基于GPRS和ZigBee的風(fēng)光互補電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

近年來，隨著煤炭、石油和天然氣等資源的枯竭以及環(huán)保要求的不斷提高，國際社會開始強烈關(guān)注能源危機和溫室氣體排放帶來的全球氣候變暖問題。風(fēng)能和太陽能作為最為理想和最有潛力的清潔能源得到了越來越多的關(guān)注和研究，這兩種能源都是低密度能源，將兩者結(jié)合起來構(gòu)成風(fēng)光互補電站，按照合理的容量配置互補運行并安裝合適的蓄電池組進行能量存儲和負載的均衡，則能夠使二者的弱點得以均衡，得到電源輸出穩(wěn)定、性價比高、應(yīng)用靈活能源。但由于風(fēng)能、太陽能存在能量密度低且隨機性強的特點，所以為了獲得更多的電能，風(fēng)光互補發(fā)電站一般都架設(shè)在比較偏遠的開闊地帶，這就對電站的監(jiān)控提出了新的要求，而GPRS無線通信技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)電站遠程監(jiān)控提供了可能。

1 風(fēng)光互補電站的工作原理

風(fēng)光互補電站一般由多個子站組成，如圖1所示，每個子站主要由“機構(gòu)設(shè)備”和“能量控制”兩部分組成。其中，風(fēng)光互補發(fā)電機構(gòu)設(shè)備由風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池板和連接裝置等構(gòu)成;風(fēng)光互補發(fā)電能量控制部分由蓄電池組、DC/DC變換器、逆變器和控制器等組成。為了獲取更好的發(fā)電效果，需要根據(jù)光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際運行狀態(tài)及負載和蓄電池電壓電流變化情況，實現(xiàn)對風(fēng)光互補發(fā)電運行模式的調(diào)節(jié)，實時檢測系統(tǒng)各參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)異常的情況時能及時發(fā)出報警信號。

2 監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理

風(fēng)光互補電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、遠程PC訪問控制端和用戶手機客戶端組成，其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由多個節(jié)點組成，包括電站所在地風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等環(huán)境量測試節(jié)點，風(fēng)力機發(fā)電電壓電流、太陽能電池板的電壓電流、蓄電池的電壓電流監(jiān)測節(jié)點;以及風(fēng)力機控制繼電器節(jié)點，這些節(jié)點與協(xié)調(diào)器構(gòu)成Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，同時與遠程計算機采用GPRS通訊方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)上傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過GPRS模塊和監(jiān)控計算機以及用戶手機服務(wù)端通信。

3 風(fēng)光互補監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用模塊化設(shè)計，主要由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，電源模塊負責(zé)為節(jié)點供電，提供各部分運行所需的電量;傳感器模塊負責(zé)采集電站闡述信息并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器模塊負責(zé)對整個節(jié)點進行控制和管理;無線通信模塊負責(zé)節(jié)點之間按一定的通信協(xié)議相互通信。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微處理器采用TI公司無線通信芯片CC2530，負責(zé)驅(qū)動傳感器以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。無線射頻模塊選用外接型鞭狀天線增強信號的強度。傳感器模塊對電站周圍環(huán)境的溫濕度、光照度、風(fēng)速風(fēng)向、電池板的電壓電流等狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，電源模塊將為系統(tǒng)提供系統(tǒng)所需電壓。協(xié)調(diào)器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最為特殊的節(jié)點，主要負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立維護、分配網(wǎng)內(nèi)地址、控制終端節(jié)點加入等工作，硬件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類似，也是選擇CC2530為控制芯片的無線射頻單元，通過Zigbee射頻模塊與其它節(jié)點構(gòu)建成Zig bee網(wǎng)絡(luò)。

TI公司的CC2530芯片是一款完全兼容8051內(nèi)核的單片機，支持IEEE802.15.4無線通信協(xié)議，最大擁有256 KB的可編程FLASH容量，12個10位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道，21個雙向的I/O端口，該款單片機能滿足Z?Stack運行內(nèi)存容量的要求。配合TI公司提供的Z—Stack協(xié)議棧軟件，能夠方便快捷地完成監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的開發(fā)。以CC2530芯片為核心構(gòu)成的Zi gBee模塊，通過不同的軟件配置可以在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中扮演不同的角色，成為協(xié)調(diào)器節(jié)點、終端節(jié)點。

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)是監(jiān)控系統(tǒng)另一關(guān)鍵節(jié)點，電站監(jiān)控系統(tǒng)通過它可以與基于IP的骨干網(wǎng)絡(luò)進行通信，如圖4所示，既是網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，也是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯聚點，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。一方面，通過串口通信的方式和協(xié)調(diào)器通信，獲取各節(jié)點采集到的電站參數(shù)并存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時將控制命令發(fā)送到協(xié)調(diào)器，傳到各控制節(jié)點，實現(xiàn)對風(fēng)機的控制。另一方面，嵌入式網(wǎng)關(guān)可以通過GPRS通訊模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與遠程監(jiān)控計算機通信。

