姚仲敏，潘　飛，于曉紅，吳紅霞

(1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025)

基于ZigBee無線采集的光伏節(jié)能減排顯示平臺設(shè)計(jì)

姚仲敏1，潘飛1，于曉紅2，吳紅霞1

(1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025)

針對本地1.5 kWp的分布式光伏電站尚未建立完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和具有環(huán)保警示意義的節(jié)能減排顯示平臺,采用溫濕度傳感器和ZigBee模塊布設(shè)環(huán)境參量采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光伏電站的環(huán)境參量實(shí)時(shí)采集、無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機(jī)；光伏逆變器通過RS485總線與上位機(jī)通信進(jìn)行發(fā)電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；環(huán)境參量和發(fā)電參量實(shí)時(shí)地顯示到上位機(jī)界面并且存儲到后臺數(shù)據(jù)庫，同時(shí)上位機(jī)控制LED點(diǎn)陣屏驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參量和發(fā)電參量以及對應(yīng)換算的減排量信息的實(shí)時(shí)刷新，以實(shí)時(shí)客觀的節(jié)能減排數(shù)據(jù)來倡導(dǎo)人們“節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境”。

分布式光伏電站；溫濕度傳感器；ZigBee模塊；LED點(diǎn)陣

當(dāng)前主要的發(fā)電方式是火力發(fā)電，火力發(fā)電需要消耗大量的煤炭、石油、天然氣等非可再生能源，不僅加劇了當(dāng)前化石能源緊缺的現(xiàn)狀，同時(shí)化石能源大量燃燒會產(chǎn)生大量溫室氣體二氧化碳以及有害氣體二氧化硫、氮氧化合物等對環(huán)境造成巨大的威脅[1-2]。因此，現(xiàn)階段調(diào)整電力結(jié)構(gòu)，尋求清潔無污染的新能源發(fā)電是一種必然選擇。太陽能憑借自身的儲量大、清潔無污染、易獲得等優(yōu)勢逐漸成為世界各國的研究熱點(diǎn)[3-4]，太陽能光伏發(fā)電就是調(diào)整電力結(jié)構(gòu)采用新能源發(fā)電的重要體現(xiàn)。

我國政府于2005年正式頒布了《可再生能源法》，2008年新的《節(jié)約能源法》正式施行，其第五章“激勵措施”明確提出通過財(cái)政補(bǔ)貼、實(shí)行稅收優(yōu)惠等支持節(jié)能減排。2009年11月26日國務(wù)院常務(wù)會議上，對2020年控制溫室氣體排放提出了行動目標(biāo)，會議決定到2020年我國單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。2011年國務(wù)院印發(fā)《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，大力推廣可再生能源[5]。

鑒于本地1.5 kWp的小型分布式光伏電站并未建立完善的環(huán)境參量和發(fā)電參量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，缺乏一種響應(yīng)國家“節(jié)能減排”號召對人們具有警示意義的光伏發(fā)電節(jié)能減排實(shí)時(shí)顯示平臺，采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了環(huán)境參量(溫濕度)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光伏電站環(huán)境參量的實(shí)時(shí)傳輸，光伏逆變器通過485總線實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)發(fā)電參量，環(huán)境參量和發(fā)電參量實(shí)時(shí)地顯示到上位機(jī)界面并且存儲到后臺數(shù)據(jù)庫，上位機(jī)控制LED點(diǎn)陣模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參量和發(fā)電參量以及相應(yīng)的減排量信息的實(shí)時(shí)刷屏顯示，以實(shí)時(shí)客觀的節(jié)能減排數(shù)據(jù)來警示人們“節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境”。

1　系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的工作流程圖

圖1為本地1.5 kW光伏電站節(jié)能減排顯示平臺系統(tǒng)的總體工作流程圖。

圖1　光伏電站節(jié)能減排顯示平臺系統(tǒng)總體工作流程圖

如圖1所示，利用ZigBee的終端節(jié)點(diǎn) (連接溫濕度傳感器)將光伏電站所處環(huán)境的溫濕度信息無線發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS232與上位機(jī)連接，與此同時(shí)光伏電站通過逆變器并網(wǎng)，光伏電站的發(fā)電量數(shù)據(jù)通過逆變器RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，這樣上位機(jī)界面就可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度及發(fā)電量信息的功能。上位機(jī)與后臺數(shù)據(jù)庫連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲與查詢功能，為后續(xù)研究光伏電站的發(fā)電效率與環(huán)境參量的關(guān)系做數(shù)據(jù)支撐。上位機(jī)控制LED點(diǎn)陣顯示屏驅(qū)動模塊來實(shí)時(shí)刷屏顯示光伏電站工作環(huán)境參數(shù)和發(fā)電參數(shù)并將發(fā)電量換算成減碳量顯示在屏幕上，對人們起到環(huán)保、節(jié)能警示作用。

