李方梅（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的太陽能板遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

李方梅（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)太陽能板的數(shù)據(jù)采集于監(jiān)測(cè)功能，系統(tǒng)通過ZigBee子節(jié)點(diǎn)采集太陽能板的數(shù)據(jù)并由ZigBee協(xié)調(diào)器統(tǒng)一打包傳送到PC機(jī)，PC機(jī)上的監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)的顯示接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷是否異常，并能通過RS-232串口操作GPRS模塊實(shí)現(xiàn)告警信息的短消息傳送。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的人機(jī)交互界面，易于對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，初步的實(shí)現(xiàn)了太陽能板的連續(xù)監(jiān)測(cè)，在節(jié)能減排、控制環(huán)境污染方面取得了初步成效。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) GPRS 太陽能 監(jiān)控

1 概述

隨著煤炭、石油等不可再生資源的巨大消耗，能源問題已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政治發(fā)展的主要瓶頸問題，另外，為了減緩全球變暖的速度，降低碳的排放量，越來越多的國(guó)家注重新能源的開發(fā)和利用。太陽能作為無污染的清潔新能源的一種，在解決能源危機(jī)方面有著不可忽視的作用和優(yōu)勢(shì)，特別是我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和國(guó)家新能源戰(zhàn)略的實(shí)施，為太陽能發(fā)電在我國(guó)提供了廣闊的發(fā)展前景。太陽能發(fā)電在國(guó)內(nèi)外的油田中也同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。新疆油田、塔里木油田、江蘇油田等都已經(jīng)進(jìn)行了太陽能發(fā)電在油田的推廣應(yīng)用工作，并且在節(jié)能減排、控制環(huán)境污染方面取得了初步的成效[1]。應(yīng)用領(lǐng)域包括油區(qū)偏遠(yuǎn)的天然氣井口儀器儀表、抽油機(jī)、井口保溫、視頻監(jiān)測(cè)、空氣調(diào)溫、照明等油田生產(chǎn)生活等各個(gè)方面。由于這些油區(qū)較為偏遠(yuǎn)，很多應(yīng)用太陽能發(fā)電設(shè)備都是無人值守的，因此對(duì)太陽能板發(fā)電情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是很有必要的[2,3]。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，文中設(shè)計(jì)了一個(gè)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)對(duì)小范圍內(nèi)集中的太陽能板的發(fā)電情況作程的連續(xù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到集中控制中心的主機(jī)，也可以短信息的形式傳輸?shù)街付ǖ囊苿?dòng)電話?？梢苑从诚到y(tǒng)優(yōu)劣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù),探討其實(shí)現(xiàn)的方法和途徑,以便為太陽能發(fā)電系統(tǒng)在油田的大面積推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

太陽能板遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用的框架如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能板的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要使用太陽能板ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊、光照度ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和PC機(jī)構(gòu)成。由ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊采集太陽能板和光照度的監(jiān)控信息，再將其傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)通過USB與PC機(jī)通訊，傳輸監(jiān)控信息，PC機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)連續(xù)的顯示監(jiān)控信息，并在有異常發(fā)生的時(shí)候通過GPRS模塊向指定的手機(jī)發(fā)送警報(bào)短信。如此就實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[4,5]。

圖1 太陽能板遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程采集與監(jiān)控原理

1）使用光照度傳感器來測(cè)量遠(yuǎn)程的光照度數(shù)據(jù)，以此了解現(xiàn)場(chǎng)光照度數(shù)值的變化情況。采用光電晶體管傳感器KPS-3227SP1C來測(cè)量光照度數(shù)值，此器件對(duì)于可見光光譜有相當(dāng)好的靈敏度，集電極光電流與照度的線性度幾乎完全成正比關(guān)系。入射光能量與晶體管產(chǎn)生的集電極電流Ic成正比，而Ic的變化會(huì)影響到集電極負(fù)載Rc的電壓，因此集電極電壓Vce也會(huì)改變，所以只要測(cè)量Rc兩端的電壓或者Vce，就可以大致知道目前照射的光照度量為何值。

2）直接測(cè)量太陽能電池輸出電壓和電流來監(jiān)控太陽能電池的工作情況，并通過計(jì)算得出與光照度值之間的關(guān)系，當(dāng)兩者不一致的時(shí)候自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信息在監(jiān)控軟件上提示，同時(shí)發(fā)送報(bào)警短信到指定的移動(dòng)電話設(shè)備。

3）光照度和太陽能電池板的數(shù)據(jù)采集主要依靠?jī)煞NZigBee節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。ZigBee節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有與ZigBee協(xié)調(diào)器通信的功能，可以將采集到的數(shù)據(jù)以預(yù)設(shè)的方式傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器通過USB接口傳送到PC機(jī)，PC機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，可以顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D信息，ZigBee各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作情況，以及實(shí)時(shí)采集上來的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)還有一系列的系統(tǒng)設(shè)置管理功能。

