基于ZigBee的光伏電站環境實時監測系統*

袁 穎，孫榮霞，李 瑞，王碩南

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

基于ZigBee的光伏電站環境實時監測系統*

袁 穎，孫榮霞，李 瑞，王碩南

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

為了監測和研究環境參數對光伏電站的影響，提出了一種基于ZigBee的光伏電站環境實時監測系統。以CC2530芯片為控制核心實現了傳感節點、路由節點和網關節點的硬件電路，且在Z-STACK協議棧基礎上，應用改進的Cluster-Tree算法組成無線傳感網絡。利用網絡計算機的Yeelink物聯網平臺實現上位機監測，科研人員可遠程登錄Yeelink平臺和手機APP查看光伏電站環境狀況。經實驗測試，該系統實現了光伏電站溫濕度、光照強度和氣壓信息的實時監測，數據可靠性高，且網關節點的數據收包率超過75%。

光伏電站；ZigBee；實時監測；Yeelink

0 引言

目前，能源短缺和環境惡化成為制約各國經濟增長的重要因素。為了降低能源消耗，各國都在探索新能源技術，而光伏發電是新能源不可或缺的一部分。雖然我國的光伏發電技術已經取得了較大的研究成果，但仍有技術問題有待進一步研究[1]，其中一個關鍵問題是提高光伏發電轉化率。光伏電池的光電轉化過程會受溫濕度、光照強度等環境參數的影響，而面向科研人員研究光伏發電轉化率的環境數據十分匱乏，嚴重制約了光伏技術的發展。此外，國內的光伏電站多建立在偏遠地區，一般在無人值守的情況下運行，而光伏電站的環境監測系統更是在建設之初就固定安裝，移動拆卸都不方便，也無法全面地對周圍環境進行監測[2]。基于此，為了提高光伏發電環境數據傳輸的準確性和實時性，同時便于研究人員對監測數據的綜合管理、分析，本文設計并實現了基于物聯網技術和ZigBee技術的實時監測系統，可多點采集光伏電站的溫濕度、光強和氣壓信息，并進行遠程實時監測。

1 系統概述

本系統包括無線傳感網絡和遠程控制中心兩部分。ZigBee無線傳感網絡包括1個網關節點、多個路由器節點和多個傳感節點[3]。在ZigBee協議規范中，網絡拓撲結構包括星型、網狀和樹狀結構。本設計為了提高WSN數據傳輸的可靠性，降低網絡的復雜度，采用了樹狀拓撲結構。遠程控制中心主要包括Yeelink物聯網平臺和監測終端，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統通過傳感節點采集光伏電站現場的溫濕度、光照強度和壓力信息，經過電路處理，通過ZigBee模塊將數據轉發給路由節點；路由節點主要完成數據的轉發，實現遠距離通信。傳感節點和路由節點的數量可根據環境需求靈活配置。網關節點負責建立和管理網絡[4]，把接收到的數據利用串口通信發送到Yeelink平臺。監測人員在監控室利用計算機或通過移動監測終端遠程登錄Yeelink平臺就可直接對現場環境進行監測，無需到現場。

2 節點硬件設計

節點硬件設計采用模塊化的設計思想，以CC2530芯片作為主控芯片設計了各個節點。節點結構主要包括ZigBee模塊、采集模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及電源模塊，節點硬件結構如圖2所示。

圖2 節點硬件結構圖

2.1 ZigBee模塊

本系統各個節點的ZigBee模塊選用了增強型芯片CC2530的最小系統，CC2530不僅作為ZigBee模塊的核心芯片實現采集數據信息的無線通信，同時也作為微處理器進行控制。本系統選用的是CC2530F256，其內部集成了高性能的2.4 GHz的RF收發器和低功耗的工業級的8051微控制器[5]；其在接收和發射模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA，特別適合要求電池長期供電的超低功耗應用場合。由于CC2530功耗低、集成度高、硬件設計簡單且外設接口豐富，在無線傳感網絡中得到了廣泛的應用。此模塊增加了數據存儲電路，用于存放采集的信息，以便在數據傳輸過程中出現數據丟失的情況時可調取存儲的內容重新發送。其電路如圖3所示。

