邢毓華,宋俊慷,郭慶吉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

光伏應用系統(tǒng)遠程監(jiān)測平臺設計

邢毓華,宋俊慷,郭慶吉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏應用系統(tǒng)越多的被工業(yè)單位和個人使用；為了解決分布式離散光伏應用系統(tǒng)檢測和管理維護的技術(shù)難題，文章闡述了一種光伏應用系統(tǒng)遠程監(jiān)測平臺的設計方案；該方案在研究分析無線自組網(wǎng)技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的基礎上，針對光伏應用系統(tǒng)的分布特點，將嵌入式技術(shù)，ZigBee技術(shù)，GPRS-DTU技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)Web監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，設計完成以數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)中心節(jié)點、Web服務器，以及手機客戶端為主要部件的遠程監(jiān)測系統(tǒng)；并對該系統(tǒng)進行了實驗驗證；實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)方案能夠?qū)h程分散的光伏應用系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行采集，組網(wǎng)匯聚和遠程傳輸；并可以通過計算機或手機等移動客戶端對數(shù)據(jù)進行遠程訪問和控制；為分散的光伏應用系統(tǒng)的遠程管理和維護提供了一種有效的技術(shù)方案。

太陽能發(fā)電；光伏應用系統(tǒng)；遠程監(jiān)測

0 引言

光伏應用系統(tǒng)具有分布離散且相互獨立的特點，以太陽能路燈為例，每個太陽能路燈都是一個獨立的系統(tǒng)，成百上千的路燈需要統(tǒng)一監(jiān)測，難以及時有效地獲得每個太陽能路燈的運行數(shù)據(jù)。對光伏應用系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行分析，有利于改進光伏應用系統(tǒng)的性能，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此如何有效地及時地獲得光伏應用系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)成為管理和維護光伏應用系統(tǒng)的關鍵問題之一。設計實現(xiàn)光伏應用系統(tǒng)遠程監(jiān)測平臺，為光伏應用系統(tǒng)在線分析和故障診斷帶提供了有效支撐，將進一步促進光伏綠色能源系統(tǒng)的應用和發(fā)展[1-3]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

通過分析歸納，光伏應用系統(tǒng)的分布形式主要有兩種：一種在某區(qū)域相對集中存在，一種在某區(qū)域獨立存在。針對光伏應用系統(tǒng)分布形式的特點，建立如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成對光伏應用系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設計[4-6]。

針對在某區(qū)域相對集中存在的光伏應用系統(tǒng)，將各個分散節(jié)點的數(shù)據(jù)集中到一個中心節(jié)點，再由中心節(jié)點將匯集好的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)；針對在某區(qū)域獨立存在的光伏應用系統(tǒng)，由單一節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送即可。

圖1 分散光伏應用程監(jiān)遠程測平臺結(jié)構(gòu)

本文主要實現(xiàn)在某區(qū)域相對集中存在的光伏應用系統(tǒng)遠程監(jiān)測平臺設計。具體實現(xiàn)方案如下：首先，數(shù)據(jù)采集節(jié)點與數(shù)據(jù)中心節(jié)點通過紫蜂(ZigBee)技術(shù)進行組網(wǎng)通信，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集的光伏應用系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心節(jié)點；其次，數(shù)據(jù)中心節(jié)點，采用通用分組無線服務數(shù)據(jù)傳輸(GPRS-DTU)技術(shù)，將各數(shù)據(jù)采集節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至遠程服務器。最后在遠程服務器上開發(fā)功能完備的監(jiān)測程序以滿足光伏應用系統(tǒng)運行管理和維護的需要。根據(jù)工程經(jīng)驗，針對在某一區(qū)域獨立存在的光伏應用系統(tǒng)，可由單一節(jié)點完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)，而無需進行組網(wǎng)通信完成數(shù)據(jù)的匯集工作，實現(xiàn)起來更為簡單，因此本文并不對這種分布形式的光伏應用系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)進行討論。

整個監(jiān)測平臺具有三層分布式結(jié)構(gòu)：第一層是由數(shù)據(jù)采集節(jié)點構(gòu)成的無線感知層，該層主要功能是對監(jiān)測對象進行數(shù)據(jù)采集，同時與第二層設備進行數(shù)據(jù)組網(wǎng)通信；第二層是由數(shù)據(jù)中心節(jié)點構(gòu)成和數(shù)據(jù)匯集層，該層主要實現(xiàn)的功能是匯集感知層的數(shù)據(jù)，同時將匯集好的數(shù)據(jù)通過Internet傳送第三層設備；第三層是由Internet上的服務器構(gòu)成的服務應用層，該層主要提供監(jiān)在線實時監(jiān)測服務。

