基于ZigBee技術(shù)的太陽(yáng)能風(fēng)力機監測解決方案

一、目的:
近年來(lái)，包括歐洲各國以及日本，都已經(jīng)陸續推出許多太陽(yáng)能建筑，透過(guò)太陽(yáng)能板等裝置，在海邊興建風(fēng)力發(fā)電機，將免費取得的太陽(yáng)能及風(fēng)能轉換為電力，而用剩的電，還能轉賣(mài)給電力公司，因此，如何監測用戶(hù)端的再生能源發(fā)電量，及紀錄儲存這些資料，并透過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)路將資料傳至電力公司，便成為相當重要的關(guān)鍵， 以了解實(shí)際的發(fā)電量及效益評估，甚至作為維護依據的參考，以下為各位做深入的介紹。
二、系統介紹:
因應全球暖化，除了限制溫室氣體排放量，全世界必須轉向不同的能源模式，這可以藉由全世界的能源系統都「去碳化」來(lái)做到。 「去碳化」意謂著(zhù)大輻改用太陽(yáng)光電、太陽(yáng)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， 而這些能源當中目前以太陽(yáng)光電及風(fēng)力發(fā)電最為常見(jiàn)(太陽(yáng)光電發(fā)電 (Photovolt aic，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PV)。 大部份的太陽(yáng)光電發(fā)電系統（PV system）及風(fēng)力發(fā)電系統主要是由太陽(yáng)電池組列、風(fēng)力發(fā)電機、電力調節器（Power Conditioner， 即包括直/交流轉換器 （Inverter）、系統控制器及并聯(lián)保護裝置等）、配線(xiàn)箱、 蓄電池等所構成，系統中通常需要量測當地的環(huán)境參數(如:溫度、照度、風(fēng)速、風(fēng)向… 等)及太陽(yáng)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(guò)RS485工業(yè)通訊協(xié)定將資料傳回中控電腦或是人機介面，而中控電腦通常會(huì )包含資料紀錄及可透過(guò)乙太網(wǎng)絡(luò )以網(wǎng)絡(luò )方式讓遠端電腦監看。
隨著(zhù)環(huán)保意識及電價(jià)的高漲，太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電的日漸需求，開(kāi)始有一些中小型的再生能源系統走入一般家庭大眾及企業(yè)，結合市電并聯(lián)發(fā)電。然而，這樣的系統通常是在建筑物本體完成后才附加上去， 在布線(xiàn)上通常會(huì )有美觀(guān)及施工上的困難，因此， 若能透過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)的方式將發(fā)電量及環(huán)境參數的資訊傳送至小型顯示器，顯示，則會(huì )帶來(lái)相當大的便利。 對大型的發(fā)電系統來(lái)說(shuō)，透過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)方式可同時(shí)監測多個(gè)小系統的數據， 再將資料匯整到中控電腦，中控電腦再將資料以乙太網(wǎng)路的方式傳送至遠方， 以利統計及觀(guān)察不同地區不同系統的發(fā)電情形，使用該無(wú)線(xiàn)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):
1. 美觀(guān)、不需另外布訊號線(xiàn)
2. 降低施工成本及維護成本
3. 距離不受限制
4. 大型分散式系統多點(diǎn)應用
5. 可輕易將無(wú)線(xiàn)模組嵌入到Invertor或產(chǎn)品中(如: 太陽(yáng)能路燈)
應用領(lǐng)域：本系統具有穩定、可靠、成本低、易于彈性擴展等特點(diǎn)， 具有很強的競爭力。 主要應用于小型家用太陽(yáng)能系統、風(fēng)力發(fā)電系統、大型發(fā)電站示范基地等。

