基于ZigBee的光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

蔡紀鶴 李蓓 羅昊 孟香港 狄軼娟

摘 要：通過對ZigBee技術(shù)的特點和優(yōu)勢的分析，設(shè)計出一種光伏發(fā)電站的無線監(jiān)控系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系、監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)建立、上位機系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)遠程終端通過無線網(wǎng)絡(luò)對光伏發(fā)電站設(shè)備工作數(shù)據(jù)的實時采集和運行狀態(tài)的監(jiān)控。管理人員可以通過PC端的上位機系統(tǒng)界面掌握光伏發(fā)電站的運行情況，及時作出相應(yīng)的操作。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);光伏發(fā)電;監(jiān)控系統(tǒng);實時集中控制

0 引言

隨著社會和科技的進步，人們對能量資源的消耗和健康的生活環(huán)境的矛盾日益突出。因為可再生能源能夠重復(fù)利用，高利用率，無污染，所以其在能源使用中已占具獨特的戰(zhàn)略地位[1]。光伏發(fā)電站的地位尤其突出，光伏發(fā)電站一般在邊緣區(qū)域和面積廣闊的地區(qū)，設(shè)備占地面積廣且分布零散，其采集的數(shù)據(jù)分布十分分散，如果沒有一個讓數(shù)據(jù)匯聚的平臺進行匯集數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理，造成數(shù)據(jù)分析和工程控制的不便。

光伏發(fā)電站的正常穩(wěn)定運行需要各個方面的協(xié)調(diào)合作，需要檢測環(huán)境各個方面的變量的檢測。采用ZigBee技術(shù)進行遠程監(jiān)測適合我國目前環(huán)境監(jiān)測的需求[2]。在完成光伏檢測系統(tǒng)需要滿足以下幾個要求：

（1）能夠?qū)夥l(fā)電系統(tǒng)各個變量進行實時檢測，主要測量的變量參數(shù)為：設(shè)備工作電壓、設(shè)備工作電流、環(huán)境溫度、工作功率、環(huán)境光照強度值等等。

（2）利用ZigBee無線傳感技術(shù)進行組網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)運營數(shù)據(jù)的實時傳輸。

（3）在軟件設(shè)計方面，確定系統(tǒng)包括幾大模塊以及各模塊具體要實現(xiàn)的功能，開發(fā)測試上位機軟件，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，最后將檢測的數(shù)據(jù)顯示到上位機的界面上。

1關(guān)鍵技術(shù)

目前短距離無線通訊技術(shù)有很多，如數(shù)字電臺、紅外、藍牙、Wi-Fi、ZigBee等等[3]，都具有各自的特點，ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)，ZigBee具有絕對獨特優(yōu)勢被選用在光伏電站監(jiān)測試系統(tǒng)中，主要是它具有其他無線通訊技術(shù)所不能達到的特征。

（1）可組星型網(wǎng)路拓撲和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲。藍牙和Wi-Fi在一個無線局域網(wǎng)絡(luò)中只能組星型網(wǎng)路拓撲，而ZigBee不但可以組星型網(wǎng)路拓撲，而且還可以組網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲。

（2）網(wǎng)絡(luò)容量大。藍牙網(wǎng)絡(luò)容量是8個節(jié)點，Wi-Fi是50個，而ZigBee采用一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點，同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最大支持65000個。ZigBee有一套可靠的通訊管理機制，它采用了碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突;節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ZigBee的光伏控制系統(tǒng)，主要有ZigBee模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機模塊等組成。通過ZigBee各測控節(jié)點的通信來實時監(jiān)控光伏發(fā)電站的運行情況，從而進行調(diào)節(jié)和維護。本設(shè)計基于ZigBee協(xié)議，具有遠程控制功能、擴展性好、易于維護等優(yōu)點。

