基于ZigBee的光伏监控系统设计

蔡纪鹤 李蓓 罗昊 孟香港 狄轶娟

摘 要：通过对ZigBee技术的特点和优势的分析，设计出一种光伏发电站的无线监控系统。通过对该系统的网络结构体系、监控系统的数据采集、数据传输的网络建立、上位机系统的设计，实现远程终端通过无线网络对光伏发电站设备工作数据的实时采集和运行状态的监控。管理人员可以通过PC端的上位机系统界面掌握光伏发电站的运行情况，及时作出相应的操作。

关键词：ZigBee技术;光伏发电;监控系统;实时集中控制

0 引言

随着社会和科技的进步，人们对能量资源的消耗和健康的生活环境的矛盾日益突出。因为可再生能源能够重复利用，高利用率，无污染，所以其在能源使用中已占具独特的战略地位[1]。光伏发电站的地位尤其突出，光伏发电站一般在边缘区域和面积广阔的地区，设备占地面积广且分布零散，其采集的数据分布十分分散，如果没有一个让数据汇聚的平台进行汇集数据处理和数据的相应处理，造成数据分析和工程控制的不便。

光伏发电站的正常稳定运行需要各个方面的协调合作，需要检测环境各个方面的变量的检测。采用ZigBee技术进行远程监测适合我国目前环境监测的需求[2]。在完成光伏检测系统需要满足以下几个要求：

（1）能够对光伏发电系统各个变量进行实时检测，主要测量的变量参数为：设备工作电压、设备工作电流、环境温度、工作功率、环境光照强度值等等。

（2）利用ZigBee无线传感技术进行组网，能够实现运营数据的实时传输。

（3）在软件设计方面，确定系统包括几大模块以及各模块具体要实现的功能，开发测试上位机软件，通过无线网络传输，最后将检测的数据显示到上位机的界面上。

1关键技术

目前短距离无线通讯技术有很多，如数字电台、红外、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等等[3]，都具有各自的特点，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协，ZigBee具有绝对独特优势被选用在光伏电站监测试系统中，主要是它具有其他无线通讯技术所不能达到的特征。

（1）可组星型网路拓扑和网状型网络拓扑。蓝牙和Wi-Fi在一个无线局域网络中只能组星型网路拓扑，而ZigBee不但可以组星型网路拓扑，而且还可以组网状型网络拓扑。

（2）网络容量大。蓝牙网络容量是8个节点，Wi-Fi是50个，而ZigBee采用一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最大支持65000个。ZigBee有一套可靠的通讯管理机制，它采用了碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

2 系统组成

2.1 硬件系统结构

基于ZigBee的光伏控制系统，主要有ZigBee模块、数据采集模块、上位机模块等组成。通过ZigBee各测控节点的通信来实时监控光伏发电站的运行情况，从而进行调节和维护。本设计基于ZigBee协议，具有远程控制功能、扩展性好、易于维护等优点。

2.2 硬件模块的功能简介

（1）ZigBee模块。每台发电设备安装一台ZigBee节点，一个电站安装一个ZigBee协调器，每个ZigBee节点均可以作为路由器，各个节点与协调器组成一个网状型网络拓扑，以提高通讯可靠性并实现远距离通讯。ZigBee节点接收来自ZigBee协调器命令，并将采集到的数据通过ZigBee局域网传输到ZigBee协调器。

（2）数据采集模块。主要采集的数字信号有温度、电压、光照强度。温度传感器在光伏监控系统中进行温度数据的采集，综合考虑传感器的灵敏度、价格、体积的大小等，选用的温度传感器的型号是DS18B20，温度的测量范围为-55℃～+125℃。光敏电阻作为光源信号采集传感器，就是一种内部利用固定电阻进行分压，本身它的材料是一种可以根据光照强度改变阻值的半导体，光敏电阻的阻值范围5～10KΩ。利用AD转换装置将采集到的电压值换算成光照强度值。就是一种内部利用固定电阻进行分压，本身它的材料是一种可以根据光照强度改变阻值的半导体，光敏电阻的阻值范围5～10KΩ。利用AD转换装置将采集到的电压值换算成光照强度值。

（3）上位机模块。是整个设计的监测中心，主要由数据采集服务器、数据库服务器、局域网服务器和监测界面组成。可实时有效地为管理人员提供数据，便于作出判断。

2.3 軟件系统结构

ZigBee系统的软件设计，可以看做是一个嵌入式的通信网络设计，该系统需要相应的软件配合才能实现各种功能。主要在Zstack协议栈完成，Zstack协议栈一共做了两件工作：一个是系统初始化，初始化硬件系统和软件系统中的每个模块;一个是执行操作系统，实现预期功能。在光伏监控系统中需要监测多个控制量，也就是需要监测多个节点。

