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電源模塊和GPRS 通信模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示

圖3 區(qū)域監(jiān)控子站硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of the regional monitoring sub-station

在本文的設計中，選用TI 公司CC2538 作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和控制器的主芯片。這款產(chǎn)品包含基于ARM Cortex M3 的強大的MCU 系統(tǒng)，具有高達32 kB 的片上RAM 和高達512 kB 的片上閃存以及可靠的IEEE 802.15.4 射頻功能;能夠處理涉及安全性、要求嚴格的應用以及無線下載的復雜網(wǎng)絡堆棧;32 個通用輸入和輸出(GPIO)以及串行外設接口可實現(xiàn)到電路板其它部分的簡單連接。GPRS 模塊采用的是Siemens 公司的MC35i 模塊，其尺寸很小，方便集成到其他設備中，能得到永久在線連接、快速數(shù)據(jù)存儲和更快的數(shù)據(jù)下載速度。GPRS 模塊和CC2538 之間的通信采用UART 接口。CC2538 首先對模塊進行串口參數(shù)設置。接著進行模塊參數(shù)設置GPRS 模塊成功接入網(wǎng)絡后，CC2538 將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP 幀格式，經(jīng)串口發(fā)送給GPRS 模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS 網(wǎng)絡發(fā)送至遠程管理中心。

環(huán)境檢測傳感器負責對區(qū)域內(nèi)日照、溫度等天氣情況的監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給控制器。此外，由于區(qū)域內(nèi)的用戶較多，用戶數(shù)據(jù)量大，需要擴展外部存儲單元，以方便用戶數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送。

2.3 遠程管理中心

遠程管理中心包括控制計算機、Web 服務器和數(shù)據(jù)庫服務器。遠程管理中心通過Web 服務器接收區(qū)域監(jiān)控子站經(jīng)GPRS 網(wǎng)絡發(fā)來的數(shù)據(jù)，利用上位機對用戶進行實時的監(jiān)測和管理，并建立數(shù)據(jù)庫對用戶數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

3 軟件設計

3.1 監(jiān)控終端程序設計

監(jiān)控終端程序流程圖如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控終端程序流程圖Fig.4 Flowchart of the program of monitoring terminal

用戶監(jiān)控終端需要完成對用戶信息的采集和顯示，并實時接收區(qū)域監(jiān)控子站發(fā)來的指令，完成數(shù)據(jù)上報和設備控制。在正常情況下，區(qū)域監(jiān)控子站每隔一段時間向用戶監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)上報指令，監(jiān)控終端收到上報指令后，將采集到的信息進行上報;當用戶監(jiān)控終端接收到區(qū)域監(jiān)控子站發(fā)來的控制指令時，處理器進入控制中斷子程序完成相應控制。

3.2 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器程序設計

作為區(qū)域監(jiān)控子站的關鍵部件，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責區(qū)域內(nèi)ZigBee 無線網(wǎng)絡的建立、管理和維護。由于各用戶間無需通信，且用戶監(jiān)控終端與區(qū)域監(jiān)控子站在硬件上滿足通信距離的要求，本文的設計中選用星型拓撲作為區(qū)域內(nèi)ZigBee 無線網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)。這種拓撲方式結(jié)構(gòu)簡單、管理方便。

設備上電復位后，協(xié)調(diào)器首先完成協(xié)議棧的初始化工作，然后協(xié)調(diào)器開始掃描并選擇合適的信道，建立區(qū)域內(nèi)的ZigBee 無線網(wǎng)絡。區(qū)域內(nèi)的各用戶可以根據(jù)管理中心的安排加入或退出網(wǎng)絡。由于采取星型拓撲結(jié)構(gòu)，用戶終端與區(qū)域子站間實際上是點對點的通信，區(qū)域監(jiān)控子站每隔一段時間向各用戶監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)上報指令，接收用戶上報的數(shù)據(jù)并進行格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送給管理中心;同時，也接收從管理中心發(fā)送來的控制指令，根據(jù)指令地址將指令傳達給相應的用戶終端，完成對用戶的控制。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器程序流程如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器流程圖Fig.5 Flowchart of the network coordinator

3.3 管理軟件設計

遠程管理中心是整個管理系統(tǒng)的中樞，負責其整個管理范圍內(nèi)各用戶、各區(qū)域的監(jiān)測和控制。遠程管理中心接收各區(qū)域監(jiān)控子站經(jīng)GPRS 網(wǎng)絡發(fā)來的數(shù)據(jù)，完成對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分析、顯示和存儲;及時發(fā)現(xiàn)用戶側(cè)的故障或警告，根據(jù)用電情況作出相應的安排，控制用戶側(cè)的運行;建立專門的數(shù)據(jù)庫保存用戶數(shù)據(jù)，方便對歷史數(shù)據(jù)的查看、調(diào)用和上傳。

本文的設計中，采用LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)平臺進行管理界面的開發(fā)，并設計有系統(tǒng)啟動界面、系統(tǒng)主控界面、系統(tǒng)設置界面、實時顯示界面、歷史數(shù)據(jù)界面、故障報警界面等。LabVIEW 便捷的圖形化顯示功能為管理人員提供了專業(yè)的可視化操作。管理人員可通過管理界面觀察各區(qū)域、各用戶的運行情況，并及時發(fā)送控制命令，實現(xiàn)了智能化管理。

采用關系數(shù)據(jù)庫與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，利用SQL 建立用戶數(shù)據(jù)庫，通過LabVIEW 接口模塊對用戶數(shù)據(jù)進行存儲和管理［10］，并將數(shù)據(jù)庫服務器與Web服務器相連接，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。

4 實驗分析

在實驗室環(huán)境中，對本文所設計的戶用屋頂光伏管理系統(tǒng)進行了實例模擬，以驗證其設計功能是否能達到預期效果。測試方案中，包含1 個遠程管理中心，1 個區(qū)域監(jiān)控子站以及5 個用戶監(jiān)控終端，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 測試方案網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig.6 Network structure of the test scheme

當系統(tǒng)啟動后，區(qū)域監(jiān)控子站能快速選擇網(wǎng)絡地址，并為區(qū)域內(nèi)各個監(jiān)控終端分配ZigBee 無線網(wǎng)絡地址;設置區(qū)域監(jiān)控子站每隔1 min 向監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令，監(jiān)控終端收到指令后能快速準確地上報數(shù)據(jù);當上位機發(fā)出控制指令時，監(jiān)控子站率先接收到指令，并能根據(jù)指令地址向相應的監(jiān)控終端發(fā)送控制指令。

5 結(jié)束語

隨著分布式光伏的發(fā)展，光伏管理系統(tǒng)的發(fā)展將呈現(xiàn)無線化、遠距離的特點。本文所提出的戶用屋頂光伏管理系統(tǒng)以ZigBee 和GPRS 網(wǎng)絡為基礎，充分考慮戶用光伏的分布特點，建立合理的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及分層次的管理模式，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活，管理過程中監(jiān)測可視化程度高、控制簡單，大大提高了管理的可靠性和便捷性，節(jié)約了成本，具有廣闊的發(fā)展前景。

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