面向光伏電池組件測量節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

李新建

（國網(wǎng)懷化供電公司 懷化 361024）

1 引言

隨著化石能源的不斷銳減，能源緊缺已經(jīng)成為制約現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一［1］，而太陽能具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)并且對環(huán)境的破壞性極低，自然成為了各國重點(diǎn)發(fā)展的清潔能源。隨著大量光伏電站裝機(jī)數(shù)量的增加，其規(guī)模也越來越大，因此，電站管理和運(yùn)行也必須向智能化、信息化邁進(jìn)［2］。目前光伏電池組件監(jiān)測主要采用電力線載波通信［3］、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［4］、電話線通信［5］、RS-485總線［6］、光纖通信［7］以及電纜通信［8］等通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，這些傳感器形成一個(gè)多跳的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種工作在868/915MHz和2.4GHz頻段的無線通信技術(shù)，通信速率能達(dá)到20KB/s～250KB/s，具有低功耗、低成本和中等傳輸距離的特性，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛［9］。

本研究設(shè)計(jì)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)用于光伏電池組件運(yùn)行參數(shù)的傳輸，從而克服現(xiàn)有電站監(jiān)控方案布線復(fù)雜、成本較高并且難以在惡劣偏遠(yuǎn)環(huán)境中使用的弊端。光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元，其重要性不言而喻，所以設(shè)計(jì)一款能用于光伏電池組件監(jiān)測并且支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)具有較高的工程實(shí)踐價(jià)值。

2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的感知層，對系統(tǒng)所需要監(jiān)測的物理量進(jìn)行采集［10］，其主要包括處理器和無線通信模塊、供電模塊以及采集模塊。為提高節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性以及降低各模塊間的信號干擾，本文設(shè)計(jì)的光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由核心板和擴(kuò)展板組成，核心板包含CC2530芯片及其外圍電路、天線等，主要功能是實(shí)現(xiàn)同各模塊的數(shù)據(jù)交互，而擴(kuò)展板是針對特定的功能需求而設(shè)計(jì)的，其主要完成供電和電壓、電流以及溫濕度的采集等功能［11］。核心板和擴(kuò)展板之間使用兩個(gè)排針接口實(shí)現(xiàn)彼此的通訊，供電模塊為處理器和無線通信模塊以及采集模塊提供電源功能，具體的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2.2 核心板的硬件設(shè)計(jì)

光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點(diǎn)核心板主要包括處理器與無線通信模塊，由CC2530芯片及其外圍電路等組成。這里選擇CC2530F256型號芯片，CC2530F256包括了性能優(yōu)越的RF收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051MCU，可編程128KB的閃存、8KBRAM以及許多其他功能強(qiáng)大的特性并且能根據(jù)需要切換不同的運(yùn)行模式，具備低能耗、較強(qiáng)的抗干擾性、較好的接收信號能力的優(yōu)點(diǎn)［12］。CC2530工作需要兩個(gè)晶振，第一個(gè)為32.068KHz，在節(jié)點(diǎn)休眠模式時(shí)作為CC2530芯片的時(shí)鐘源；第二個(gè)為32MHz，該時(shí)鐘在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)使用。而對于其無線收發(fā)部分主要采用巴倫匹配電路［13］來優(yōu)化射頻部分性能，天線部分選擇帶SMA轉(zhuǎn)接口的桿狀天線，設(shè)計(jì)制作得到的實(shí)物圖如下圖2所示：

圖2 節(jié)點(diǎn)核心板實(shí)物圖

2.3 擴(kuò)展板的硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 供電模塊的設(shè)計(jì)

由于考慮到光伏組件在逆變前可以提供穩(wěn)定的直流電壓，所以使用降壓電路來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。節(jié)點(diǎn)芯片工作電壓為3.3V，而電站提供的電壓為5～40V左右，可以先利用LM2596-5.0降壓到5V，再由AMS1117-3.3將電壓穩(wěn)定至3.3V，降壓電源模塊電路如圖3所示。

圖3 降壓電源模塊電路

2.3.2 采集模塊電路的設(shè)計(jì)