4）為實(shí)現(xiàn)在無人值守的情況下對(duì)監(jiān)控信息的報(bào)警提示，系統(tǒng)引入了GPRS模塊，與PC機(jī)的串口連接，并在監(jiān)控軟件上增加響應(yīng)的設(shè)置功能、報(bào)警信息產(chǎn)生和短消息發(fā)送功能。圖1所示的ZigBee協(xié)調(diào)器和PC主機(jī)之間也可以再增加一個(gè)GPRS模塊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的分離。實(shí)現(xiàn)更加遠(yuǎn)程的監(jiān)控。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)框架的特點(diǎn)，系統(tǒng)監(jiān)控軟件主要有數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee管理模塊、GPRS管理模塊和監(jiān)控信息顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能軟件功能模塊圖見圖2。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和數(shù)據(jù)包分析，獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包括太陽能板的電壓、電流以及即時(shí)的光照度信息。

2）網(wǎng)絡(luò)管理模塊。負(fù)責(zé)對(duì)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋱D和相關(guān)信息的顯示，包括各節(jié)點(diǎn)的位置、MAC地址、父節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)關(guān)系等。

3）GPRS管理模塊。通過AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊的管理和操作?？梢栽O(shè)置通訊端口號(hào)以及串口通訊配置，自動(dòng)根據(jù)監(jiān)控信息生成報(bào)警短信，并能以短信息的形式發(fā)送到預(yù)設(shè)的移動(dòng)電話上。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊圖

4）信息顯示模塊。實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的光照度和電壓電流數(shù)據(jù)的顯示，還可以查詢歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

5）故障檢測(cè)模塊。可以根據(jù)電壓電流數(shù)據(jù)計(jì)算出響應(yīng)的光照度值并與實(shí)測(cè)的值進(jìn)行比較，如果二者出現(xiàn)較大的偏差則會(huì)生成報(bào)警信息。同時(shí)該模塊也會(huì)對(duì)歷史報(bào)警信息進(jìn)行管理。

3.3 軟件工作流程

在此只詳細(xì)的說明從監(jiān)控信號(hào)采集到PC機(jī)以及進(jìn)行處理和產(chǎn)生報(bào)警信息的工作流程。如圖3所示，首先各個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)采集太陽能板電壓電流和光照度數(shù)據(jù)，之后發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包通過USB接口傳送到PC機(jī)，PC機(jī)監(jiān)控軟件解包并分析數(shù)據(jù)，判斷是否有異常，如果有異常，那么就會(huì)啟動(dòng)故障檢測(cè)模塊顯示告警信息并存儲(chǔ)告警信息，同時(shí)啟動(dòng)GPRS管理模塊向指定的移動(dòng)電話發(fā)送短信息告警。否則調(diào)用信息顯示模塊，正常顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)。無論是調(diào)用故障檢測(cè)模塊還是調(diào)用信息顯示模塊返回后都會(huì)開始新的數(shù)據(jù)采集過程[6]。

圖3 監(jiān)控軟件工作流程圖

4 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 GPRS短信息告警的實(shí)現(xiàn)

對(duì)GPRS串行模塊進(jìn)行編程需要利用串行端口向其下達(dá)控制命令，因此程序中要建立起一個(gè)串行端口對(duì)象[7,8]。而傳送GPRS命令，后面需要加入具有數(shù)據(jù)結(jié)束符或歸位符，在ASCII碼表中其十進(jìn)制為13，在VisualBasic程序中需將其轉(zhuǎn)換成ASCII碼，因此程序中開頭應(yīng)建立這個(gè)轉(zhuǎn)換聲明：

短信息發(fā)送程序需要經(jīng)過如下流程：

1）輸入”AT+CMGF=0”（設(shè)定為PDU模式）；

2）輸入”AT+CMGS=X”（X=總字符串長(zhǎng)度）；

3）讀取輸入符號(hào)”>”；

4）送出PDU信息程序；

5）讀取返回信息”+CMGS”表示正確發(fā)送成功

圖4為系統(tǒng)的監(jiān)控軟件界面，共有6個(gè)面板按照軟件功能模塊分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，圖中有6個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)，1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)太陽能板的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)功能。采用Visual Basic通過USB端口接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過RS-232串口操作GPRS模塊實(shí)現(xiàn)告警信息的短消息傳送，該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，易于對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，初步的實(shí)現(xiàn)了太陽能板的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為太陽能發(fā)電應(yīng)用于油田地面工程的監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了可借鑒的參考設(shè)計(jì)。

[1]范玉平.太陽能節(jié)能技術(shù)在油田的應(yīng)用[J],石油天然氣學(xué)報(bào),2005,27(3):568-569.

[2]阮林華,張建江,吳永忠.太陽能照明在油田的應(yīng)用[J].節(jié)能與環(huán)保,2009(6):50.

[3]紀(jì)海玲.太陽能利用現(xiàn)狀及其在油田開發(fā)中的應(yīng)用前景[J].特種油氣藏,2002,9(5):97-98.

[4]張光南,佘乾順.便攜式溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外,2008,38(12):1229-1232.

[5]徐敬東,趙文耀,李淼,等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,36(10):110-112.

[6]王榮存,唐翔,藺超文.基于多線程的太陽能熱力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù),2009,28(8):79-81.

[7]李江全,張麗,岑紅蕾.VisualBasic串口通信與測(cè)控[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[8]孫成,賈秋玲,閆建國(guó),等.基于VC的無人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2010,18(3): 709-710.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.07.023

2012-05-28）

李方梅，1991年畢業(yè)于承德石油高等技術(shù)?？茖W(xué)校，工程師，主要從事暖通方面的設(shè)計(jì)工作，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163853。