馬 龍，汪 煒

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國有著豐富的太陽能資源。據(jù)估算，全國各地太陽年輻射總量達(dá) 3350MJ/m2～ 8370MJ/m2［1］。另一方面，作為一個光伏產(chǎn)業(yè)大國，我國對光伏的應(yīng)用卻不多，與德國相比，我國國土面積為德國的30倍，但光伏組件裝機(jī)量卻僅為德國的1/4。近年來，美歐相繼對中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)起“雙反”，因此，國內(nèi)發(fā)布相關(guān)扶持政策引導(dǎo)光伏產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)應(yīng)用，對分布式光伏發(fā)電項目按電量給予補(bǔ)貼［2］?？梢灶A(yù)見，諸如光伏屋頂一類的分布式光伏電站將會在家庭和企業(yè)中進(jìn)一步普及，但這些小型電站存在管理、監(jiān)控、維護(hù)等諸多問題亟待解決。與大型的光伏電站系統(tǒng)不同，分布式光伏電站分布較散，安裝、監(jiān)控費(fèi)用受限［3-5］，因此，需要有一種專門針對小型光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)，且該監(jiān)控系統(tǒng)還必須滿足操作簡單、成本低、穩(wěn)定等要求。

隨著Android手機(jī)快速發(fā)展，其通訊模塊成熟穩(wěn)定，運(yùn)算能力日益提高，與專業(yè)監(jiān)控設(shè)備相比價格實惠、附加功能多，還擁有較大的挖掘潛能。因此，本文設(shè)計一種基于Android智能手機(jī)的分布式光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用Android手機(jī)作為光伏組件數(shù)據(jù)采集、上傳終端。同時該監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡化布線，方便無線監(jiān)控。該監(jiān)控系統(tǒng)用于家庭、小型企業(yè)用光伏電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，不僅能滿足電站監(jiān)控、維護(hù)智能化的要求，而且能減少監(jiān)控系統(tǒng)安裝、維護(hù)的開支。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)單元、智能管理單元、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元采集光伏組件各項數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)板上傳數(shù)據(jù)，同時接收智能管理單元對光伏組件的控制指令。

智能管理單元主要完成3個功能:

(1)通過Android智能手機(jī)，獲取電站周邊環(huán)境信息和電站管理人員命令。

(2)處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元上傳的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果、電站外部環(huán)境和電站管理人員指令發(fā)送組件工作參數(shù)控制信號，發(fā)現(xiàn)組件工作異常情況進(jìn)行通知并記錄。

(3)保存光伏組件數(shù)據(jù)，通過GPRS或者WiFi上傳數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元接收智能管理單元上傳的電站數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

圖1 基于Android智能手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元中的傳感器節(jié)點(diǎn)使用CC2430芯片作為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理中心。CC2430是TI公司推出的實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。其在工業(yè)控制和檢測、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面應(yīng)用尤其廣泛。TinyOS操作系統(tǒng)是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的開源操作系統(tǒng)，專門為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，該操作系統(tǒng)基于組件的架構(gòu)使得程序能快速更新，同時又減小了受傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲器限制的代碼長度。

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，無線傳感網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)與Android手機(jī)交互，其中數(shù)據(jù)的交互包括采集數(shù)據(jù)的匯集與手機(jī)指令的無線傳輸。具體傳輸過程需要無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)板共同實現(xiàn)。

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯集和指令傳輸

如圖2所示，光伏組件數(shù)據(jù)傳遞過程:智能接線盒采集光伏組件數(shù)據(jù)，通過無線節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)板發(fā)送，網(wǎng)關(guān)板收集和處理各個無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。最后，網(wǎng)關(guān)板將各個節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送至Android智能手機(jī)。

