RS-485總線(xiàn)架構(gòu)的雙無(wú)線(xiàn)通信光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)*

陶洪峰， 童亞軍

(江南大學(xué) 教育部輕工過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

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RS-485總線(xiàn)架構(gòu)的雙無(wú)線(xiàn)通信光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)*

陶洪峰， 童亞軍

(江南大學(xué) 教育部輕工過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

為了更好地將區(qū)域分散的光伏電站系統(tǒng)集中管理和調(diào)度，提出了一種RS—485總線(xiàn)架構(gòu)的ZigBee和3 G雙無(wú)線(xiàn)通信的光伏電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將光伏電站內(nèi)部短距離關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)采集并上傳至主控制器，主控制器將數(shù)據(jù)保存的同時(shí)啟動(dòng)3 G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)一步接入以太網(wǎng)與采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)軟件設(shè)計(jì)模式的上位機(jī)無(wú)縫連接，具有較好的應(yīng)用性和擴(kuò)展性。

光伏電站； ZigBee； 3G； 主控制器； 瀏覽器/服務(wù)器模式

0 引 言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益凸顯，太陽(yáng)能作為新能源的代表受到了國(guó)家的廣泛重視，根據(jù)國(guó)家《太陽(yáng)能發(fā)電“十二五”規(guī)劃方案》計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2020年，光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到5 000萬(wàn)千瓦，龐大的光伏電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理是保證系統(tǒng)安全、提高發(fā)電效率、合理電力調(diào)度的重要保障。由于目前光伏電站一般建設(shè)在偏遠(yuǎn)落后地區(qū)，地理環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)不宜布線(xiàn)，因此，在光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中引入低成本的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決電站內(nèi)設(shè)備間的短距離通信問(wèn)題。宋福霞等人提出了基于ZigBee的Web監(jiān)控系統(tǒng)[1]，通過(guò)設(shè)計(jì)可視化界面，解決了獨(dú)立光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控問(wèn)題。但是大規(guī)模的光伏電站系統(tǒng)通常由區(qū)域分散的多個(gè)分布式光伏電站組成，每個(gè)分散的光伏電站都是由一個(gè)個(gè)太陽(yáng)能板方陣組成，每個(gè)方陣需要布置1～2臺(tái)逆變器、1臺(tái)箱變、十幾個(gè)光伏匯流箱以及多個(gè)交流表、直流表等電力設(shè)備，整個(gè)光伏電場(chǎng)多達(dá)數(shù)十至上百個(gè)分散開(kāi)的方陣，傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離遠(yuǎn)[2]，適用于短距離傳輸?shù)腪igBee顯然無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的通信要求。針對(duì)該問(wèn)題，馬樹(shù)才等人提出了ZigBee技術(shù)和通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)(GPRS)融合的雙無(wú)線(xiàn)通信光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)[3]。但GPRS的帶寬相對(duì)較小，傳輸速率較低、數(shù)據(jù)易丟包、可延展性不夠，當(dāng)面對(duì)大規(guī)模分散的光伏電站時(shí)，GPRS無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸通信要求。

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee和3G雙無(wú)線(xiàn)的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地解決傳輸距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，采用B/S的上位機(jī)模式使用戶(hù)可以便捷、直觀(guān)地監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)。首先，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-485總線(xiàn)將光伏電站中傳感器設(shè)備和電力設(shè)備的重要數(shù)據(jù)采集上來(lái)，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；然后，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器，主控制將數(shù)據(jù)保存在SD卡的同時(shí)啟動(dòng)3G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫(kù)中；最后，上位機(jī)軟件通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取所采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并顯示在界面上，用戶(hù)只需在瀏覽器中輸入服務(wù)器的IP地址即可登錄光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，查看所有現(xiàn)場(chǎng)的重要數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的RS—485總線(xiàn)架構(gòu)的雙無(wú)線(xiàn)通信光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：第一層為數(shù)據(jù)采集層；第二層為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層;第三層為數(shù)據(jù)處理層。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1)數(shù)據(jù)采集層主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、RS-485總線(xiàn)、電力設(shè)備及各傳感器設(shè)備組成。光伏電站內(nèi)電力設(shè)備主要包括逆變器、匯流箱和交直流電表等；傳感器設(shè)備主要包括溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)力傳感器、光照輻射傳感器[4]。通常光伏電站只需要采集一個(gè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，本文用終端節(jié)點(diǎn)1采集各傳感器數(shù)據(jù)，其他終端采集逆變器、匯流箱、交直流電表等電力設(shè)備數(shù)據(jù)，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、光照強(qiáng)度)和電力設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)(逆變器電壓、電流、發(fā)電量、功率因數(shù)等)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊的ZigBee協(xié)調(diào)器。