圖3 數據存儲電路

2.2 采集模塊

采集模塊通過傳感器收集電站現場的溫濕度、光照強度以及壓力參數，而參數信息的準確程度對科研人員及時獲取環境參數有著重要作用。本設計以成本低、精度高和穩定性好為原則，選用了數字溫濕度傳感器SHT11、光敏電阻5516和高分辨率數字氣壓傳感器MS5611-01BA03，所選用傳感器的技術參數如表1所示。

表1 傳感器技術參數

2.3 LCD顯示模塊

本系統中現場終端節點和協調器節點的數據顯示均選擇的是ZLE12864A液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊實現日期、時間、溫度值、濕度值、光照強度值、氣壓值的實時顯示。本設計中顯示模塊采用3.3 V電源供電，其與主控芯片采用串行通信方式[6]，液晶電路控制芯片為ST7565P。顯示模塊引腳連接為SCLK→CC2530(P1.5)、MOSI→CC2530(P1.6)、Pin12→CC2530(P1.2)、Pin13→RST和Pin14→CC2530(P0.0)。

2.4 電源模塊

電源模塊是保證系統正常工作的關鍵。由于系統各個電路需3.3 V供電，而各個節點使用5 V干電池供電，利用LM117穩壓芯片將5 V電壓轉換成3.3 V，電源模塊電路圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

3 系統軟件實現

3.1 ZigBee路由算法

本設計應用了改進的Cluster-Tree路由算法，傳統的Cluster-Tree算法不需要存儲路由表，算法簡單，但是僅依靠節點間存在的父子關聯來轉發分組，使平均時延、跳數都增加[7]。在傳統算法基礎上引入鄰居表，通過計算當前節點到目標節點間的跳數并鄰居節點到目標節點的跳數進行對比，在把數據傳遞到鄰居節點和直接沿目標節點傳送兩條路徑中選取更優的，算法具體流程如圖5所示(Ds為源節點的網絡深度，Dd為目標節點的網絡深度)。數據傳輸過程中，重復使用改進算法進行計算，直到到達目標節點。改進的Cluster-Tree算法引入了鄰居表結合計算節點之間跳數的機制，在節點發送或轉發數據包前對兩類節點的跳數計算對比，來尋找一條跳數小的傳送路徑。改進算法有效地降低了能耗，并且提高了數據傳輸效率。

圖5 ZigBee路由算法流程

3.2 節點軟件實現

網關節點是無線傳感網絡的核心，負責組建樹狀網絡，接收、處理和發送所有信息以及指令。網關節點啟動，并對系統進行初始化，然后掃描一個合適的信道并組建無線傳感網絡[8]。組網成功后，開始接收節點傳送的數據并傳送給Yeelink平臺，再向節點發送指令。

傳感節點負責電站現場溫濕度、光強和氣壓信息的采集和傳輸。節點上電啟動并初始化后，掃描網絡信道，并請求加入掃描到的無線網絡。成功入網后，開始信息采集和發送。采集節點設定為周期工作模式，如果無需采集數據，則進入休眠狀態，以降低能耗。

3.3 Yeelink平臺對接

隨著物聯網技術的快速進步，物聯網公共服務平臺逐漸被用來儲存和管理傳感器數據信息，并將數據通過電腦、手機APP實時地顯示給用戶。Yeelink是國內使用比較廣泛的一個平臺，本設計運用Yeeink平臺實現數據的顯示和儲存以及環境的控制，利用Yeelink平臺提供的Yeelink串口工具和網絡計算機COM2口實現與物聯網平臺通信。

4 測試及結果分析

系統搭建完成后，進行系統試驗，主要測試內容為系統測量準確度、網關節點的收包率，以及系統運行的穩定性。為了保證試驗順利進行，試驗是針對實驗室環境進行監測；測試對象為室內空氣的溫濕度、光照強度和氣壓；在室內放置3個傳感節點。試驗從2015年3月11日開始，由于實驗環境的限制，采用加濕器、模擬光源和空調來調節溫濕度和光強。

以溫度為例進行測試與分析，傳感節點采用了SHT11溫濕度傳感器(精度±0.4℃，±3.0%相對濕度)，比對試驗采用川儀的便攜式溫濕度計(精度±0.1℃，±0.1%相對濕度)，從圖6中的溫度對比結果看，系統采集的溫度參數對比溫濕度計數值相差較小，溫度誤差保持在±0.5℃內，可以滿足光伏電站使用。