三、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )介紹：
在工廠(chǎng)、建筑物、農場(chǎng)溫室中需要量測多個(gè)訊號點(diǎn)，擷取速度不需很快，但訊號點(diǎn)分布相當分散且布線(xiàn)相當復雜，距離大約都在數十公尺左右， 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(wú)線(xiàn)傳感器模組主要以 ZigBee無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)介：
IEEE802.15.4/ZigBee是目前一種相當先進(jìn)的短距離傳輸技術(shù)標準，從家用無(wú)線(xiàn)通訊規格HomeRF聯(lián)盟中所分出來(lái)，ZigBee聯(lián)盟成立于2002年， 在不同區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(chǎng)商加入成為ZigBee 聯(lián)盟會(huì )員，其成員包括IC設計、家電、通訊設備及玩具等廠(chǎng)商。 就像ZigBee的標志(Logo)所呈現， ZigBee聯(lián)盟以監測與控制為主要應用，而定義出簡(jiǎn)單、成本低，又容易實(shí)現的無(wú)線(xiàn)通訊標準。
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
(5)低功率長(cháng)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(zhù)距離的增長(cháng)而不同， 有人說(shuō)它和藍芽有重疊,不過(guò)從下面的表看起來(lái)還是有點(diǎn)差別, 因為藍芽的傳輸速率是1Mbps,適合比較復雜的應用， 而ZigBee的應用定位主要是在一般的資料擷取，例如環(huán)境監測、家電自動(dòng)化控制、個(gè)人醫療、工業(yè)廠(chǎng)房監控、商務(wù) 大樓自動(dòng)化、保全監控...等。
4. ZigBee 標準現況
ZigBee標準主要是 IEEE 802.15.4與ZigBee Alliance 這二個(gè)組織，分別制定硬體與軟體標準。在實(shí)體層(PHY)、媒體儲存控制層(MAC)、 資料鏈結層(Data Link)等發(fā)展由IEEE 主導， 而ZigBee Alliance 負責制定邏輯網(wǎng)路、資料傳輸加密機制、 應用介面規范及各系統產(chǎn)品之間互通規范。

5. ZigBee 基本規格標準現況

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(zhù)傳輸距離的延長(cháng)而減慢，不過(guò)借著(zhù)提高發(fā)射功率， 還是可以提高傳輸速率。
6. ZigBee 網(wǎng)路架構
ZigBee網(wǎng)路層方面，ZigBee支援 Star、 Cluster Tree與Mesh三種網(wǎng)絡(luò )架構，在各個(gè)節點(diǎn)之角色方面，可分為全功能（Full-Function Device； FFD）與精簡(jiǎn)功能設（Reduced-Function Device；RFD）。相較于 FFD，RFD之電路較為簡(jiǎn)單且記憶體較小。 FFD 之節點(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，整個(gè)網(wǎng)路設計上采取一個(gè)Master節點(diǎn)， 其他的Client 均是使用RN+的網(wǎng)路節點(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(guò)備用路徑傳送訊息。 這種 Mesh 拓撲增加了整個(gè)網(wǎng)路的可靠度，同時(shí)由于Mesh配置相當容易， 因為要增加新的裝置或重新配置現有的設備是非常簡(jiǎn)單。

四、以ZigBee做為太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電系統無(wú)線(xiàn)數據傳輸
基于前面對于太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電系統介紹，及 ZigBee的介紹， 透過(guò) ZigBee 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)再生能源監控系統可輕易的在一般家庭及企業(yè)中安裝，在大型發(fā)電站可以一臺現場(chǎng)控制電腦同時(shí)監控多個(gè)量測及控制單元(如:太陽(yáng)能、風(fēng)力機、燃 料電池…等)，再將這些系統資訊以乙太網(wǎng)路的方式傳送至遠端中控中心， 充份運用ZigBee可多點(diǎn)量測的優(yōu)勢，在距離上因為采用Mesh 架構， 資料可透過(guò)其它傳輸點(diǎn)傳回現場(chǎng)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)路結構， 保證資料傳輸可靠性
2.每個(gè)量測及控制單元設置一個(gè)ZigBee終端節點(diǎn)
3.一個(gè)溫室設置一個(gè)ZigBee中心節點(diǎn)(安置在現場(chǎng)電腦或嵌入式系統)
4.ZigBee中心節點(diǎn)可透過(guò)TCP/ IP或GPRS/CDMA傳送到遠端監測中心。