基于ZigBee技術(shù)的太陽能風(fēng)力機(jī)監(jiān)測解決方案

一、目的:
近年來，包括歐洲各國以及日本，都已經(jīng)陸續(xù)推出許多太陽能建筑，透過太陽能板等裝置，在海邊興建風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將免費(fèi)取得的太陽能及風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電力，而用剩的電，還能轉(zhuǎn)賣給電力公司，因此，如何監(jiān)測用戶端的再生能源發(fā)電量，及紀(jì)錄儲(chǔ)存這些資料，并透過網(wǎng)際網(wǎng)路將資料傳至電力公司，便成為相當(dāng)重要的關(guān)鍵， 以了解實(shí)際的發(fā)電量及效益評(píng)估，甚至作為維護(hù)依據(jù)的參考，以下為各位做深入的介紹。
二、系統(tǒng)介紹:
因應(yīng)全球暖化，除了限制溫室氣體排放量，全世界必須轉(zhuǎn)向不同的能源模式，這可以藉由全世界的能源系統(tǒng)都「去碳化」來做到。 「去碳化」意謂著大輻改用太陽光電、太陽熱能、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、水力發(fā)電、 生質(zhì)能利用等再生能源， 而這些能源當(dāng)中目前以太陽光電及風(fēng)力發(fā)電最為常見(太陽光電發(fā)電 (Photovolt aic，以下簡稱PV)。 大部份的太陽光電發(fā)電系統(tǒng)（PV system）及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要是由太陽電池組列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電力調(diào)節(jié)器（Power Conditioner， 即包括直/交流轉(zhuǎn)換器 （Inverter）、系統(tǒng)控制器及并聯(lián)保護(hù)裝置等）、配線箱、 蓄電池等所構(gòu)成，系統(tǒng)中通常需要量測當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境參數(shù)(如:溫度、照度、風(fēng)速、風(fēng)向… 等)及太陽能或風(fēng)能所發(fā)的電量(包含:電壓、電流、功率及發(fā)電量)， 這些資訊通常是由一資料擷取裝置將資料收集后， 透過RS485工業(yè)通訊協(xié)定將資料傳回中控電腦或是人機(jī)介面，而中控電腦通常會(huì)包含資料紀(jì)錄及可透過乙太網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)方式讓遠(yuǎn)端電腦監(jiān)看。
隨著環(huán)保意識(shí)及電價(jià)的高漲，太陽能及風(fēng)力發(fā)電的日漸需求，開始有一些中小型的再生能源系統(tǒng)走入一般家庭大眾及企業(yè)，結(jié)合市電并聯(lián)發(fā)電。然而，這樣的系統(tǒng)通常是在建筑物本體完成后才附加上去， 在布線上通常會(huì)有美觀及施工上的困難，因此， 若能透過ZigBee無線的方式將發(fā)電量及環(huán)境參數(shù)的資訊傳送至小型顯示器，顯示，則會(huì)帶來相當(dāng)大的便利。 對(duì)大型的發(fā)電系統(tǒng)來說，透過ZigBee無線方式可同時(shí)監(jiān)測多個(gè)小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 再將資料匯整到中控電腦，中控電腦再將資料以乙太網(wǎng)路的方式傳送至遠(yuǎn)方， 以利統(tǒng)計(jì)及觀察不同地區(qū)不同系統(tǒng)的發(fā)電情形，使用該無線技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):
1. 美觀、不需另外布訊號(hào)線
2. 降低施工成本及維護(hù)成本
3. 距離不受限制
4. 大型分散式系統(tǒng)多點(diǎn)應(yīng)用
5. 可輕易將無線模組嵌入到Invertor或產(chǎn)品中(如: 太陽能路燈)
應(yīng)用領(lǐng)域：本系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、成本低、易于彈性擴(kuò)展等特點(diǎn)， 具有很強(qiáng)的競爭力。 主要應(yīng)用于小型家用太陽能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、大型發(fā)電站示范基地等。

三、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹：
在工廠、建筑物、農(nóng)場溫室中需要量測多個(gè)訊號(hào)點(diǎn)，擷取速度不需很快，但訊號(hào)點(diǎn)分布相當(dāng)分散且布線相當(dāng)復(fù)雜，距離大約都在數(shù)十公尺左右， 目前市面上很難找到合適的硬體裝置，深圳旭昂電子科技有限公司日前推出ZigBee無線傳感器模組主要以 ZigBee無線方式的資料擷取器，以下是產(chǎn)品使用方式及相關(guān)資訊介紹提供給各位參考。
1.ZigBee 簡介：
IEEE802.15.4/ZigBee是目前一種相當(dāng)先進(jìn)的短距離傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從家用無線通訊規(guī)格HomeRF聯(lián)盟中所分出來，ZigBee聯(lián)盟成立于2002年， 在不同區(qū)域有不同的定義的頻段(全球2.4GHz、美國915MHz、 歐洲868MH)，2.4GHz ~ 2.4835GHz 最為全球通用之頻段。 ZigBee聯(lián)盟成立于2002年， 目前全球已有不少廠商加入成為ZigBee 聯(lián)盟會(huì)員，其成員包括IC設(shè)計(jì)、家電、通訊設(shè)備及玩具等廠商。 就像ZigBee的標(biāo)志(Logo)所呈現(xiàn)， ZigBee聯(lián)盟以監(jiān)測與控制為主要應(yīng)用，而定義出簡單、成本低，又容易實(shí)現(xiàn)的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。
2.ZigBee主要特性:
(1)高資料傳輸可靠度
(2)低功耗
(3)低成本
(4)支持多樣性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
(5)低功率長距離
(6)可加密提高資料安全性

