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

近年來(lái)，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(guó)際社會(huì)開(kāi)始強(qiáng)烈關(guān)注能源危機(jī)和溫室氣體排放帶來(lái)的全球氣候變暖問(wèn)題。風(fēng)能和太陽(yáng)能作為最為理想和最有潛力的清潔能源得到了越來(lái)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(lái)構(gòu)成風(fēng)光互補(bǔ)電站，按照合理的容量配置互補(bǔ)運(yùn)行并安裝合適的蓄電池組進(jìn)行能量存儲(chǔ)和負(fù)載的均衡，則能夠使二者的弱點(diǎn)得以均衡，得到電源輸出穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高、應(yīng)用靈活能源。但由于風(fēng)能、太陽(yáng)能存在能量密度低且隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以為了獲得更多的電能，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站一般都架設(shè)在比較偏遠(yuǎn)的開(kāi)闊地帶，這就對(duì)電站的監(jiān)控提出了新的要求，而GPRS無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)電站遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了可能。

1 風(fēng)光互補(bǔ)電站的工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)電站一般由多個(gè)子站組成，如圖1所示，每個(gè)子站主要由“機(jī)構(gòu)設(shè)備”和“能量控制”兩部分組成。其中，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電機(jī)構(gòu)設(shè)備由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板和連接裝置等構(gòu)成;風(fēng)光互補(bǔ)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(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)載和蓄電池電壓電流變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電運(yùn)行模式的調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)各參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)異常的情況時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)電站遠(yuǎn)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(yuǎn)程PC訪問(wèn)控制端和用戶(hù)手機(jī)客戶(hù)端組成，其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，包括電站所在地風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等環(huán)境量測(cè)試節(jié)點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)發(fā)電電壓電流、太陽(yáng)能電池板的電壓電流、蓄電池的電壓電流監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn);以及風(fēng)力機(jī)控制繼電器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器構(gòu)成Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，同時(shí)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)采用GPRS通訊方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過(guò)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(guò)GPRS模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及用戶(hù)手機(jī)服務(wù)端通信。

3 風(fēng)光互補(bǔ)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，電源模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)供電，提供各部分運(yùn)行所需的電量;傳感器模塊負(fù)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(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理;無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微處理器采用TI公司無(wú)線通信芯片CC2530，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感器以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。無(wú)線射頻模塊選用外接型鞭狀天線增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度。傳感器模塊對(duì)電站周?chē)h(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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中最為特殊的節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立維護(hù)、分配網(wǎng)內(nèi)地址、控制終端節(jié)點(diǎn)加入等工作，硬件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，也是選擇CC2530為控制芯片的無(wú)線射頻單元，通過(guò)Zigbee射頻模塊與其它節(jié)點(diǎn)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(jī)，支持IEEE802.15.4無(wú)線通信協(xié)議，最大擁有256 KB的可編程FLASH容量，12個(gè)10位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道，21個(gè)雙向的I/O端口，該款單片機(jī)能滿(mǎn)足Z?Stack運(yùn)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(kāi)發(fā)。以CC2530芯片為核心構(gòu)成的Zi gBee模塊，通過(guò)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(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。

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(diǎn)，電站監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)它可以與基于IP的骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，如圖4所示，既是網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，也是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯聚點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。一方面，通過(guò)串口通信的方式和協(xié)調(diào)器通信，獲取各節(jié)點(diǎn)采集到的電站參數(shù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)將控制命令發(fā)送到協(xié)調(diào)器，傳到各控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的控制。另一方面，嵌入式網(wǎng)關(guān)可以通過(guò)GPRS通訊模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(dú)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(chǔ)模式，總共有8個(gè)BANK，每個(gè)BANK地址空間為128 MB，尋址空間達(dá)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(duì)功耗和成本比較敏感的應(yīng)用場(chǎng)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(kuò)展的TCP/IP AT命令讓用戶(hù)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(hù)輕松地進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用。GPRS模塊通過(guò)接口外接SIM卡卡座，接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，與遠(yuǎn)程監(jiān)控PC通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的監(jiān)控。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)以及PC端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)四部分。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集風(fēng)光互補(bǔ)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(fù)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(fù)責(zé)構(gòu)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的通信，接受嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的指令并向相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jì)

由于μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有免費(fèi)使用開(kāi)放源代碼!內(nèi)核代碼小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序以μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)軟件的開(kāi)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(jī)客戶(hù)端發(fā)來(lái)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(jìn)行初始化，通過(guò)GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后啟動(dòng)TCP連接，與PC機(jī)通信，接收來(lái)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(guò)程實(shí)際上就是處理字符串的過(guò)程，采用字符串函數(shù)對(duì)收到的指令進(jìn)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(duì)指令進(jìn)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(guò)AT指令發(fā)回給PC監(jiān)控端，如是控制指令則將對(duì)應(yīng)的指令代碼寫(xiě)入到相應(yīng)的文件中，等待網(wǎng)關(guān)的其他程序來(lái)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的控制。

4.2 監(jiān)控端程序設(shè)計(jì)

PC端監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話同時(shí)也實(shí)現(xiàn)與GPRS模塊建立通訊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站運(yùn)行監(jiān)控。用戶(hù)界面部分采用MFC框架基于Dialog實(shí)現(xiàn)，監(jiān)控程序在Visual BasiC6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)，采用Winsock控件接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，無(wú)需了解TCP或底層winsock API函數(shù)，通過(guò)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖8為編號(hào)為FGDZ002風(fēng)光互補(bǔ)電站的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以發(fā)送遠(yuǎn)程命令對(duì)電站進(jìn)行控制，同時(shí)還可以查看歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)電站的特點(diǎn)，提出了基于Zigbee和GPRS通信的風(fēng)光互補(bǔ)電站遠(yuǎn)程監(jiān)控的方案，利用Zigbee構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)的傳送，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從圖8監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以看出，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，有日照，且風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)光互補(bǔ)電站發(fā)電，總發(fā)電功率略高于負(fù)載功率，在向負(fù)載供電的同時(shí)，還對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。由此可見(jiàn)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握電站運(yùn)行狀態(tài)信息，而且還可以直觀顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)或曲線，并可及時(shí)采取相應(yīng)的電站運(yùn)行控制策略。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。