單塊光伏電池板最大輸出電壓為40V，而CC2530ADC參考電壓為內(nèi)部電壓1.15V，所以采集電池板電壓時(shí)應(yīng)該對采集電壓進(jìn)行分壓，考慮到ADC輸入電壓應(yīng)該在該電壓范圍內(nèi)，所以選擇的分壓比暫選為1/40，圖中 R22取22kΩ，R33取18kΩ，R44和R55取1kΩ，P0_6為電壓采樣的通道，采樣的電壓由以下公式確定，若設(shè)Vso為采樣電壓，Vin為光伏電池組件瞬時(shí)輸入電壓：其輸出電壓由式（1）確定。

將上述取值帶入式（1）可得Vout=Vin/40，這樣便可保證P0_6口的采樣電壓在CC2530的參考電壓范圍之內(nèi)，電流和電壓采樣電路圖如圖4所示。

圖4 電壓采樣電路

而對于電流采樣，通過將電流轉(zhuǎn)化成電壓進(jìn)行測量，需選用合適的采樣電阻。電池板工作的最大輸出電流為6A左右，選用阻值為0.1Ω的康銅絲為采樣電阻可滿足條件［14］。R66為采樣電阻，P0_7為電流采樣IO口，其電壓由式（2）確定：

代入上述數(shù)值可得Vio=0.1Iio，這樣就可以保證采集的電壓值在測量范圍內(nèi)。

對于溫濕度的采集，通過P2_0口進(jìn)行采集，本次設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器，其具備全部校準(zhǔn)、數(shù)字輸出的特性和卓越的長期穩(wěn)定性，響應(yīng)較快，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)能耗較低。分析其測量范圍、測量精度以及轉(zhuǎn)換速率可知，DHT11能夠滿足節(jié)點(diǎn)的采集需求。

2.3.3 擴(kuò)展板外圍其它電路

擴(kuò)展板外圍電路還包括IO口擴(kuò)展電路、USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)電路、JTAGDeBug電路等。綜合以上原理圖電路并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)后，加工得到的整個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

在此次節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)基于ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）進(jìn)行開發(fā)［15］，簡化了節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)的流程，縮短了開發(fā)周期，也使節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要有兩個(gè)任務(wù)：一是負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常工作；二是可以接收終端采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且能夠接收串口傳過來的上位機(jī)控制命令并進(jìn)行相對應(yīng)的操作，最后在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行廣播或者發(fā)送到特定的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)功能的控制，協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)初始化操作，掃描可用的信道來尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)可用網(wǎng)絡(luò)，則發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)申請［16］。在沒有數(shù)據(jù)請求的時(shí)候，傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，而一旦有了數(shù)據(jù)請求，傳感器節(jié)點(diǎn)馬上被喚醒，進(jìn)行工作狀態(tài)［17］。首先對數(shù)據(jù)請求命令解析并回應(yīng)，然后再進(jìn)行傳感器的啟動(dòng)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送等，發(fā)送完畢后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)請求命令。采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖7所示。

圖7 采集節(jié)點(diǎn)流程圖

4 節(jié)點(diǎn)的測試和分析

節(jié)點(diǎn)的測試主要分為三部分：第一是采集節(jié)點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)電池板自降壓供電，第二是節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)測試以及通過組網(wǎng)采集到的光伏電池組件運(yùn)行數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，第三是確定節(jié)點(diǎn)在無障礙和有障礙條件下的通信距離。通過自定義的請求關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)對采集節(jié)點(diǎn)不同功能的控制，具體的自定義請求關(guān)鍵字定義如表1所示。

表1 自定義的請求關(guān)鍵字

上位機(jī)發(fā)送上述控制指令到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到指令后，將其轉(zhuǎn)換成采集節(jié)點(diǎn)能夠識別的控制命令，采集節(jié)點(diǎn)收到命令并加以判斷后，將采集到的數(shù)據(jù)按照自定義的通信包格式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，再通過RS232串口上傳至上位機(jī)，最后借助串口調(diào)試工具判斷節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)是否成功以及采集到的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠，測試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 測試系統(tǒng)實(shí)物圖

考慮到直接利用光伏電池組件直接降壓對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，可以最大限度地規(guī)避功耗對節(jié)點(diǎn)壽命的影響并降低節(jié)點(diǎn)部署成本。為達(dá)到在電池組件電壓的可能輸出范圍內(nèi)，本次測試?yán)梅€(wěn)壓源模擬光伏電池板對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，其測試結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)供電測試結(jié)果

