光伏應用系統遠程監測平臺設計

邢毓華,宋俊慷,郭慶吉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

光伏應用系統遠程監測平臺設計

邢毓華,宋俊慷,郭慶吉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

隨著太陽能發電技術的不斷發展，光伏應用系統越多的被工業單位和個人使用；為了解決分布式離散光伏應用系統檢測和管理維護的技術難題，文章闡述了一種光伏應用系統遠程監測平臺的設計方案；該方案在研究分析無線自組網技術和無線數據傳輸技術的基礎上，針對光伏應用系統的分布特點，將嵌入式技術，ZigBee技術，GPRS-DTU技術以及互聯網Web監測技術相結合，設計完成以數據采集節點、數據中心節點、Web服務器，以及手機客戶端為主要部件的遠程監測系統；并對該系統進行了實驗驗證；實驗結果表明該系統方案能夠對遠程分散的光伏應用系統的運行數據進行采集，組網匯聚和遠程傳輸；并可以通過計算機或手機等移動客戶端對數據進行遠程訪問和控制；為分散的光伏應用系統的遠程管理和維護提供了一種有效的技術方案。

太陽能發電；光伏應用系統；遠程監測

0 引言

光伏應用系統具有分布離散且相互獨立的特點，以太陽能路燈為例，每個太陽能路燈都是一個獨立的系統，成百上千的路燈需要統一監測，難以及時有效地獲得每個太陽能路燈的運行數據。對光伏應用系統的運行數據進行分析，有利于改進光伏應用系統的性能，優化系統結構。因此如何有效地及時地獲得光伏應用系統運行數據成為管理和維護光伏應用系統的關鍵問題之一。設計實現光伏應用系統遠程監測平臺，為光伏應用系統在線分析和故障診斷帶提供了有效支撐，將進一步促進光伏綠色能源系統的應用和發展[1-3]。

1 系統組成及工作原理

通過分析歸納，光伏應用系統的分布形式主要有兩種：一種在某區域相對集中存在，一種在某區域獨立存在。針對光伏應用系統分布形式的特點，建立如圖1所示的系統結構，完成對光伏應用系統監測平臺的設計[4-6]。

針對在某區域相對集中存在的光伏應用系統，將各個分散節點的數據集中到一個中心節點，再由中心節點將匯集好的數據進行轉發；針對在某區域獨立存在的光伏應用系統，由單一節點完成數據采集與發送即可。

圖1 分散光伏應用程監遠程測平臺結構

本文主要實現在某區域相對集中存在的光伏應用系統遠程監測平臺設計。具體實現方案如下：首先，數據采集節點與數據中心節點通過紫蜂(ZigBee)技術進行組網通信，將數據采集節點采集的光伏應用系統運行數據上傳到數據中心節點；其次，數據中心節點，采用通用分組無線服務數據傳輸(GPRS-DTU)技術，將各數據采集節點上傳的數據轉發至遠程服務器。最后在遠程服務器上開發功能完備的監測程序以滿足光伏應用系統運行管理和維護的需要。根據工程經驗，針對在某一區域獨立存在的光伏應用系統，可由單一節點完成數據的采集和轉發，而無需進行組網通信完成數據的匯集工作，實現起來更為簡單，因此本文并不對這種分布形式的光伏應用系統的監測技術進行討論。

整個監測平臺具有三層分布式結構：第一層是由數據采集節點構成的無線感知層，該層主要功能是對監測對象進行數據采集，同時與第二層設備進行數據組網通信；第二層是由數據中心節點構成和數據匯集層，該層主要實現的功能是匯集感知層的數據，同時將匯集好的數據通過Internet傳送第三層設備；第三層是由Internet上的服務器構成的服務應用層，該層主要提供監在線實時監測服務。

2 數據采集節點設計

數據采集節點一方面完成對光伏應用系的運行數據進行采集；另一方面實現與數據中心節點進行組網通信上傳監測數據。

2.1 數據采集節點硬件設計

使用德州儀器(texas instruments, TI)公司生產的CC2530芯片作為數據采集節點ZigBee模塊的核心。硬件方面主要完成CC2530的最小系統設計和采樣電路的設計。