2.2 硬件模塊的功能簡介

（1）ZigBee模塊。每臺發(fā)電設(shè)備安裝一臺ZigBee節(jié)點，一個電站安裝一個ZigBee協(xié)調(diào)器，每個ZigBee節(jié)點均可以作為路由器，各個節(jié)點與協(xié)調(diào)器組成一個網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲，以提高通訊可靠性并實現(xiàn)遠距離通訊。ZigBee節(jié)點接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器命令，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee局域網(wǎng)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。主要采集的數(shù)字信號有溫度、電壓、光照強度。溫度傳感器在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中進行溫度數(shù)據(jù)的采集，綜合考慮傳感器的靈敏度、價格、體積的大小等，選用的溫度傳感器的型號是DS18B20，溫度的測量范圍為-55℃～+125℃。光敏電阻作為光源信號采集傳感器，就是一種內(nèi)部利用固定電阻進行分壓，本身它的材料是一種可以根據(jù)光照強度改變阻值的半導(dǎo)體，光敏電阻的阻值范圍5～10KΩ。利用AD轉(zhuǎn)換裝置將采集到的電壓值換算成光照強度值。就是一種內(nèi)部利用固定電阻進行分壓，本身它的材料是一種可以根據(jù)光照強度改變阻值的半導(dǎo)體，光敏電阻的阻值范圍5～10KΩ。利用AD轉(zhuǎn)換裝置將采集到的電壓值換算成光照強度值。

（3）上位機模塊。是整個設(shè)計的監(jiān)測中心，主要由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、局域網(wǎng)服務(wù)器和監(jiān)測界面組成?？蓪崟r有效地為管理人員提供數(shù)據(jù)，便于作出判斷。

2.3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee系統(tǒng)的軟件設(shè)計，可以看做是一個嵌入式的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，該系統(tǒng)需要相應(yīng)的軟件配合才能實現(xiàn)各種功能。主要在Zstack協(xié)議棧完成，Zstack協(xié)議棧一共做了兩件工作：一個是系統(tǒng)初始化，初始化硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)中的每個模塊;一個是執(zhí)行操作系統(tǒng)，實現(xiàn)預(yù)期功能。在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中需要監(jiān)測多個控制量，也就是需要監(jiān)測多個節(jié)點。

由于ZigBee協(xié)調(diào)器和節(jié)點工作內(nèi)容略有不用，無需采用兩種硬件結(jié)構(gòu)，可通過軟件來區(qū)分ZigBee設(shè)備類型自適應(yīng)。協(xié)調(diào)器按照一定的頻率與各個節(jié)點通訊，節(jié)點采用自動獲取發(fā)電設(shè)備地址策略，無需現(xiàn)場調(diào)試。由于采用了透明傳輸?shù)腪igBee模塊，只需要使用MCU與ZigBee模塊進行通訊和協(xié)議轉(zhuǎn)換，ZigBee節(jié)點與其他節(jié)點之間按照ZigBee協(xié)議通訊，而與設(shè)備之間按標準MODBUS協(xié)議通訊。對于ZigBee模塊的工作流程，不用參與管理，只需要配置。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要的技術(shù)在于ZigBee組網(wǎng)和入網(wǎng)設(shè)計，組建網(wǎng)絡(luò)一般包含兩個環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)初始化環(huán)節(jié)和節(jié)點入網(wǎng)環(huán)節(jié)。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的環(huán)節(jié)的方式有2種：一種是通過已加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，但是因為這種方法比較復(fù)雜，為了方便設(shè)計過程，設(shè)計采用的是第二種方法，采用協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)。

入網(wǎng)設(shè)計在進入網(wǎng)絡(luò)之前協(xié)調(diào)器首先要與節(jié)點創(chuàng)立連接關(guān)系，上電激活FFD的節(jié)點之后，節(jié)點會向協(xié)調(diào)器出一個關(guān)聯(lián)請求協(xié)調(diào)。經(jīng)過協(xié)調(diào)器接收關(guān)聯(lián)請求節(jié)點后，根據(jù)協(xié)調(diào)器資源和網(wǎng)絡(luò)配置等情況決定是否允許關(guān)聯(lián)，允許關(guān)聯(lián)的響應(yīng)發(fā)出之后，節(jié)點會立即響應(yīng)相應(yīng)的請求。

節(jié)點主要組網(wǎng)入網(wǎng)程序如下：

Uint8 Coordinator_TaskID;//為事件分配ID

Uint8 Coordinator_TransID;

afAddrType_t Coordinator_Guangbo_DstAddr;//廣播

afAddrType_t Coordinator_Zubo_DstAddr; ? //組播

afAddrType_t Coordinator_Dianbo_DstAddr; //點播

aps_Group_t Coordinator_Group;