由上表可知，節(jié)點(diǎn)在輸入電壓5V～40V能夠?qū)崿F(xiàn)供電正常，滿足光伏電池組件的供電需求。約定協(xié)調(diào)器收到采集返回反饋關(guān)鍵字：（ZE30K），表明通信鏈路測試成功，同理，反復(fù)采集光伏電池組件的瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流以及溫濕度，取其平均值作為測量值并同實(shí)際測量設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析得到的數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果

所以節(jié)點(diǎn)采集的光伏電池組件運(yùn)行參數(shù)誤差較小，可以滿足實(shí)際需求。為方便之后網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和光伏電池組件物理位置的間隔距離的設(shè)置，需確定節(jié)點(diǎn)的最大通信距離。以協(xié)調(diào)器為中心，設(shè)置好采樣周期，采集節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送用于測試的確認(rèn)信息，并不斷拉大采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的距離，反復(fù)測試協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)在有障礙和無障礙情況下的通信情況。在開闊的道路上反復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，得到其無障礙下的節(jié)點(diǎn)通信距離測試結(jié)果表，如表4所示。

表4 無障礙節(jié)點(diǎn)通信測距結(jié)果

為模擬有障礙下的節(jié)點(diǎn)通信距離測試，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)置于密閉的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，而采集節(jié)點(diǎn)置于外面的走廊，然后重復(fù)上述經(jīng)驗(yàn)，得到節(jié)點(diǎn)在有障礙條件下的測試結(jié)果，如表5所示。

表5 有障礙節(jié)點(diǎn)通信測距結(jié)果

由于實(shí)物的遮擋會對節(jié)點(diǎn)通信距離的測試產(chǎn)生一定的影響，造成節(jié)點(diǎn)在傳輸過程中的能量損耗，使得節(jié)點(diǎn)通信距離限制在50m以內(nèi)。由調(diào)研可知，單塊節(jié)點(diǎn)板間的距離不會超過40m，所以搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能可以滿足光伏電池組件監(jiān)測的實(shí)際需求。

5 基于LabVIEW的上位機(jī)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化編程語言，其內(nèi)部集成了支持GPIO、RS232、RS485和TCP/IP等協(xié)議的庫函數(shù)，可以非常方便地對特定數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、傳輸以及存儲等操作。根據(jù)太陽能光伏電池組件的監(jiān)控需求，監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

1）數(shù)據(jù)采集。由上文的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求可知，光伏電池組件運(yùn)行監(jiān)測需要實(shí)時(shí)采集其瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流以及環(huán)境的溫濕度等四個(gè)物理參數(shù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

2）組件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要對采集到的電池組件工作參數(shù)進(jìn)行判斷，如超出某個(gè)閾值即報(bào)警，并通知電站工作人員及時(shí)對問題組件進(jìn)行維修更換。

3）組件運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲。電站工作人員需要對某一時(shí)間段的光伏電池組件進(jìn)行分析，以優(yōu)化電站運(yùn)行效率，所以存儲電池組件的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)是非常有必要的。

根據(jù)以上功能要求，基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)界面如圖9所示，主要用于對光伏電池組件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、數(shù)據(jù)的存儲和查詢以及對異常情況報(bào)警等。上述界面包括以下幾個(gè)部分：界面選擇、串口設(shè)置、電壓和電流正常輸入范圍的設(shè)置、控制面板、實(shí)時(shí)時(shí)間顯示以及各參數(shù)顯示、存儲以及查詢等。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)界面

6 結(jié)語

綜上所述，針對當(dāng)前光伏電站電池板存在的問題以及現(xiàn)有監(jiān)控方案的局限性，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee的無線光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，并對其進(jìn)行了自供電測試、節(jié)點(diǎn)間的無線組網(wǎng)測試、數(shù)據(jù)采集測試以及節(jié)點(diǎn)間的通信距離測試。實(shí)驗(yàn)證明，該節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定可靠地工作，而且采集的電池組件輸出電壓、電流以及溫濕度誤差較小，滿足光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，可以用于對光伏電池組件進(jìn)行監(jiān)測，而基于LabVIEW和ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的光伏電池組件監(jiān)控系統(tǒng)也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。