2)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、主控制器等組成。ZigBee協(xié)調(diào)器上電后建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)從終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器與主控制器通過(guò)RS-232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主控制器通過(guò)SD卡將原始數(shù)據(jù)保存，同時(shí)通過(guò)3G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊的遠(yuǎn)程服務(wù)器中[5]。

3)數(shù)據(jù)處理模塊主要由遠(yuǎn)程服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、監(jiān)控軟件等組成。用于處理各終端節(jié)點(diǎn)采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，服務(wù)器將數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控軟件讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示光伏電站中關(guān)鍵設(shè)備的重要數(shù)據(jù)參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的ZigBee模塊選用TI公司的CC2530為主控芯片[6]，外圍電路包括電源電路、RS-485接口、JTAG接口和2.4 GHz RF射頻模塊等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)協(xié)調(diào)器最多可以接255個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。當(dāng)協(xié)調(diào)器上電后協(xié)議棧建立ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)自行加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器設(shè)備采用 HS—102WS型號(hào)溫度傳感器、HS—FS01型號(hào)風(fēng)速傳感器、HS—FX02型號(hào)風(fēng)向傳感器、HSTL—GZD型號(hào)光照傳感器，均為華控公司生產(chǎn)的支持RS-485通信的傳感器。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)1通過(guò)RS-485總線(xiàn)采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備的重要數(shù)據(jù)，而其他終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-485總線(xiàn)采集電力設(shè)備的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層將ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器中并將原始數(shù)據(jù)保存在SD卡中。ZigBee協(xié)調(diào)器接收各個(gè)終端發(fā)送來(lái)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送到主控制器中，主控制器將原始數(shù)據(jù)保存到大容量的SD卡中，同時(shí)，通過(guò)3G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)主控制器選用三星公司推出的基于A(yíng)RM9內(nèi)核的S3C2416，具有低功耗、高性能、低成本的特點(diǎn)，可以完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。3G模塊選用華為EM770W，在5 MHz的帶寬內(nèi)提供最高384 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，相對(duì)于GPRS在2 MHz的帶寬內(nèi)提供最多114 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率有了很大提升，支持TCP/IP協(xié)議，通過(guò)USB接口與主控制器連接。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括：終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、主控制器軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee終端基于8051內(nèi)核的單片機(jī)，通過(guò)RS-485總線(xiàn)讀取各個(gè)設(shè)備的重要數(shù)據(jù)參數(shù)。主機(jī)(ZigBee終端節(jié)點(diǎn))與從機(jī)(設(shè)備)之間采用Modbus的通信協(xié)議。RS-485總線(xiàn)通信機(jī)制為：每個(gè)外部設(shè)備設(shè)置自己的本機(jī)地址，主機(jī)以廣播形式下發(fā)指令到總線(xiàn)上，從機(jī)接收到相關(guān)指令，將指令中的地址碼與自己的地址碼對(duì)應(yīng)，發(fā)現(xiàn)是下發(fā)給自己的指令則立即執(zhí)行相關(guān)指令，執(zhí)行完相關(guān)指令之后發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)代碼回傳給主機(jī)，示意其可以繼續(xù)下一條指令；否則，丟棄該指令，靜默等待主機(jī)的下一條指令。從機(jī)回傳給主機(jī)的數(shù)據(jù)代碼符合Modbus的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括從機(jī)的地址、數(shù)據(jù)寄存器的地址、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼。通過(guò)從機(jī)地址和CRC校驗(yàn)碼確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精確定位數(shù)據(jù)來(lái)源。

終端節(jié)點(diǎn)的主控制芯片CC2530基于Z-Stack協(xié)議棧架構(gòu)，消息響應(yīng)和任務(wù)調(diào)度通過(guò)OSAL操作系統(tǒng)完成，通過(guò)軟件定時(shí)器Osal_start_timerEx()設(shè)置定時(shí)時(shí)間為1 s，定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)調(diào)用自定義函數(shù)GenericApp_SendTheMessage()向RS-485總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)串口接收到回傳數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用串口回調(diào)函數(shù)rxCB()，在rxCB()函數(shù)中讀取RS-485總線(xiàn)上的回傳數(shù)據(jù)。為減小終端節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，應(yīng)盡量減少無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度[7]。目前，光伏電站的儀器儀表都支持IEEE754二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)中，IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制小數(shù)的過(guò)程統(tǒng)一在ZigBee節(jié)點(diǎn)中完成。最后調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，并將GENERICAPP_CLUSTERID的值發(fā)送過(guò)去用以標(biāo)記數(shù)據(jù)來(lái)源。終端節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)工作流程