網(wǎng)關(guān)核心處理器選擇三星公司的S3C2440A芯片，是一款基于ARM920T內(nèi)核的高性能的16/32位RISC處理器，擁有獨立的16 kB指令緩存和16 kB數(shù)據(jù)緩存。S3C2440A處理器支持大/小端存儲模式，總共有8個BANK，每個BANK地址空間為128 MB，尋址空間達1 GB，并且支持NOR FLASH或NANDFLASH等引導(dǎo)方式，其性能穩(wěn)定、功耗低、高速的數(shù)據(jù)處理能力使其非常適用于對功耗和成本比較敏感的應(yīng)用場合。

GPRS模塊采用了SIMCOM公司的SIM900A，該模塊體積小巧，性能突出，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠容易的使用TCP/IP協(xié)議，而且在數(shù)據(jù)傳輸方面應(yīng)用廣泛，主串口和調(diào)試串口可以幫助用戶輕松地進行開發(fā)應(yīng)用。GPRS模塊通過接口外接SIM卡卡座，接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)傳輸，與遠程監(jiān)控PC通信，實現(xiàn)對電站的監(jiān)控。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點程序設(shè)計、協(xié)調(diào)器程序設(shè)計、網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計以及PC端監(jiān)控軟件設(shè)計四部分。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負責(zé)采集風(fēng)光互補電站的相關(guān)技術(shù)參數(shù)信息并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給協(xié)調(diào)器，主要負責(zé)與協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、接收控制指令、發(fā)送數(shù)據(jù)參數(shù)，程序流程圖如圖5所示。協(xié)調(diào)器程序負責(zé)構(gòu)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)同時實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的通信，接受嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)來的指令并向相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信，程序流程圖如圖6所示。

4.1 網(wǎng)關(guān)控制程序設(shè)計

由于μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)具有免費使用開放源代碼!內(nèi)核代碼小等諸多優(yōu)點，因此網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序以μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為平臺進行相應(yīng)軟件的開發(fā)。網(wǎng)關(guān)控制程序主要完成初始化系統(tǒng)及GPRS模塊，并依照通信協(xié)議接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，與PC及通信握手，接收PC監(jiān)控端或手機客戶端發(fā)來的信息，并分析信息內(nèi)容。根據(jù)指令解析結(jié)果，將控制指令發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)關(guān)控制主程序流程圖如圖7所示，首先進行初始化，通過GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后啟動TCP連接，與PC機通信，接收來自PC監(jiān)控端的指令并分析處理。網(wǎng)關(guān)分析處理指令的過程實際上就是處理字符串的過程，采用字符串函數(shù)對收到的指令進行比較，看看內(nèi)容是不是符合某種格式，從而確定指令內(nèi)容。在分析指令之后，對指令進行相關(guān)操作。

如是查看電站狀態(tài)參數(shù)指令，則調(diào)用子程序采集狀態(tài)參數(shù)信息，并通過AT指令發(fā)回給PC監(jiān)控端，如是控制指令則將對應(yīng)的指令代碼寫入到相應(yīng)的文件中，等待網(wǎng)關(guān)的其他程序來讀取指令并將指令發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器再把指令發(fā)給控制節(jié)點實現(xiàn)對電站的控制。

4.2 監(jiān)控端程序設(shè)計

PC端監(jiān)控軟件實現(xiàn)人機對話同時也實現(xiàn)與GPRS模塊建立通訊聯(lián)系，實現(xiàn)對電站運行監(jiān)控。用戶界面部分采用MFC框架基于Dialog實現(xiàn)，監(jiān)控程序在Visual BasiC6.0開發(fā)環(huán)境下編寫，采用Winsock控件接收遠程數(shù)據(jù)，無需了解TCP或底層winsock API函數(shù)，通過設(shè)置Winsock控件的屬性和調(diào)用該控件的方法，就可以連接到遠程計算機并進行雙向數(shù)據(jù)交換，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中。圖8為編號為FGDZ002風(fēng)光互補電站的實時監(jiān)控界面，監(jiān)控軟件可以根據(jù)電站編碼查看各電站的實時數(shù)據(jù)，同時還可以發(fā)送遠程命令對電站進行控制，同時還可以查看歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

根據(jù)風(fēng)光互補電站的特點，提出了基于Zigbee和GPRS通信的風(fēng)光互補電站遠程監(jiān)控的方案，利用Zigbee構(gòu)建現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)的傳送，實現(xiàn)對電站的遠程監(jiān)控，在實驗進行模擬實驗，從圖8監(jiān)控數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)前實驗狀態(tài)下，有日照，且風(fēng)速達到風(fēng)力發(fā)電機的啟動風(fēng)速，風(fēng)光互補電站發(fā)電，總發(fā)電功率略高于負載功率，在向負載供電的同時，還對蓄電池進行充電。由此可見，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握電站運行狀態(tài)信息，而且還可以直觀顯示運行數(shù)據(jù)或曲線，并可及時采取相應(yīng)的電站運行控制策略。實踐證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較強的推廣應(yīng)用價值。