數據采集節點CC2530最小系統包含了芯片工作時的基本核心電路部分：電源電路，復位電路，時鐘電路，仿真接口和無線射頻。

使用CC2530自帶的AD模塊完成對光伏應用系統的數據采集工作。需要采集的信號包括光伏電池板輸出電壓(Vpv)，升壓電路輸出電壓(Vboost)和光伏電池板輸出電流(Ipv)，采樣電路功能是將需要采集的模擬信號轉換成CC2530的AD 端口可接受的0～3.3 V 的電壓信號。

數據采集節點的硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 數據采集節點硬件電路框圖

2.2 數據采集節點軟件設計

針對數據采集節點，需要實現的軟件流程如圖3所示。

圖3 數據采集節點軟件流程圖

數據采集節點首先，初始化Zigbee模塊自身的硬件資源，包括通道、頻率、數模轉換(AD)端口等等；其次，發出網絡加入信號，申請周圍的Zigbee協調器加入網絡；如果收到加入成功應答信標，則進入低功耗狀態，如果加入失敗，則繼續發送申請信號，直到完成加入；最后，成功進入低功耗模式后就要等待系統初始化時預置的數據傳輸命令，一旦數據傳輸命令激活，則調用AD端口采集光伏應用系統的數據進行發送。

3 數據中心節點設計

數據中心節點與數據采集節點一方面進行組網通信，接收數據采集節點上傳的數據，完成分散數據的匯集工作；另一方面轉發上傳數據至遠端的服務器和附近的智能移動設備。

3.1 數據中心節點硬件設計

數據中心節點依然使用TI公司的CC2530芯片作為ZigBee模塊的核心。硬件方面主要完成CC2530的最小系統設計和CC2530芯片與GPRS-DTU模塊的串行通信接口。

數據中心節點CC2530最小系統依然包含了芯片工作時的基本核心電路部分：電源電路，復位電路，時鐘電路，仿真接口和無線射頻。

設計采用有人物聯網USR-GPRS型GPRS-DTU模塊，該模塊是專門用于將RS-232串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備，采用工業級嵌入式處理器，內嵌TCP/IP協議棧，為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。在進行設計時使用CC2530自帶的USART接口配合MAX232芯片完成USART接口與RS-232接口的轉換實現CC2530與GPRS-DTU模塊的RS-232接口進行通信。

數據采集節點的硬件電路框圖如圖4所示。

圖4 數據中心節點硬件框圖

3.2 數據中心節點軟件設計

針對數據中心節點的，需要實現的軟件流程如圖5所示。

圖5 數據中心節點軟件流程圖

數據中心節點的ZigBee模塊在以協調器功能啟動以后，進行ZigBee的網絡初始化。網絡初始化成功后就確定了網絡的PAN ID和信道，在此之后就進入無線監控狀態對其通信范圍內的節點加入信號進行監測，在接收到有節點需要加入網絡時在資源允許的情況下便為該節點分配相應的短地址和網絡資源。如果暫無節點加入信號， ZigBee模塊會判斷系統的查詢周期定時器是否到時，如果定時器到時則發送查詢命令進行數據接收，數據收成功后調用串口函數將收集的上傳數據轉發給GPRS-DTU模塊。

4 服務器相關設計

通過花生殼網站申請一個固定域名，同時使用“花生殼”軟件的端口映射功能將實驗室的計算機作為服務器開發數據接收程序和網頁監測程序完成服務器程序設計，使服務器完成數據通信和監測網站的發布工作[7-9]。

4.1 服務器數據接收程序設計

使用C語言編寫Socket服務程序運行在服務器上，用于監聽數據中心節點GPRS-DTU模塊的連接請求。數據中心節點的GPRS-DTU模塊事先已配置好服務器的固定域名和端口號，根據配置好固定域名和端口號，GPRS-DTU模塊發送TCP/IP連接請求，C語言Socket服務程序監聽到該連接請求后，與數據采集節點建立TCP/IP連接，實現數據中心節點的GPRS-DTU模塊與Socket服務程序的通信。Socket服務程序在收到GPRS-DTU模塊的連接請求后將創建pthread線程用于GPRS-DTU模塊數據的接收，然后將接收到的數據存儲到Access數據庫中。Socket服務程序的工作流程圖如圖6所示。

