基于ZigBee的光伏監控系統設計

蔡紀鶴 李蓓 羅昊 孟香港 狄軼娟

摘 要：通過對ZigBee技術的特點和優勢的分析，設計出一種光伏發電站的無線監控系統。通過對該系統的網絡結構體系、監控系統的數據采集、數據傳輸的網絡建立、上位機系統的設計，實現遠程終端通過無線網絡對光伏發電站設備工作數據的實時采集和運行狀態的監控。管理人員可以通過PC端的上位機系統界面掌握光伏發電站的運行情況，及時作出相應的操作。

關鍵詞：ZigBee技術;光伏發電;監控系統;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境的矛盾日益突出。因為可再生能源能夠重復利用，高利用率，無污染，所以其在能源使用中已占具獨特的戰略地位[1]。光伏發電站的地位尤其突出，光伏發電站一般在邊緣區域和面積廣闊的地區，設備占地面積廣且分布零散，其采集的數據分布十分分散，如果沒有一個讓數據匯聚的平臺進行匯集數據處理和數據的相應處理，造成數據分析和工程控制的不便。

光伏發電站的正常穩定運行需要各個方面的協調合作，需要檢測環境各個方面的變量的檢測。采用ZigBee技術進行遠程監測適合我國目前環境監測的需求[2]。在完成光伏檢測系統需要滿足以下幾個要求：

（1）能夠對光伏發電系統各個變量進行實時檢測，主要測量的變量參數為：設備工作電壓、設備工作電流、環境溫度、工作功率、環境光照強度值等等。

（2）利用ZigBee無線傳感技術進行組網，能夠實現運營數據的實時傳輸。

（3）在軟件設計方面，確定系統包括幾大模塊以及各模塊具體要實現的功能，開發測試上位機軟件，通過無線網絡傳輸，最后將檢測的數據顯示到上位機的界面上。

1關鍵技術

目前短距離無線通訊技術有很多，如數字電臺、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協，ZigBee具有絕對獨特優勢被選用在光伏電站監測試系統中，主要是它具有其他無線通訊技術所不能達到的特征。

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

（2）網絡容量大。藍牙網絡容量是8個節點，Wi-Fi是50個，而ZigBee采用一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點，同時主節點還可由上一層網絡節點管理，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，避免了發送數據時的競爭和沖突;節點模塊之間具有自動動態組網的功能，信息在整個ZigBee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸的可靠性。

2 系統組成

2.1 硬件系統結構

基于ZigBee的光伏控制系統，主要有ZigBee模塊、數據采集模塊、上位機模塊等組成。通過ZigBee各測控節點的通信來實時監控光伏發電站的運行情況，從而進行調節和維護。本設計基于ZigBee協議，具有遠程控制功能、擴展性好、易于維護等優點。

2.2 硬件模塊的功能簡介

（1）ZigBee模塊。每臺發電設備安裝一臺ZigBee節點，一個電站安裝一個ZigBee協調器，每個ZigBee節點均可以作為路由器，各個節點與協調器組成一個網狀型網絡拓撲，以提高通訊可靠性并實現遠距離通訊。ZigBee節點接收來自ZigBee協調器命令，并將采集到的數據通過ZigBee局域網傳輸到ZigBee協調器。

（2）數據采集模塊。主要采集的數字信號有溫度、電壓、光照強度。溫度傳感器在光伏監控系統中進行溫度數據的采集，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，就是一種內部利用固定電阻進行分壓，本身它的材料是一種可以根據光照強度改變阻值的半導體，光敏電阻的阻值范圍5～10KΩ。利用AD轉換裝置將采集到的電壓值換算成光照強度值。就是一種內部利用固定電阻進行分壓，本身它的材料是一種可以根據光照強度改變阻值的半導體，光敏電阻的阻值范圍5～10KΩ。利用AD轉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。是整個設計的監測中心，主要由數據采集服務器、數據庫服務器、局域網服務器和監測界面組成。可實時有效地為管理人員提供數據，便于作出判斷。

2.3 軟件系統結構

ZigBee系統的軟件設計，可以看做是一個嵌入式的通信網絡設計，該系統需要相應的軟件配合才能實現各種功能。主要在Zstack協議棧完成，Zstack協議棧一共做了兩件工作：一個是系統初始化，初始化硬件系統和軟件系統中的每個模塊;一個是執行操作系統，實現預期功能。在光伏監控系統中需要監測多個控制量，也就是需要監測多個節點。

由于ZigBee協調器和節點工作內容略有不用，無需采用兩種硬件結構，可通過軟件來區分ZigBee設備類型自適應。協調器按照一定的頻率與各個節點通訊，節點采用自動獲取發電設備地址策略，無需現場調試。由于采用了透明傳輸的ZigBee模塊，只需要使用MCU與ZigBee模塊進行通訊和協議轉換，ZigBee節點與其他節點之間按照ZigBee協議通訊，而與設備之間按標準MODBUS協議通訊。對于ZigBee模塊的工作流程，不用參與管理，只需要配置。

系統的軟件設計主要的技術在于ZigBee組網和入網設計，組建網絡一般包含兩個環節，網絡初始化環節和節點入網環節。節點加入網絡的環節的方式有2種：一種是通過已加入網絡的節點加入網絡，但是因為這種方法比較復雜，為了方便設計過程，設計采用的是第二種方法，采用協調器加入網絡。

入網設計在進入網絡之前協調器首先要與節點創立連接關系，上電激活FFD的節點之后，節點會向協調器出一個關聯請求協調。經過協調器接收關聯請求節點后，根據協調器資源和網絡配置等情況決定是否允許關聯，允許關聯的響應發出之后，節點會立即響應相應的請求。

節點主要組網入網程序如下：

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; ?//發給協調器

3 上位機系統

上位機的主要模塊功能有：作為現場的工作狀態監控終端顯示，面向的主要是工作環境內的現場工作人員。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。除此以外監控需要了解系統的階段信息，因此，在設計中需要上位機可以實時監控并顯示出系統的工作參數及環境參數等，一般的測量參數據量為：設備的電壓、光照強度值、環境的溫度、功率等。在記錄運行參數數據的同時能夠繪制數據變化走勢曲線，方便發電站的以后的工作統計與分析。

上位機模塊采用的是“組態王”軟件[4]，基于組態王軟件的實時數據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;

結論

雖然光伏發電系統運行的關鍵性的技術需求日漸成熟，但光伏電站監控技術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，光伏發電站的需要用地面積大、設備多，管理起來較復雜。ZigBee技術具有得天獨厚的優勢讓它適應于各種工業檢測場合。選定ZigBee技術作為無線通信技術將它和光伏發電技術巧妙結合，根據生產實際的要求，配合相關上位機傳輸數據，最大化地便利管理人員監控管理設備，讓設備在最優的工作時間內工作，使設備的使用壽命得以延長，提高了發電效率。該系統運營成本低，可隨時、隨地通過終端瀏覽光伏電站發電情況和設備運行情況，給電站設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：

[1]王璟，蔣小亮，楊卓等. 光伏集中并網電壓約束下的準入容量與電壓波動的評估方法[J].電網技術，2015，39（9）：2450-2457.

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

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

[4]羅慧芳，許清泉，秦清. 基于組態王的現代物流模擬系統監控設計[J]無錫職業技術學院學報，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：光伏發電技術、自動控制技術。

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