1.2系統(tǒng)的整體框圖

通過對整個(gè)顯示平臺的功能需求分析，系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)整體框圖

由圖2可得系統(tǒng)主要由5部分組成：

(1)ZigBee節(jié)點(diǎn)通信：具體包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與溫度傳感器和濕度傳感器連接組成溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee的無線通信功能將采集信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);

(2)逆變器接口：逆變器是光伏并網(wǎng)的核心部分，將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，逆變器能夠智能換算出光伏電站不同時(shí)段的光伏發(fā)電量，通過RS485總線將發(fā)電量數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī);

(3)上位機(jī)顯示界面：上位機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示各種信息參數(shù)，包括溫度、濕度、發(fā)電量，而且與后臺數(shù)據(jù)庫連接可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和查詢功能;

(4)數(shù)據(jù)庫：本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)庫與上位機(jī)相連，分類存儲采集的實(shí)時(shí)溫度、濕度以及發(fā)電量數(shù)據(jù);

(5)LED點(diǎn)陣顯示屏:本設(shè)計(jì)中LED點(diǎn)陣采用成本較低的雙色點(diǎn)陣拼接(16×4)而成，顯示的內(nèi)容包括溫度、濕度、發(fā)電量、減碳量等信息，旨在宏觀上宣傳“節(jié)能減排”的光伏理念，倡導(dǎo)“綠色能源，節(jié)能減排”。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)能減排顯示平臺硬件系統(tǒng)按照各模塊功能的區(qū)別主要分為三個(gè)部分：ZigBee模塊、逆變器總線接口模塊、LED點(diǎn)陣顯示模塊。

2.1ZigBee模塊設(shè)計(jì)

ZigBee模塊主要包括ZigBee協(xié)議棧通信模塊、溫濕度傳感器模塊。本設(shè)計(jì)選用CC2530 ZigBee模塊，CC2530是專門針對于IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)且低功耗，是基于增強(qiáng)型8051的微控制器，利用TI公司Zig-Bee協(xié)議棧Z-Stack編程可以更方便高效地實(shí)現(xiàn)各種無線通信組網(wǎng)方式[6-7]。

2.1.1溫濕度傳感器模塊

選用不銹鋼封裝的防水型DS18B20溫度探頭來測量環(huán)境溫度，該傳感器感溫范圍－55～+125℃，完全達(dá)到了本地區(qū)使用要求(本地區(qū)冬季最低溫度－30℃)。該溫度傳感器獨(dú)特的單總線接口節(jié)省了ZigBee模塊的IO口，不僅避免了信號的過多損耗，并且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，適合測量惡劣環(huán)境中的溫度，同時(shí)功耗很低[8]。

選用DHT11單總線數(shù)字溫濕度傳感器來測光伏電站環(huán)境濕度，DHT11是一款含有自校準(zhǔn)功能、數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn)[9]。單總線接口的設(shè)計(jì)，讓它與ZigBee模塊的終端連接更為簡單。DHT11濕度測量范圍是20%～90%RH，溫度測量范圍是0～50℃，本設(shè)計(jì)要測量光伏電站工作環(huán)境溫度和濕度，本來使用DHT11即可滿足要求測出溫濕度，但由于本地冬季室外氣溫最低可達(dá)到－30℃，而DHT11的感溫范圍是0～+50℃，因此就無法滿足測量要求。在本設(shè)計(jì)中使用DS18B20測量溫度，DHT11測得的參數(shù)僅保留濕度部分。

2.1.2ZigBee通信模塊

本設(shè)計(jì)選用2塊CC2530 ZigBee模塊，1塊作為溫濕度采集終端節(jié)點(diǎn)，1塊作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接，終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用簡單的“點(diǎn)對點(diǎn)”通信即可滿足設(shè)計(jì)要求。CC2530通過IO口與DS18B20溫度傳感器和DHT11濕度傳感器的串行數(shù)據(jù)總線相連，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸給終端節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊，然后經(jīng)過“點(diǎn)對點(diǎn)”通信方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示。

2.2逆變器總線接口模塊

本地1.5 kWp分布式光伏電站并網(wǎng)逆變器采用陽光有限公司SG1K5TL光伏逆變器，并網(wǎng)逆變效率可達(dá)95%，光伏逆變器RS485總線通過RS485/RS232轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸不同時(shí)間段的發(fā)電量數(shù)據(jù)，顯示到上位機(jī)界面。