圖6 溫度對比試驗曲線圖

通過對比測試可知，系統的溫度誤差保持在±0.5℃內，濕度誤差保持在±1.8%內。氣壓對比試驗采用370數字式標準氣壓計，氣壓差保持在±1.4 hPa左右。當節點間距離在80 m以內，網關節點的數據收包率在75%以上，當距離超過80 m，收包率大幅下降，因此在布網時，為了保證數據的傳輸可靠性，節點間距離最多不超過80 m。通過連續試驗，系統可及時反映采集的環境參數信息，并且可通過監測終端遠程登錄Yeelink平臺查看環境信息。

5 結束語

為了實時監測光伏電站的環境信息，設計了基于ZigBee的環境參數實時監測系統。本系統以CC2530為控制核心設計了各個節點硬件電路和軟件程序。同時，采用改進的Cluster-Tree算法節約了網絡資源，降低了能耗，最終搭建了一個組網靈活、安裝方便、功耗低的監測系統，實現了光伏電站的溫濕度、光照度和氣壓參數的實時監測。經過測試，采集數據可靠性高，系統穩定可靠，且具有很強的擴展性，可將天氣或其他數據接入系統，具有一定的實際推廣價值。

[1] 胡云巖,張瑞英,王軍.中國太陽能光伏發電的發展現狀及前景[J]. 河北科技大學學報, 2014,35(1):69-72.

[2] 戴智堅,林培杰,程樹英.基于太陽能電源的圖像采集系統[J]. 電子技術應用，2012,38(10):41-44.

[3] Zigbee Alliance[DB/OL]. (2013-12-14)[2016-10-05].http://contech.suv.ac.kr/contech/courses/11h2wsn/095262r 00ZB_rf4ce_sc-ZigBee_RF4CE_Specification_public.pdf

[4] 陳克濤,張海輝,張永猛，等. 基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版),2014,42(5):183-188.

[5] 王鑫,潘賀. 基于CC2530的ZigBee無線溫濕度監測系統[J]. 中國農機化學報, 2014,35(3):217-220.

[6] 王素青,吳超.基于CC2530的環境監測系統的設計與實現[J]. 計算機測量與控制, 2015,23 (8):2650-2653.

[7] 曹越,胡方明,黨妮. ZigBee網絡Cluter-Tree優化路由算法研究[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2012,12 (10):4-7.

[8] 馮陳偉,張璘,袁江南. 基于ZigBee與安卓的智能遠程監控系統的設計[J]. 電視技術,2015,39 (20):38-42.

Real-time monitoring system for photovoltaic power station environment based on ZigBee

Yuan Ying, Sun Rongxia, Li Rui, Wang Shuonan

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China)

In order to monitor and research influence of environmental parameters on photovoltaic power station, this paper presents a real-time monitoring system of photovoltaic power station based on ZigBee. With chip CC2530 as controller, the hardware circuit of sensor nodes, routing nodes and gateway node is realized. And the improved Cluster-Tree routing algorithm is used to form the WSN based on Z-STACK protocol. By using the Yeelink, an Internet of Things platform, to achieve upper computer’s monitoring, managers can log on Yeelink platform or APP in phone to remotely view the photovoltaic power station environment information. The experimental results show that the system can realize the real-time monitoring of air temperature, humidity, light intensity and air pressure of power station with high data reliability, and the data receiving rate of gateway node is over 75%.

photovoltaic power station; ZigBee; real-time monitoring; Yeelink

國家級光伏技術虛擬仿真實驗教學中心項目(2016GFJG005)；太陽能電池生產關鍵設備中射頻電源裝置的國產化研究(11213910D)

TP182

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.010

袁穎，孫榮霞，李瑞，等.基于ZigBee的光伏電站環境實時監測系統[J].微型機與應用，2017,36(3)：33-35，38.

2016-10-12)

袁穎 (1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。E-mail：651648322@qq.com。

孫榮霞(1960-)，女，正高級工程師，主要研究方向：分析儀器、環境監測、太陽能電池檢測技術及自動化裝置。

李瑞(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式、物聯網。