基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)*

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(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)*

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(jiān)測和研究環(huán)境參數(shù)對光伏電站的影響，提出了一種基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530芯片為控制核心實現(xiàn)了傳感節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點的硬件電路，且在Z-STACK協(xié)議?；A上，應用改進的Cluster-Tree算法組成無線傳感網(wǎng)絡。利用網(wǎng)絡計算機的Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)上位機監(jiān)測，科研人員可遠程登錄Yeelink平臺和手機APP查看光伏電站環(huán)境狀況。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏電站溫濕度、光照強度和氣壓信息的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)可靠性高，且網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)收包率超過75%。

光伏電站；ZigBee；實時監(jiān)測；Yeelink

0 引言

目前，能源短缺和環(huán)境惡化成為制約各國經(jīng)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(fā)電是新能源不可或缺的一部分。雖然我國的光伏發(fā)電技術已經(jīng)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(fā)電轉(zhuǎn)化率。光伏電池的光電轉(zhuǎn)化過程會受溫濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)的影響，而面向科研人員研究光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化率的環(huán)境數(shù)據(jù)十分匱乏，嚴重制約了光伏技術的發(fā)展。此外，國內(nèi)的光伏電站多建立在偏遠地區(qū)，一般在無人值守的情況下運行，而光伏電站的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境進行監(jiān)測[2]?；诖?，為了提高光伏發(fā)電環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和實時性，同時便于研究人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理、分析，本文設計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術和ZigBee技術的實時監(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)測。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡和遠程控制中心兩部分。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡包括1個網(wǎng)關節(jié)點、多個路由器節(jié)點和多個傳感節(jié)點[3]。在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，網(wǎng)絡拓撲結構包括星型、網(wǎng)狀和樹狀結構。本設計為了提高WSN數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕档途W(wǎng)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(lián)網(wǎng)平臺和監(jiān)測終端，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)通過傳感節(jié)點采集光伏電站現(xiàn)場的溫濕度、光照強度和壓力信息，經(jīng)過電路處理，通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點；路由節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)遠距離通信。傳感節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)量可根據(jù)環(huán)境需求靈活配置。網(wǎng)關節(jié)點負責建立和管理網(wǎng)絡[4]，把接收到的數(shù)據(jù)利用串口通信發(fā)送到Yeelink平臺。監(jiān)測人員在監(jiān)控室利用計算機或通過移動監(jiān)測終端遠程登錄Yeelink平臺就可直接對現(xiàn)場環(huán)境進行監(jiān)測，無需到現(xiàn)場。

2 節(jié)點硬件設計

節(jié)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(jié)點。節(jié)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(jié)點硬件結構如圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件結構圖

2.1 ZigBee模塊

本系統(tǒng)各個節(jié)點的ZigBee模塊選用了增強型芯片CC2530的最小系統(tǒng)，CC2530不僅作為ZigBee模塊的核心芯片實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)信息的無線通信，同時也作為微處理器進行控制。本系統(tǒng)選用的是CC2530F256，其內(nèi)部集成了高性能的2.4 GHz的RF收發(fā)器和低功耗的工業(yè)級的8051微控制器[5]；其在接收和發(fā)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(wǎng)絡中得到了廣泛的應用。此模塊增加了數(shù)據(jù)存儲電路，用于存放采集的信息，以便在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況時可調(diào)取存儲的內(nèi)容重新發(fā)送。其電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲電路

2.2 采集模塊

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

表1 傳感器技術參數(shù)

2.3 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)中現(xiàn)場終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)顯示均選擇的是ZLE12864A液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊實現(xiàn)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(tǒng)正常工作的關鍵。由于系統(tǒng)各個電路需3.3 V供電，而各個節(jié)點使用5 V干電池供電，利用LM117穩(wěn)壓芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)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(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 ZigBee路由算法

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

圖5 ZigBee路由算法流程

3.2 節(jié)點軟件實現(xiàn)

網(wǎng)關節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡的核心，負責組建樹狀網(wǎng)絡，接收、處理和發(fā)送所有信息以及指令。網(wǎng)關節(jié)點啟動，并對系統(tǒng)進行初始化，然后掃描一個合適的信道并組建無線傳感網(wǎng)絡[8]。組網(wǎng)成功后，開始接收節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)并傳送給Yeelink平臺，再向節(jié)點發(fā)送指令。

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

3.3 Yeelink平臺對接

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速進步，物聯(lián)網(wǎng)公共服務平臺逐漸被用來儲存和管理傳感器數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)通過電腦、手機APP實時地顯示給用戶。Yeelink是國內(nèi)使用比較廣泛的一個平臺，本設計運用Yeeink平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和儲存以及環(huán)境的控制，利用Yeelink平臺提供的Yeelink串口工具和網(wǎng)絡計算機COM2口實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信。

4 測試及結果分析

系統(tǒng)搭建完成后，進行系統(tǒng)試驗，主要測試內(nèi)容為系統(tǒng)測量準確度、網(wǎng)關節(jié)點的收包率，以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。為了保證試驗順利進行，試驗是針對實驗室環(huán)境進行監(jiān)測；測試對象為室內(nèi)空氣的溫濕度、光照強度和氣壓；在室內(nèi)放置3個傳感節(jié)點。試驗從2015年3月11日開始，由于實驗環(huán)境的限制，采用加濕器、模擬光源和空調(diào)來調(diào)節(jié)溫濕度和光強。

以溫度為例進行測試與分析，傳感節(jié)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(tǒng)采集的溫度參數(shù)對比溫濕度計數(shù)值相差較小，溫度誤差保持在±0.5℃內(nèi)，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(tǒng)的溫度誤差保持在±0.5℃內(nèi)，濕度誤差保持在±1.8%內(nèi)。氣壓對比試驗采用370數(shù)字式標準氣壓計，氣壓差保持在±1.4 hPa左右。當節(jié)點間距離在80 m以內(nèi)，網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)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(wǎng)時，為了保證數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，節(jié)點間距離最多不超過80 m。通過連續(xù)試驗，系統(tǒng)可及時反映采集的環(huán)境參數(shù)信息，并且可通過監(jiān)測終端遠程登錄Yeelink平臺查看環(huán)境信息。

5 結束語

為了實時監(jiān)測光伏電站的環(huán)境信息，設計了基于ZigBee的環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)以CC2530為控制核心設計了各個節(jié)點硬件電路和軟件程序。同時，采用改進的Cluster-Tree算法節(jié)約了網(wǎng)絡資源，降低了能耗，最終搭建了一個組網(wǎng)靈活、安裝方便、功耗低的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了光伏電站的溫濕度、光照度和氣壓參數(shù)的實時監(jiān)測。經(jīng)過測試，采集數(shù)據(jù)可靠性高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且具有很強的擴展性，可將天氣或其他數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，具有一定的實際推廣價值。

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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(chǎn)關鍵設備中射頻電源裝置的國產(chǎn)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(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)[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(huán)境監(jiān)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(lián)網(wǎng)。