控制信號傳遞過程:Android智能手機(jī)向智能接線盒發(fā)送命令是通過網(wǎng)關(guān)板和無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼的，首先Android智能手機(jī)通過藍(lán)牙向網(wǎng)關(guān)板發(fā)送控制命令，網(wǎng)關(guān)板將指令發(fā)送給各個無線節(jié)點(diǎn)，無線節(jié)點(diǎn)接收到指令之后，再與智能接線盒中的單片機(jī)通訊使智能接線盒完成指令對應(yīng)的動作。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及指令傳輸示意圖

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

無線節(jié)點(diǎn)內(nèi)置于智能接線盒中，用于采集光伏組件數(shù)據(jù)以及向智能接線盒發(fā)送指令。智能接線盒連接光伏組件和逆變器，用于組件最大功率點(diǎn)追蹤。智能接線盒中采集光伏組件的輸入電流、電壓，輸出電流、電壓，組件溫度，將采集到的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理送入傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)CC2430芯片，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器得到各項數(shù)據(jù)的數(shù)字信號，通過CC2430內(nèi)的ZigBee無線單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)板。智能接線盒通過UART與CC2430通訊，接收組件工作參數(shù)控制信號，其軟件流程如圖3所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)開機(jī)初始化后自動加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過中斷事件喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和接收、處理無線指令，當(dāng)事件處理完成后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能源。

2.3 網(wǎng)關(guān)板軟件流程設(shè)計

網(wǎng)關(guān)板是無線傳感網(wǎng)絡(luò)與Android智能手機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的接口。網(wǎng)關(guān)板通過藍(lán)牙串口模塊和Android智能手機(jī)中藍(lán)牙功能進(jìn)行短距離無線通訊。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件中斷處理軟件流程圖

網(wǎng)關(guān)板接受Android智能手機(jī)發(fā)送過來的指令，并通過無線傳感網(wǎng)將命令發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)，同時網(wǎng)關(guān)板需要處理無線節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，處理流程如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)關(guān)板收到無線節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)時，首先重置判斷節(jié)點(diǎn)活動的計時器，然后判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常(比如電流電壓突然變小)，當(dāng)出現(xiàn)異常時網(wǎng)關(guān)板便將該異常數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)。若沒有異常信息，網(wǎng)關(guān)板則判斷節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否有變化，若變化超出規(guī)定的幅值，網(wǎng)關(guān)板則將該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到Android智能手機(jī)，否則放棄上傳此次數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)的丟失用計時器超時判斷，若網(wǎng)關(guān)板在計時器啟動到超時這段時間內(nèi)沒有某節(jié)點(diǎn)的信號，網(wǎng)關(guān)板則判斷該節(jié)點(diǎn)連接丟失，并發(fā)送表示節(jié)點(diǎn)超時異常的信息至Android智能手機(jī)。

3 智能管理單元

智能管理單元主要由Android手機(jī)實現(xiàn)，通過手機(jī)應(yīng)用編程實現(xiàn)智能管理單元的功能。

Android手機(jī)作為分布式光伏電站的一個處理終端，具有處理和上傳光伏電站數(shù)據(jù)、控制光伏組件的功能。為實現(xiàn)處理終端的功能(如圖5所示)，Android手機(jī)中編寫的應(yīng)用程序分成了5個模塊:數(shù)據(jù)傳輸模塊、智能管理模塊、命令解析模塊、短信控制模塊以及防盜模塊。

圖5 Android應(yīng)用程序模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)傳輸模塊:數(shù)據(jù)傳輸模塊是Android程序與無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊的模塊，它將無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送的各項數(shù)據(jù)解析，并將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給智能管理模塊，同時將組件控制命令傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)板。