圖6 Socket程序流程圖

4.2 服務器監測網站設計

監測網站包含數據庫和網頁頁面兩部分。設計中數據中心節點轉發的數據信息并不大，因此選用Microsoft Access 2003數據庫軟件作為監測網站數據庫。Access數據庫以文件形式保存。

為了在與服務器交互的過程中，只傳輸網頁頁面上需要更改的部分(如各個監測數據的數值)。為此，考慮在與服務器通信的過程中只傳輸網頁頁面上需要進行更改的區域，而不將整個網頁進行傳輸，這樣使傳輸的數據量大大減少，從而縮短了傳輸時間；同時，網頁頁面在與服務器進行交互的過程中，客戶端仍然可以在當前頁面繼續操作，正常使用應用網頁上的程序，而不必等待服務器響應，因此針對監測網站頁面設計需要使用Ajax技術。

在加入Ajax引擎之后，當瀏覽器第一次與服務器進行通信時Ajax引擎就將Web服務器的內容下載到Ajax客戶端，因此一部分應用程序就從Web服務器端移動到了客戶端。在瀏覽器中的JavaScript程序將獲得的用戶指令分為兩個部分，第一部分自己處理，另一部分交付給Web服務器進行處理，這樣就減輕了Web服務器的運行負擔。

5 測試與評估

整個系統聯調方案如圖7所示。使用兩個自行設計的光伏應用系統作為監測對象，兩個數據采集節點采集光伏應用系統數據上傳至數據中心節點。數據中心節點轉發上傳數據至遠程服務器和附近的智能移動設備。在服務器上開發功能基本完備的監測網站，實現對兩個自行設計的光伏應用系統的監測。

圖7 系統聯調方案

使用計算機和智能手機分別對監測網站進行訪問，查看監測網站顯示的數據，為了使結果更具說服力，在使用智能手機對監測網站進行訪問時，智能手機的上網方式選用運營商數據流量模式。

具體在調試過程中需要注意以下幾個方面的問題：

(1) 數據采集節點的外部供電來自于光伏應用系統所以數據采集節點和光伏應用系統需要共地。

(2) 實驗室處于校園網內的計算機若想作為服務器發布網站，需要使用“花生殼”軟件的端口映射功能結合所申請的固定域名(lxlsjksyh.6655.la)實現監測網頁的發布。

圖8(a)和(b)展示分別是使用計算機和智能手機對監測網站進行訪問。

圖8 監測網站的訪問

6 結論

通過實驗可以看出，根據光伏應用系統的分布特點將ZigBee技術，GPRS-DTU技術，以及互聯網Web監測技術相結

合，可以有效的完成光伏應用系統的遠程監測與數據收集工作。在此基礎上可以進一步完善系統功能如權限管理、利用大數據學進行數據分析、系統告警、控制等功能，使新能源應用技術發展的更具系統化、智能化。

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Design of Remote Monitoring Platform for Photovoltaic Application System

Xing Yuhua, Song Junkang, Guo Qingji

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

With the continuous development of solar power technology, more and more applications of PV system are used by industrial units and individuals. In order to solve the technical problem of detection and maintenance about distributed PV application system, this paper describes a design of a remote monitoring platform for PV applications. Based on the study of wireless network technology and wireless data transmission technology, and according to the characteristics of the distributed PV application system, a remote monitoring system is designed, which consists of the acquisition nodes, data center nodes, web server, and mobile client, and this system combines Embedded technology, ZigBee technology, GPRS-DTU technology and Internet web monitoring technology. The experimental verification of the system is carried out. The experimental results show that the system can collect the running data of the remote distributed PV application system, and can networking and remote transmit the running data, which can be accessed and controlled remotely through the computer or mobile phone and other mobile client. This paper provides an effective technical solution for the remote management and maintenance of distributed PV application system.

solar power; distributed PV application system; remote monitoring

2016-06-05；

2016-08-19。

邢毓華(1966-)，男，碩士，副教授，主要從事物聯網通信技術方向的研究。

1671-4598(2017)01-0057-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.017

N913.23

A