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)到主控制器S3C2416上。系統(tǒng)上電后，初始化硬件及協(xié)議棧，然后尋找信道并建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立成功后開(kāi)始接收終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求并分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)ID號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)接收事件并調(diào)用GenericApp_MessageMSGCB()函數(shù)，通過(guò)指針變量pkt獲取clusterId中存放的GENERICAPP_CLUSTERID值來(lái)判斷數(shù)據(jù)來(lái)源[8]。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器工作流程

3.3 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器采用S3C2416為硬件平臺(tái)，移植Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及發(fā)送。Linux的操作系統(tǒng)主要包括BootLoader,Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)三個(gè)部分[9]。主控制器與ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串行接口RS—232實(shí)現(xiàn)通信，嵌入式Linux操作系統(tǒng)已安裝有RS—232的驅(qū)動(dòng)程序，在此還需要開(kāi)發(fā)串口操作應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的波特率、校驗(yàn)位等的設(shè)置。主控制器的軟件流程如圖5所示。

圖5 主控制器工作流程

系統(tǒng)選用的3G模塊華為EM770W支持WCDMA的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在主控制器的Linux操作系統(tǒng)中利用AT指令對(duì)3G網(wǎng)卡EM770W進(jìn)行配置，通過(guò)撥號(hào)連接到Internet。從協(xié)調(diào)器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)送到EM770W模塊上，以無(wú)線(xiàn)電波的形式傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器上[10]。

3.4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)采用B/S模式，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，通過(guò)主控制器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳將保存在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用Apache作為Web服務(wù)器；使用Java作為編程語(yǔ)言。在B/S構(gòu)架中，瀏覽器作為整個(gè)系統(tǒng)的界面。用戶(hù)只需一臺(tái)可以接入Internet的PC，就能登錄進(jìn)入界面操作。其最大的特點(diǎn)是用戶(hù)可以在監(jiān)控終端上通過(guò)瀏覽器對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，用戶(hù)只需要打開(kāi)瀏覽器，輸入服務(wù)器的IP地址登錄后臺(tái)系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)以PC 機(jī)的瀏覽器為窗口，對(duì)各個(gè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控[11]。上位機(jī)軟件工作流程如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)區(qū)域分散的遠(yuǎn)距離光伏電站提出了RS—485總線(xiàn)架構(gòu)的雙無(wú)線(xiàn)通信光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用成本較低的ZigBee模塊和3G模塊，避免了光伏電站現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)的繁瑣，縮短了建設(shè)周期，節(jié)約了建設(shè)成本。同時(shí)，采用雙無(wú)線(xiàn)的通信方式增大了系統(tǒng)的通信距離，提高了系統(tǒng)的通信質(zhì)量，方便系統(tǒng)的后期維護(hù)，具有很好的應(yīng)用性和擴(kuò)展性。

圖6 上位機(jī)軟件工作流程

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Dual-wireless communication of monitor system for photovoltaic plant based on RS-485 bus architecture*

TAO Hong-feng, TONG Ya-jun

(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

In order to centrally manage and schedule distributed photovoltaic plant better, based on RS—485 bus architecture,a remote data monitor system combined with ZigBee and 3G dual-wireless technology is proposed for photovoltaic plants.The system firstly acquire data of internal short distance key facilities in photovoltaic is designed by ZigBee wireless networks,and the collected data is uploaded to the master controller.Then,master controller save the data and at the same time activate the module of 3G to launch the data to remote database server.Finally,remote server connects to Internet and communicates with host computer which uses Browser/Server(B/S)software design mode without any barriers.This designed system has good applicability and scalability.

photovoltaic plant； ZigBee； 3G； host controller； browser/server pattern

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0114—03

2016—08—08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273070，61203092)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015019—21)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(B12018)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JUSRP51733B)

TP 273

A

1000—9787(2017)08—0114—03

陶洪峰(1979-)，男，博士，副教授，從事故障診斷、工業(yè)過(guò)程監(jiān)控等方面的教學(xué)與科研工作，Email: taohongfeng@hotmail.com。