2.3LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動模塊

本設(shè)計(jì)中LED點(diǎn)陣驅(qū)動采用行線作掃描線，列線作數(shù)據(jù)線的方式掃描，圖3即為LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動模塊工作原理圖。如圖3所示，采用STC12C5A60S2單片機(jī)控制LED點(diǎn)陣行驅(qū)動器和列驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動點(diǎn)陣屏的每一行每一列。STC12C5A602S單片機(jī)有36個(gè)通用I/O口，大部分是可位控的，節(jié)省了LED顯示屏電路的端口，并且STC12C5A602S單片機(jī)有ISP串口和雙UART，使用UART可很容易地實(shí)現(xiàn)控制程序下載。

圖3　LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動模塊工作原理圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

顯示平臺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)和LED顯示屏驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)。

3.1ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，以CC2530為核心板，在IAR Embedded Workbench(又稱為EW)平臺上采用C語言編程實(shí)現(xiàn)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集和基于Z-Stack協(xié)議棧的點(diǎn)對點(diǎn)通信。

3.1.1ZigBee點(diǎn)對點(diǎn)通信軟件設(shè)計(jì)

利用TI Z-Stack協(xié)議棧提供的API進(jìn)行代碼修改，不用去研究ZigBee協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，只要知道數(shù)據(jù)收發(fā)雙方就可以。

修改協(xié)議棧函數(shù)SampleApp.c函數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信關(guān)鍵代碼如下：

3.1.2傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

把DS18B20和DHT11程序移植到協(xié)議棧中，加到點(diǎn)播例程中從而實(shí)現(xiàn)采集的溫濕度數(shù)據(jù)點(diǎn)播。

(1)讀取傳感器數(shù)據(jù)主要代碼如下：

(2)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼如下：

3.2上位機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)顯示界面主要是顯示環(huán)境參數(shù)、發(fā)電量，控制LED點(diǎn)陣實(shí)時(shí)刷新顯示，并與后臺數(shù)據(jù)庫連接。采用VS2010軟件開發(fā)平臺，利用C#語言編程設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)顯示界面。

上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示界面工作流程如圖4所示。

圖4　上位機(jī)顯示界面工作流程圖

打開登錄界面，輸入用戶名和密碼就進(jìn)入顯示界面，在沒有設(shè)置串口前，界面顯示當(dāng)前時(shí)間，設(shè)置串口信息后顯示界面就顯示環(huán)境參數(shù)和發(fā)電量。顯示界面與數(shù)據(jù)庫連接將信息實(shí)時(shí)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并且與LED點(diǎn)陣顯示屏串口連接，控制傳輸時(shí)間，自動刷新LED顯示屏的內(nèi)容，顯示環(huán)境參數(shù)和發(fā)電情況。

3.3LED顯示屏軟件設(shè)計(jì)

LED顯示屏顯示的內(nèi)容與上位機(jī)界面基本一致，時(shí)間，溫濕度，光伏發(fā)電量情況和減碳量情況?；赟TC12C5A60S2單片機(jī)在Keil4.0開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫LED點(diǎn)陣屏驅(qū)動程序。LED點(diǎn)陣顯示屏的工作流程如圖5所示。

圖5　LED點(diǎn)陣顯示屏工作流程圖

(1)點(diǎn)陣初始化的內(nèi)容包括定時(shí)器0的初始化、鎖存信號的初始化、屏幕緩沖區(qū)的初始化清零，以及定時(shí)器和SPI中斷優(yōu)先級和使能位的初始化。關(guān)鍵代碼如下：

(2)UART接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，讀取上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，UART接口的核心是一個(gè)中斷服務(wù)程序，UART接口的頭文件XIANSHI.h沒有顯示緩沖區(qū)的信息，需要調(diào)用初始化、發(fā)送和接收函數(shù)重新定義頭文件，關(guān)鍵代碼如下：

(3)首先，定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序掃描行增量進(jìn)行取模運(yùn)算，并將掃描行輸出。然后，根據(jù)掃描結(jié)果取出屏幕緩沖區(qū)對應(yīng)行的第一個(gè)字節(jié)，發(fā)送到SPI端口，同時(shí)列值加1。LED屏驅(qū)動代碼如下：

4　顯示平臺系統(tǒng)軟硬件調(diào)測試

在VS2010環(huán)境下運(yùn)行編寫好的上位機(jī)顯示平臺程序，正確輸入密碼和用戶名之后，點(diǎn)擊登陸按鈕，進(jìn)入顯示界面，如圖6所示。

