基于ZigBee 和GPRS 的戶用屋頂光伏管理系統

劉彥超 位禮奎

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

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

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

1 系統整體結構

本文所提出的戶用屋頂光伏管理系統，由用戶監控終端、區域監控子站、遠程管理中心三個層次組成，系統結構如圖1 所示。用戶監控終端與區域監控子站間通過ZigBee 網絡進行通信，實現監控數據的上傳和控制指令的接收;區域監控子站與遠程控制中心間通過GPRS 網絡進行通信，實現區域數據的發送和控制指令的接收;遠程管理中心通過上位機實現對管理范圍用戶的監測和管理。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of the system

2 關鍵部件硬件設計

2.1 用戶監控終端

用戶監控終端包括用戶端監控設備和ZigBee 無線通信模塊，其硬件結構如圖2 所示。

圖2 用戶監控終端硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of the user monitoring terminal

用戶端監控設備主要由數據采集器、處理器模塊、LCD 顯示屏、控制按鍵、電源模塊組成。數據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部存儲單元。處理器模塊將這些參數通過顯示屏顯示給用戶，用戶可根據自身需求對其屋頂光伏進行簡單控制。

本文用戶監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 公司生產用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系統解決方案，片內整合了RF 收發器、增強型8051MCU、最大256 kB 的Flash 內存、8 kB 的RAM;集成了2 個USART、8 通道12 位ADC 模數轉換，128 位AES 加密解密安全協議;只需極少的外圍電路即可實現信號的收發功能，并且支持空中無線下載。考慮到用戶監控終端可能安裝在室內或建筑物較多的區域，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，增加數據收發的靈敏度。用戶監控終端將用戶數據按照ZigBee 通信協議規范發送給區域監控子站，同時，接收區域監控子站傳達的指令，對用戶設備進行控制。

2.2 區域監控子站

區域監控子站是建立在一定區域內(如某小區或某農村)的監控設備，負責本區域內網絡的管理以及數據傳輸的中轉，包括ZigBee 網絡協調器、控制器、外部存儲模塊、環境檢測傳感器、數據采集器、電源模塊和GPRS 通信模塊等，其硬件結構如圖3 所示

圖3 區域監控子站硬件結構圖Fig.3 Hardware structure of the regional monitoring sub-station

在本文的設計中，選用TI 公司CC2538 作為網絡協調器和控制器的主芯片。這款產品包含基于ARM Cortex M3 的強大的MCU 系統，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絡堆棧;32 個通用輸入和輸出(GPIO)以及串行外設接口可實現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、快速數據存儲和更快的數據下載速度。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設置。接著進行模塊參數設置GPRS 模塊成功接入網絡后，CC2538 將需要發送的數據封裝成TCP/IP 幀格式，經串口發送給GPRS 模塊，數據經GPRS 網絡發送至遠程管理中心。

環境檢測傳感器負責對區域內日照、溫度等天氣情況的監測，并將監測數據傳送給控制器。此外，由于區域內的用戶較多，用戶數據量大，需要擴展外部存儲單元，以方便用戶數據的存儲和發送。

2.3 遠程管理中心

遠程管理中心包括控制計算機、Web 服務器和數據庫服務器。遠程管理中心通過Web 服務器接收區域監控子站經GPRS 網絡發來的數據，利用上位機對用戶進行實時的監測和管理，并建立數據庫對用戶數據進行存儲和管理。

3 軟件設計

3.1 監控終端程序設計

監控終端程序流程圖如圖4 所示。

圖4 監控終端程序流程圖Fig.4 Flowchart of the program of monitoring terminal

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

3.2 網絡協調器程序設計

作為區域監控子站的關鍵部件，網絡協調器負責區域內ZigBee 無線網絡的建立、管理和維護。由于各用戶間無需通信，且用戶監控終端與區域監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域內ZigBee 無線網絡的結構。這種拓撲方式結構簡單、管理方便。

設備上電復位后，協調器首先完成協議棧的初始化工作，然后協調器開始掃描并選擇合適的信道，建立區域內的ZigBee 無線網絡。區域內的各用戶可以根據管理中心的安排加入或退出網絡。由于采取星型拓撲結構，用戶終端與區域子站間實際上是點對點的通信，區域監控子站每隔一段時間向各用戶監控終端發送數據上報指令，接收用戶上報的數據并進行格式轉換后發送給管理中心;同時，也接收從管理中心發送來的控制指令，根據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。網絡協調器程序流程如圖5 所示。

圖5 網絡協調器流程圖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的中樞，負責其整個管理范圍內各用戶、各區域的監測和控制。遠程管理中心接收各區域監控子站經GPRS 網絡發來的數據，完成對數據的轉換、分析、顯示和存儲;及時發現用戶側的故障或警告，根據用電情況作出相應的安排，控制用戶側的運行;建立專門的數據庫保存用戶數據，方便對歷史數據的查看、調用和上傳。

本文的設計中，采用LabVIEW 虛擬儀器開發平臺進行管理界面的開發，并設計有系統啟動界面、系統主控界面、系統設置界面、實時顯示界面、歷史數據界面、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的可視化操作。管理人員可通過管理界面觀察各區域、各用戶的運行情況，并及時發送控制命令，實現了智能化管理。

采用關系數據庫與內存數據庫相結合的方式，利用SQL 建立用戶數據庫，通過LabVIEW 接口模塊對用戶數據進行存儲和管理［10］，并將數據庫服務器與Web服務器相連接，實現用戶數據的網絡傳輸。

4 實驗分析

在實驗室環境中，對本文所設計的戶用屋頂光伏管理系統進行了實例模擬，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 個區域監控子站以及5 個用戶監控終端，其結構如圖6 所示。

圖6 測試方案網絡結構Fig.6 Network structure of the test scheme

當系統啟動后，區域監控子站能快速選擇網絡地址，并為區域內各個監控終端分配ZigBee 無線網絡地址;設置區域監控子站每隔1 min 向監控終端發送數據讀取指令，監控終端收到指令后能快速準確地上報數據;當上位機發出控制指令時，監控子站率先接收到指令，并能根據指令地址向相應的監控終端發送控制指令。

5 結束語

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

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