Uint8 CoordinatorPeriodicCounter = 0;

Uint8 CoordinatorFlashCounter = 0;

void Coordinator_SendPeriodicMassege（ void ）

Coordinator_dianbo_DstAddr.addr （afAddrMode_t）Addr16Bit; //使用點播的方式

Coordinator_dianbo_DstAddr.endPoint Coordinator_ENDPOINT;

Coordinator_dianbo_DstAddr.addr.shortAddr = 0x0000; ?//發(fā)給協(xié)調(diào)器

3 上位機系統(tǒng)

上位機的主要模塊功能有：作為現(xiàn)場的工作狀態(tài)監(jiān)控終端顯示，面向的主要是工作環(huán)境內(nèi)的現(xiàn)場工作人員。為了讓工作人員能夠快速方便的解除故障，所以上位機界面要實時顯示測量的各種參數(shù)。除此以外監(jiān)控需要了解系統(tǒng)的階段信息，因此，在設(shè)計中需要上位機可以實時監(jiān)控并顯示出系統(tǒng)的工作參數(shù)及環(huán)境參數(shù)等，一般的測量參數(shù)據(jù)量為：設(shè)備的電壓、光照強度值、環(huán)境的溫度、功率等。在記錄運行參數(shù)數(shù)據(jù)的同時能夠繪制數(shù)據(jù)變化走勢曲線，方便發(fā)電站的以后的工作統(tǒng)計與分析。

上位機模塊采用的是“組態(tài)王”軟件[4]，基于組態(tài)王軟件的實時數(shù)據(jù)采集頁面如下圖所示。

主要的程序如下：

ShowPicture（"太陽能3"）;

ClosePicture（"太陽能"）;

ClosePicture（"太陽能2"）;

ClosePicture（"太陽能3"）;

＼＼本站點＼e=＼＼本站點＼c*＼＼本站點＼d;

＼＼本站點＼光強3=StrLeft（ ＼＼本站點＼光強2，3）;

＼＼本站點＼a=StrToReal（ ＼＼本站點＼光強3 ）;

＼＼本站點＼e=＼＼本站點＼c*＼＼本站點＼d;

結(jié)論

雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的關(guān)鍵性的技術(shù)需求日漸成熟，但光伏電站監(jiān)控技術(shù)還沒有真正的達到可實用性的階段，仍然處于日趨完善的階段，光伏發(fā)電站的需要用地面積大、設(shè)備多，管理起來較復(fù)雜。ZigBee技術(shù)具有得天獨厚的優(yōu)勢讓它適應(yīng)于各種工業(yè)檢測場合。選定ZigBee技術(shù)作為無線通信技術(shù)將它和光伏發(fā)電技術(shù)巧妙結(jié)合，根據(jù)生產(chǎn)實際的要求，配合相關(guān)上位機傳輸數(shù)據(jù)，最大化地便利管理人員監(jiān)控管理設(shè)備，讓設(shè)備在最優(yōu)的工作時間內(nèi)工作，使設(shè)備的使用壽命得以延長，提高了發(fā)電效率。該系統(tǒng)運營成本低，可隨時、隨地通過終端瀏覽光伏電站發(fā)電情況和設(shè)備運行情況，給電站設(shè)備維護人員帶來很大的便利，使用得當將會得到多方的認可。

參考文獻：

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[2]馬樹才，王建軍，謝芳. 基于ZigBee技術(shù)的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研究和分析[J].電源技術(shù)，2014，38（4）：704-705

[3]戴哲恒，魏梓軒，孫偉等. Wi-Fi技術(shù)在家用太陽能熱水器控制器上的應(yīng)用[J].電子測試，2015 （10）：119-120.

[4]羅慧芳，許清泉，秦清. 基于組態(tài)王的現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計[J]無錫職業(yè)技術(shù)學院學報，2015，14（1）：44-47.

作者簡介：

蔡紀鶴（1981.2-），男，博士，副教授，主要研究方向：光伏發(fā)電技術(shù)、自動控制技術(shù)。

*基金項目：常州市科技計劃項目（CJ20189024）;江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201911055036Y， 201911055039Y） ;常州工學院校級科研基金項目（YN1732）