圖6　顯示界面

圖7為數(shù)據(jù)庫的歷史記錄查詢表，時(shí)間為1分鐘改變1次，即每分鐘添加1條記錄，而時(shí)發(fā)電量，時(shí)減碳每小時(shí)更新1次，日發(fā)電量和日減碳每日更新1次，最后的總發(fā)電量和總減碳不斷累積每日更新1次。

接下來的四張圖片為LED點(diǎn)陣顯示屏的實(shí)測圖，內(nèi)容刷新周期與數(shù)據(jù)庫同步，每15 s刷新一次LED顯示屏。圖8為日期和當(dāng)前的溫度與濕度環(huán)境參量。

15 s之后，出現(xiàn)如圖9的顯示效果，在11點(diǎn)-12點(diǎn)之間，顯示的都是如下時(shí)發(fā)電量和時(shí)減碳量信息，過了12點(diǎn)就會更新內(nèi)容，顯示11點(diǎn)-12點(diǎn)的時(shí)發(fā)電量與時(shí)減碳量。

每日從系統(tǒng)開始工作后每隔1小時(shí)更新一次累積到當(dāng)前時(shí)間的發(fā)電量與減碳量信息，如圖10所示。

累積每天的日發(fā)電量與減碳量信息，即總發(fā)電量與減碳量信息，每日累積刷新一次，如圖11所示。

圖7　數(shù)據(jù)庫歷史記錄查詢表

圖8　日期與當(dāng)前溫濕度環(huán)境參量

圖9　時(shí)發(fā)電量與時(shí)減碳量

圖10　累計(jì)到當(dāng)前時(shí)間的發(fā)電量與減碳量

圖11　系統(tǒng)總發(fā)電量與減碳量

5　結(jié)論

基于ZigBee無線采集的光伏電站節(jié)能減排顯示平臺系統(tǒng)以本地1.5 kWp的分布式光伏電站為背景，完成了ZigBee環(huán)境參量采集系統(tǒng)的搭建，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示平臺的設(shè)計(jì)，后臺數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建以及具有“節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境”警示意義的LED點(diǎn)陣屏模塊的設(shè)計(jì)，經(jīng)過相關(guān)軟硬件調(diào)測試實(shí)現(xiàn)了光伏電站環(huán)境參量溫濕度數(shù)據(jù)和逆變器發(fā)電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸顯示到上位機(jī)界面，并且存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中；同時(shí)將環(huán)境參量信息和發(fā)電量信息以及對應(yīng)的減排量信息實(shí)時(shí)顯示在LED點(diǎn)陣屏上，以實(shí)際客觀的數(shù)據(jù)來提醒人們樹立“節(jié)能減排”“綠色能源”的光伏理念，對推進(jìn)我國倡導(dǎo)的“節(jié)能減排”政策以及推進(jìn)光伏發(fā)電也具有長遠(yuǎn)的意義。

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Energy-saving and emission-reduction display platform design of PV power plant based on ZigBee wireless acquisition

YAO Zhong-min1,PAN Fei1,YU Xiao-hong2,WU Hong-xia1
(1.School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihar Heilongjiang 161006,China; 2.Institute of Computer Science and Information Engineering,Harbin Normal University,Harbin Heilongjiang 150025,China)

For the lack of data collection system and energy-saving and emission-reduction display platform with environmental cautionary for the local 1.5 kWp distributed PV power plant,temperature and humidity sensor and ZigBee module was adopted to lay environmental parameters acquisition nodes and achieve real-time collection of environmental parameters in PV power plant,which was transmitted to the monitoring center PC.PV inverter communicated with PC for real-time transmission of power generation data by RS485 bus.Real-time environmental parameters and power generation parameters were displayed in PC interface and stored in the background database. Meanwhile,PC controlled the driver module of LED dot matrix display to refresh the real-time environmental and power generation parameters and corresponding reductions information,advocating people to"Energy-saving and Emission-reduction and Environmental Protection".

distributed PV power plant;temperature and humidity sensor;ZigBee module;LED dot matrix

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1993-04

2016-03-24

智能教育與信息工程黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱師范大學(xué))開放課題(SEIE2014-05);齊齊哈爾市科技局工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(GYGG-201106)

姚仲敏(1959—)，女，黑龍江省人，教授，主要研究方向?yàn)榛谖锫?lián)網(wǎng)的分布式太陽能光伏電站應(yīng)用研究。