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點一方面完成對光伏應用系的運行數(shù)據(jù)進行采集；另一方面實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心節(jié)點進行組網(wǎng)通信上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設計

使用德州儀器(texas instruments, TI)公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點ZigBee模塊的核心。硬件方面主要完成CC2530的最小系統(tǒng)設計和采樣電路的設計。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點CC2530最小系統(tǒng)包含了芯片工作時的基本核心電路部分：電源電路，復位電路，時鐘電路，仿真接口和無線射頻。

使用CC2530自帶的AD模塊完成對光伏應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作。需要采集的信號包括光伏電池板輸出電壓(Vpv)，升壓電路輸出電壓(Vboost)和光伏電池板輸出電流(Ipv)，采樣電路功能是將需要采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成CC2530的AD 端口可接受的0～3.3 V 的電壓信號。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件電路框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計

針對數(shù)據(jù)采集節(jié)點，需要實現(xiàn)的軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點首先，初始化Zigbee模塊自身的硬件資源，包括通道、頻率、數(shù)模轉(zhuǎn)換(AD)端口等等；其次，發(fā)出網(wǎng)絡加入信號，申請周圍的Zigbee協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡；如果收到加入成功應答信標，則進入低功耗狀態(tài)，如果加入失敗，則繼續(xù)發(fā)送申請信號，直到完成加入；最后，成功進入低功耗模式后就要等待系統(tǒng)初始化時預置的數(shù)據(jù)傳輸命令，一旦數(shù)據(jù)傳輸命令激活，則調(diào)用AD端口采集光伏應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行發(fā)送。

3 數(shù)據(jù)中心節(jié)點設計

數(shù)據(jù)中心節(jié)點與數(shù)據(jù)采集節(jié)點一方面進行組網(wǎng)通信，接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，完成分散數(shù)據(jù)的匯集工作；另一方面轉(zhuǎn)發(fā)上傳數(shù)據(jù)至遠端的服務器和附近的智能移動設備。

3.1 數(shù)據(jù)中心節(jié)點硬件設計

數(shù)據(jù)中心節(jié)點依然使用TI公司的CC2530芯片作為ZigBee模塊的核心。硬件方面主要完成CC2530的最小系統(tǒng)設計和CC2530芯片與GPRS-DTU模塊的串行通信接口。

數(shù)據(jù)中心節(jié)點CC2530最小系統(tǒng)依然包含了芯片工作時的基本核心電路部分：電源電路，復位電路，時鐘電路，仿真接口和無線射頻。

設計采用有人物聯(lián)網(wǎng)USR-GPRS型GPRS-DTU模塊，該模塊是專門用于將RS-232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備，采用工業(yè)級嵌入式處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡。在進行設計時使用CC2530自帶的USART接口配合MAX232芯片完成USART接口與RS-232接口的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)CC2530與GPRS-DTU模塊的RS-232接口進行通信。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件電路框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心節(jié)點硬件框圖

3.2 數(shù)據(jù)中心節(jié)點軟件設計

針對數(shù)據(jù)中心節(jié)點的，需要實現(xiàn)的軟件流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心節(jié)點軟件流程圖

數(shù)據(jù)中心節(jié)點的ZigBee模塊在以協(xié)調(diào)器功能啟動以后，進行ZigBee的網(wǎng)絡初始化。網(wǎng)絡初始化成功后就確定了網(wǎng)絡的PAN ID和信道，在此之后就進入無線監(jiān)控狀態(tài)對其通信范圍內(nèi)的節(jié)點加入信號進行監(jiān)測，在接收到有節(jié)點需要加入網(wǎng)絡時在資源允許的情況下便為該節(jié)點分配相應的短地址和網(wǎng)絡資源。如果暫無節(jié)點加入信號， ZigBee模塊會判斷系統(tǒng)的查詢周期定時器是否到時，如果定時器到時則發(fā)送查詢命令進行數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)收成功后調(diào)用串口函數(shù)將收集的上傳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS-DTU模塊。

4 服務器相關設計

通過花生殼網(wǎng)站申請一個固定域名，同時使用“花生殼”軟件的端口映射功能將實驗室的計算機作為服務器開發(fā)數(shù)據(jù)接收程序和網(wǎng)頁監(jiān)測程序完成服務器程序設計，使服務器完成數(shù)據(jù)通信和監(jiān)測網(wǎng)站的發(fā)布工作[7-9]。

