基于GPRS和ZigBee的風(fēng)光互補電站遠程監控系統設計

近年來(lái)，隨著(zhù)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(huì )開(kāi)始強烈關(guān)注能源危機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，將兩者結合起來(lái)構成風(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(jìn)行能量存儲和負載的均衡，則能夠使二者的弱點(diǎn)得以均衡，得到電源輸出穩定、性?xún)r(jià)比高、應用靈活能源。但由于風(fēng)能、太陽(yáng)能存在能量密度低且隨機性強的特點(diǎn)，所以為了獲得更多的電能，風(fēng)光互補發(fā)電站一般都架設在比較偏遠的開(kāi)闊地帶，這就對電站的監控提出了新的要求，而GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現電站遠程監控提供了可能。

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(gè)子站組成，如圖1所示，每個(gè)子站主要由“機構設備”和“能量控制”兩部分組成。其中，風(fēng)光互補發(fā)電機構設備由風(fēng)力發(fā)電機、太陽(yáng)能電池板和連接裝置等構成;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，需要根據光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電系統實(shí)際運行狀態(tài)及負載和蓄電池電壓電流變化情況，實(shí)現對風(fēng)光互補發(fā)電運行模式的調節，實(shí)時(shí)檢測系統各參數，當出現異常的情況時(shí)能及時(shí)發(fā)出報警信號。

2 監控系統系統工作原理

風(fēng)光互補電站遠程監控系統如圖2所示，由ZigBee網(wǎng)絡(luò )、嵌入式網(wǎng)關(guān)、遠程PC訪(fǎng)問(wèn)控制端和用戶(hù)手機客戶(hù)端組成，其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò )由多個(gè)節點(diǎn)組成，包括電站所在地風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等環(huán)境量測試節點(diǎn)，風(fēng)力機發(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測節點(diǎn);以及風(fēng)力機控制繼電器節點(diǎn)，這些節點(diǎn)與協(xié)調器構成Zig Bee網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，同時(shí)與遠程計算機采用GPRS通訊方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器通過(guò)串口將數據上傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS模塊和監控計算機以及用戶(hù)手機服務(wù)端通信。

3 風(fēng)光互補監控系統硬件設計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是監控系統的關(guān)鍵節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用模塊化設計，主要由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊組成，其具體結構如圖3所示，電源模塊負責為節點(diǎn)供電，提供各部分運行所需的電量;傳感器模塊負責采集電站闡述信息并做一定的數據轉換;處理器模塊負責對整個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行控制和管理;無(wú)線(xiàn)通信模塊負責節點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信。

網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的微處理器采用TI公司無(wú)線(xiàn)通信芯片CC2530，負責驅動(dòng)傳感器以及數據的接收和發(fā)送。無(wú)線(xiàn)射頻模塊選用外接型鞭狀天線(xiàn)增強信號的強度。傳感器模塊對電站周?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)數據的采集，電源模塊將為系統提供系統所需電壓。協(xié)調器作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中最為特殊的節點(diǎn)，主要負責ZigBee網(wǎng)絡(luò )的建立維護、分配網(wǎng)內地址、控制終端節點(diǎn)加入等工作，硬件設計和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)類(lèi)似，也是選擇CC2530為控制芯片的無(wú)線(xiàn)射頻單元，通過(guò)Zigbee射頻模塊與其它節點(diǎn)構建成Zig bee網(wǎng)絡(luò )。

TI公司的CC2530芯片是一款完全兼容8051內核的單片機，支持IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)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轉換通道，21個(gè)雙向的I/O端口，該款單片機能滿(mǎn)足Z?Stack運行內存容量的要求。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控系統系統的開(kāi)發(fā)。以CC2530芯片為核心構成的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)調器節點(diǎn)、終端節點(diǎn)。

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)是監控系統另一關(guān)鍵節點(diǎn)，電站監控系統通過(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 )連接設備，也是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的匯聚點(diǎn)，能夠實(shí)現數據的轉發(fā)。一方面，通過(guò)串口通信的方式和協(xié)調器通信，獲取各節點(diǎn)采集到的電站參數并存儲到數據庫中，同時(shí)將控制命令發(fā)送到協(xié)調器，傳到各控制節點(diǎn)，實(shí)現對風(fēng)機的控制。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)現與遠程監控計算機通信。