由于ZigBee协调器和节点工作内容略有不用，无需采用两种硬件结构，可通过软件来区分ZigBee设备类型自适应。协调器按照一定的频率与各个节点通讯，节点采用自动获取发电设备地址策略，无需现场调试。由于采用了透明传输的ZigBee模块，只需要使用MCU与ZigBee模块进行通讯和协议转换，ZigBee节点与其他节点之间按照ZigBee协议通讯，而与设备之间按标准MODBUS协议通讯。对于ZigBee模块的工作流程，不用参与管理，只需要配置。

系统的软件设计主要的技术在于ZigBee组网和入网设计，组建网络一般包含两个环节，网络初始化环节和节点入网环节。节点加入网络的环节的方式有2种：一种是通过已加入网络的节点加入网络，但是因为这种方法比较复杂，为了方便设计过程，设计采用的是第二种方法，采用协调器加入网络。

入网设计在进入网络之前协调器首先要与节点创立连接关系，上电激活FFD的节点之后，节点会向协调器出一个关联请求协调。经过协调器接收关联请求节点后，根据协调器资源和网络配置等情况决定是否允许关联，允许关联的响应发出之后，节点会立即响应相应的请求。

节点主要组网入网程序如下：

Uint8 Coordinator_TaskID;//为事件分配ID

Uint8 Coordinator_TransID;

afAddrType_t Coordinator_Guangbo_DstAddr;//广播

afAddrType_t Coordinator_Zubo_DstAddr;   //组播

afAddrType_t Coordinator_Dianbo_DstAddr; //点播

aps_Group_t Coordinator_Group;

Uint8 CoordinatorPeriodicCounter = 0;

Uint8 CoordinatorFlashCounter = 0;

void Coordinator_SendPeriodicMassege（ void ）

Coordinator_dianbo_DstAddr.addr （afAddrMode_t）Addr16Bit; //使用点播的方式

Coordinator_dianbo_DstAddr.endPoint Coordinator_ENDPOINT;

Coordinator_dianbo_DstAddr.addr.shortAddr = 0x0000;  //发给协调器

3 上位机系统

上位机的主要模块功能有：作为现场的工作状态监控终端显示，面向的主要是工作环境内的现场工作人员。为了让工作人员能够快速方便的解除故障，所以上位机界面要实时显示测量的各种参数。除此以外监控需要了解系統的阶段信息，因此，在设计中需要上位机可以实时监控并显示出系统的工作参数及环境参数等，一般的测量参数据量为：设备的电压、光照强度值、环境的温度、功率等。在记录运行参数数据的同时能够绘制数据变化走势曲线，方便发电站的以后的工作统计与分析。

上位机模块采用的是“组态王”软件[4]，基于组态王软件的实时数据采集页面如下图所示。

主要的程序如下：

ShowPicture（"太阳能3"）;

ClosePicture（"太阳能"）;

ClosePicture（"太阳能2"）;

ClosePicture（"太阳能3"）;

＼＼本站点＼e=＼＼本站点＼c*＼＼本站点＼d;

＼＼本站点＼光强3=StrLeft（ ＼＼本站点＼光强2，3）;

＼＼本站点＼a=StrToReal（ ＼＼本站点＼光强3 ）;

＼＼本站点＼e=＼＼本站点＼c*＼＼本站点＼d;

结论

虽然光伏发电系统运行的关键性的技术需求日渐成熟，但光伏电站监控技术还没有真正的达到可实用性的阶段，仍然处于日趋完善的阶段，光伏发电站的需要用地面积大、设备多，管理起来较复杂。ZigBee技术具有得天独厚的优势让它适应于各种工业检测场合。选定ZigBee技术作为无线通信技术将它和光伏发电技术巧妙结合，根据生产实际的要求，配合相关上位机传输数据，最大化地便利管理人员监控管理设备，让设备在最优的工作时间内工作，使设备的使用寿命得以延长，提高了发电效率。该系统运营成本低，可随时、随地通过终端浏览光伏电站发电情况和设备运行情况，给电站设备维护人员带来很大的便利，使用得当将会得到多方的认可。

参考文献：

[1]王璟，蒋小亮，杨卓等. 光伏集中并网电压约束下的准入容量与电压波动的评估方法[J].电网技术，2015，39（9）：2450-2457.

[2]马树才，王建军，谢芳. 基于ZigBee技术的光伏发电监控系统的研究和分析[J].电源技术，2014，38（4）：704-705

[3]戴哲恒，魏梓轩，孙伟等. Wi-Fi技术在家用太阳能热水器控制器上的应用[J].电子测试，2015 （10）：119-120.

[4]罗慧芳，许清泉，秦清. 基于组态王的现代物流模拟系统监控设计[J]无锡职业技术学院学报，2015，14（1）：44-47.

作者简介：

蔡纪鹤（1981.2-），男，博士，副教授，主要研究方向：光伏发电技术、自动控制技术。

*基金项目：常州市科技计划项目（CJ20189024）;江苏省大学生创新创业训练计划项目（201911055036Y， 201911055039Y） ;常州工学院校级科研基金项目（YN1732）