(2)智能管理模塊:智能管理模塊處理組件數(shù)據(jù)信息以及組件異常處理。智能管理模塊將組件的各項數(shù)據(jù)整理存入手機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云虛擬主機(jī)。當(dāng)智能管理模塊發(fā)現(xiàn)組件數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，主動向管理人員發(fā)送短信，通知管理人員處理，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常嚴(yán)重時(比如組件溫度異常、電流過大等)，智能管理模塊主動發(fā)送指令，關(guān)閉異常組件，防止組件損壞擴(kuò)大。智能管理模塊通過網(wǎng)絡(luò)、GPS數(shù)據(jù)獲取電站所在位置的時間、天氣、季節(jié)、經(jīng)緯度等外部環(huán)境信息，自動計算電站運(yùn)行的最優(yōu)參數(shù)并通過無線傳感網(wǎng)調(diào)節(jié)組件參數(shù)。

(3)短信控制模塊:短信控制模塊實現(xiàn)管理員對手機(jī)和光伏組件的遠(yuǎn)程控制。管理員可以發(fā)送固定格式的加密短信，然后短信控制模塊解析短信并根據(jù)短信內(nèi)容控制手機(jī)或通過命令解析模塊控制光伏組件。

(4)命令解析模塊:負(fù)責(zé)將各模塊通過智能接線盒對光伏組件的控制命令進(jìn)行解析，按照無線傳感網(wǎng)的通訊協(xié)議發(fā)送給無線網(wǎng)關(guān)板。

(5)防盜模塊:在手機(jī)被偷盜時，該模塊自動發(fā)送手機(jī)的位置信息及當(dāng)前手機(jī)卡號碼等內(nèi)容給管理員，以追回被盜的設(shè)備。

4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元

微信公眾平臺是騰訊公司在微信的基礎(chǔ)上新增的功能模塊，微信公眾平臺界面友好，使用方便，且不占用手機(jī)內(nèi)存，根據(jù)其開放的API接口，任何機(jī)構(gòu)都可以通過微信實現(xiàn)自己的第三方服務(wù)平臺［14］。因此，本監(jiān)控系統(tǒng)使用云虛擬主機(jī)，基于微信公眾平臺搭建自己的服務(wù)平臺，如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)平臺界面

在本監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元中，云虛擬主機(jī)接收和處理智能管理單元上傳的數(shù)據(jù)，并存入光伏電站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，同時云虛擬主機(jī)還作為微信公眾平臺的第三方服務(wù)接口服務(wù)器為用戶提供服務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)的公眾平臺實現(xiàn)原理如圖7所示，用戶點(diǎn)擊界面菜單發(fā)送請求，請求消息經(jīng)由微信公眾平臺轉(zhuǎn)發(fā)至云虛擬主機(jī)，云虛擬主機(jī)根據(jù)系統(tǒng)用戶的需求查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)并計算，最終將用戶所需的信息通過消息接口返回給用戶。

圖7 微信公眾平臺實現(xiàn)原理

5 智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控測試

本文通過監(jiān)控實際光伏電站對本監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測試。本系統(tǒng)對單個光伏組件和光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)控，根據(jù)光伏組件輸出電壓的詳細(xì)數(shù)據(jù)繪制了各自的電壓-時間曲線，如圖8和圖9。光伏組件在早晨10點(diǎn)左右開始工作，11點(diǎn)30分左右輸出電壓最大，下午4點(diǎn)40分之后光伏組件停止工作。

圖8 光伏組件電壓時間曲線

圖9 光伏陣列電壓時間曲線

通過測試，本智能監(jiān)控系統(tǒng)將無線傳感網(wǎng)與Android智能手機(jī)結(jié)合實現(xiàn)了對分布式光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的云端存儲，并且用戶可以通過手機(jī)微信隨時對電站進(jìn)行信息查詢。

6 結(jié)束語

本智能監(jiān)控系統(tǒng)融合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，并使用容易獲得的Android智能手機(jī)作為智能終端，使本光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)更適用于家用、小型企業(yè)等小型分布式光伏電站的監(jiān)控維護(hù)。隨著Android智能手機(jī)功能不斷增加，對Android智能手機(jī)端程序進(jìn)行修改即可實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件升級。本智能監(jiān)控系統(tǒng)具有智能化、自動化、查詢方式簡單友好等特點(diǎn)，擁有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價值。

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