網(wǎng)關(guān)核心處理器選擇三星公司的S3C2440A芯片，是一款基于A(yíng)RM920T內核的高性能的16/32位RISC處理器，擁有獨立的16 kB指令緩存和16 kB數據緩存。S3C2440A處理器支持大/小端存儲模式，總共有8個(gè)BANK，每個(gè)BANK地址空間為128 MB，尋址空間達1 GB，并且支持NOR FLASH或NANDFLASH等引導方式，其性能穩定、功耗低、高速的數據處理能力使其非常適用于對功耗和成本比較敏感的應用場(chǎng)合。

GPRS模塊采用了SIMCOM公司的SIM900A，該模塊體積小巧，性能突出，內嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶(hù)能夠容易的使用TCP/IP協(xié)議，而且在數據傳輸方面應用廣泛，主串口和調試串口可以幫助用戶(hù)輕松地進(jìn)行開(kāi)發(fā)應用。GPRS模塊通過(guò)接口外接SIM卡卡座，接入GPRS網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸，與遠程監控PC通信，實(shí)現對電站的監控。

4 監控系統的軟件設計

監控系統軟件設計主要包括網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)程序設計、協(xié)調器程序設計、網(wǎng)關(guān)程序設計以及PC端監控軟件設計四部分。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)負責采集風(fēng)光互補電站的相關(guān)技術(shù)參數信息并將數據轉送給協(xié)調器，主要負責與協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )、接收控制指令、發(fā)送數據參數，程序流程圖如圖5所示。協(xié)調器程序負責構建Zigbee網(wǎng)絡(luò )同時(shí)實(shí)現與網(wǎng)關(guān)的通信，接受嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的指令并向相應的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信，程序流程圖如圖6所示。

4.1 網(wǎng)關(guān)控制程序設計

由于μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統具有免費使用開(kāi)放源代碼!內核代碼小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此網(wǎng)關(guān)應用程序以μC/OS-Ⅱ操作系統為平臺進(jìn)行相應軟件的開(kāi)發(fā)。網(wǎng)關(guān)控制程序主要完成初始化系統及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監控端或手機客戶(hù)端發(fā)來(lái)的信息，并分析信息內容。根據指令解析結果，將控制指令發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。

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機通信，接收來(lái)自PC監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，采用字符串函數對收到的指令進(jìn)行比較，看看內容是不是符合某種格式，從而確定指令內容。在分析指令之后，對指令進(jìn)行相關(guān)操作。

如是查看電站狀態(tài)參數指令，則調用子程序采集狀態(tài)參數信息，并通過(guò)AT指令發(fā)回給PC監控端，如是控制指令則將對應的指令代碼寫(xiě)入到相應的文件中，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)調器，ZigBee協(xié)調器再把指令發(fā)給控制節點(diǎn)實(shí)現對電站的控制。

4.2 監控端程序設計

PC端監控軟件實(shí)現人機對話(huà)同時(shí)也實(shí)現與GPRS模塊建立通訊聯(lián)系，實(shí)現對電站運行監控。用戶(hù)界面部分采用MFC框架基于Dialog實(shí)現，監控程序在Visual BasiC6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)，采用Winsock控件接收遠程數據，無(wú)需了解TCP或底層winsock API函數，通過(guò)設置Winsock控件的屬性和調用該控件的方法，就可以連接到遠程計算機并進(jìn)行雙向數據交換，并將數據存放在數據庫中。圖8為編號為FGDZ002風(fēng)光互補電站的實(shí)時(shí)監控界面，監控軟件可以根據電站編碼查看各電站的實(shí)時(shí)數據，同時(shí)還可以發(fā)送遠程命令對電站進(jìn)行控制，同時(shí)還可以查看歷史數據。

5 結論

根據風(fēng)光互補電站的特點(diǎn)，提出了基于Zigbee和GPRS通信的風(fēng)光互補電站遠程監控的方案，利用Zigbee構建現場(chǎng)監控網(wǎng)絡(luò )，采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現基于GPRS網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)數據的傳送，實(shí)現對電站的遠程監控，在實(shí)驗進(jìn)行模擬實(shí)驗，從圖8監控數據可以看出，當前實(shí)驗狀態(tài)下，有日照，且風(fēng)速達到風(fēng)力發(fā)電機的啟動(dòng)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(shí)，還對蓄電池進(jìn)行充電。由此可見(jiàn)，該監控系統能夠實(shí)時(shí)掌握電站運行狀態(tài)信息，而且還可以直觀(guān)顯示運行數據或曲線(xiàn)，并可及時(shí)采取相應的電站運行控制策略。實(shí)踐證明，該系統運行穩定，具有較強的推廣應用價(jià)值。