3.ZigBee與其他通訊協(xié)定比較:
Zigbee 是一種短距離的通訊技術(shù)， 理想中的傳輸距離是 300公尺，實(shí)際距離約150~200公尺， 資料傳輸速率從20Kbps 到250Kbps，而且會(huì)隨著距離的增長而不同， 有人說它和藍(lán)芽有重疊,不過從下面的表看起來還是有點(diǎn)差別, 因?yàn)樗{(lán)芽的傳輸速率是1Mbps,適合比較復(fù)雜的應(yīng)用， 而ZigBee的應(yīng)用定位主要是在一般的資料擷取，例如環(huán)境監(jiān)測、家電自動(dòng)化控制、個(gè)人醫(yī)療、工業(yè)廠房監(jiān)控、商務(wù) 大樓自動(dòng)化、保全監(jiān)控...等。
4. ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)況
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)主要是 IEEE 802.15.4與ZigBee Alliance 這二個(gè)組織，分別制定硬體與軟體標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)體層(PHY)、媒體儲(chǔ)存控制層(MAC)、 資料鏈結(jié)層(Data Link)等發(fā)展由IEEE 主導(dǎo)， 而ZigBee Alliance 負(fù)責(zé)制定邏輯網(wǎng)路、資料傳輸加密機(jī)制、 應(yīng)用介面規(guī)范及各系統(tǒng)產(chǎn)品之間互通規(guī)范。

5. ZigBee 基本規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)況

ZigBee主要可使用的頻段有三個(gè)， 分別是 2.4GHz 的ISM 頻段、915MHz 頻段以及868MHz 頻段， 而不同頻段可使用的通道分別是16、10、1個(gè)。 ZigBee 的傳輸速率介于20kbps - 250kbps 之間， 依使用頻段不同而有所差異，并隨著傳輸距離的延長而減慢，不過借著提高發(fā)射功率， 還是可以提高傳輸速率。
6. ZigBee 網(wǎng)路架構(gòu)
ZigBee網(wǎng)路層方面，ZigBee支援 Star、 Cluster Tree與Mesh三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之角色方面，可分為全功能（Full-Function Device； FFD）與精簡功能設(shè)（Reduced-Function Device；RFD）。相較于 FFD，RFD之電路較為簡單且記憶體較小。 FFD 之節(jié)點(diǎn)具備控制器（Controller）之功能提供資料交換， 而RFD則是只能傳送資料給予 FFD或是從 FFD接受資料。 所課Full Mesh架構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)路設(shè)計(jì)上采取一個(gè)Master節(jié)點(diǎn)， 其他的Client 均是使用RN+的網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)， Mesh 網(wǎng)路提供多條備份的通信路徑， 如果一條路徑因某種原因產(chǎn)生故障(包括干擾)，網(wǎng)路自動(dòng)通過備用路徑傳送訊息。 這種 Mesh 拓?fù)湓黾恿苏麄€(gè)網(wǎng)路的可靠度，同時(shí)由于Mesh配置相當(dāng)容易， 因?yàn)橐黾有碌难b置或重新配置現(xiàn)有的設(shè)備是非常簡單。

四、以ZigBee做為太陽能及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸
基于前面對(duì)于太陽能及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹，及 ZigBee的介紹， 透過 ZigBee 產(chǎn)品開發(fā)無線再生能源監(jiān)控系統(tǒng)可輕易的在一般家庭及企業(yè)中安裝，在大型發(fā)電站可以一臺(tái)現(xiàn)場控制電腦同時(shí)監(jiān)控多個(gè)量測及控制單元(如:太陽能、風(fēng)力機(jī)、燃 料電池…等)，再將這些系統(tǒng)資訊以乙太網(wǎng)路的方式傳送至遠(yuǎn)端中控中心， 充份運(yùn)用ZigBee可多點(diǎn)量測的優(yōu)勢，在距離上因?yàn)椴捎肕esh 架構(gòu)， 資料可透過其它傳輸點(diǎn)傳回現(xiàn)場電腦，因此較不受距離上的限制，且具有下列幾個(gè)特點(diǎn):

1.采用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)路結(jié)構(gòu)， 保證資料傳輸可靠性
2.每個(gè)量測及控制單元設(shè)置一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)
3.一個(gè)溫室設(shè)置一個(gè)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)(安置在現(xiàn)場電腦或嵌入式系統(tǒng))
4.ZigBee中心節(jié)點(diǎn)可透過TCP/ IP或GPRS/CDMA傳送到遠(yuǎn)端監(jiān)測中心。