4.1 服務器數(shù)據(jù)接收程序設計

使用C語言編寫Socket服務程序運行在服務器上，用于監(jiān)聽數(shù)據(jù)中心節(jié)點GPRS-DTU模塊的連接請求。數(shù)據(jù)中心節(jié)點的GPRS-DTU模塊事先已配置好服務器的固定域名和端口號，根據(jù)配置好固定域名和端口號，GPRS-DTU模塊發(fā)送TCP/IP連接請求，C語言Socket服務程序監(jiān)聽到該連接請求后，與數(shù)據(jù)采集節(jié)點建立TCP/IP連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)點的GPRS-DTU模塊與Socket服務程序的通信。Socket服務程序在收到GPRS-DTU模塊的連接請求后將創(chuàng)建pthread線程用于GPRS-DTU模塊數(shù)據(jù)的接收，然后將接收到的數(shù)據(jù)存儲到Access數(shù)據(jù)庫中。Socket服務程序的工作流程圖如圖6所示。

圖6 Socket程序流程圖

4.2 服務器監(jiān)測網(wǎng)站設計

監(jiān)測網(wǎng)站包含數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)頁頁面兩部分。設計中數(shù)據(jù)中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)信息并不大，因此選用Microsoft Access 2003數(shù)據(jù)庫軟件作為監(jiān)測網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫。Access數(shù)據(jù)庫以文件形式保存。

為了在與服務器交互的過程中，只傳輸網(wǎng)頁頁面上需要更改的部分(如各個監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)值)。為此，考慮在與服務器通信的過程中只傳輸網(wǎng)頁頁面上需要進行更改的區(qū)域，而不將整個網(wǎng)頁進行傳輸，這樣使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大大減少，從而縮短了傳輸時間；同時，網(wǎng)頁頁面在與服務器進行交互的過程中，客戶端仍然可以在當前頁面繼續(xù)操作，正常使用應用網(wǎng)頁上的程序，而不必等待服務器響應，因此針對監(jiān)測網(wǎng)站頁面設計需要使用Ajax技術(shù)。

在加入Ajax引擎之后，當瀏覽器第一次與服務器進行通信時Ajax引擎就將Web服務器的內(nèi)容下載到Ajax客戶端，因此一部分應用程序就從Web服務器端移動到了客戶端。在瀏覽器中的JavaScript程序?qū)@得的用戶指令分為兩個部分，第一部分自己處理，另一部分交付給Web服務器進行處理，這樣就減輕了Web服務器的運行負擔。

5 測試與評估

整個系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方案如圖7所示。使用兩個自行設計的光伏應用系統(tǒng)作為監(jiān)測對象，兩個數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集光伏應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心節(jié)點。數(shù)據(jù)中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)上傳數(shù)據(jù)至遠程服務器和附近的智能移動設備。在服務器上開發(fā)功能基本完備的監(jiān)測網(wǎng)站，實現(xiàn)對兩個自行設計的光伏應用系統(tǒng)的監(jiān)測。

圖7 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方案

使用計算機和智能手機分別對監(jiān)測網(wǎng)站進行訪問，查看監(jiān)測網(wǎng)站顯示的數(shù)據(jù)，為了使結(jié)果更具說服力，在使用智能手機對監(jiān)測網(wǎng)站進行訪問時，智能手機的上網(wǎng)方式選用運營商數(shù)據(jù)流量模式。

具體在調(diào)試過程中需要注意以下幾個方面的問題：

(1) 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的外部供電來自于光伏應用系統(tǒng)所以數(shù)據(jù)采集節(jié)點和光伏應用系統(tǒng)需要共地。

(2) 實驗室處于校園網(wǎng)內(nèi)的計算機若想作為服務器發(fā)布網(wǎng)站，需要使用“花生殼”軟件的端口映射功能結(jié)合所申請的固定域名(lxlsjksyh.6655.la)實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)頁的發(fā)布。

圖8(a)和(b)展示分別是使用計算機和智能手機對監(jiān)測網(wǎng)站進行訪問。

圖8 監(jiān)測網(wǎng)站的訪問

6 結(jié)論

通過實驗可以看出，根據(jù)光伏應用系統(tǒng)的分布特點將ZigBee技術(shù)，GPRS-DTU技術(shù)，以及互聯(lián)網(wǎng)Web監(jiān)測技術(shù)相結(jié)

合，可以有效的完成光伏應用系統(tǒng)的遠程監(jiān)測與數(shù)據(jù)收集工作。在此基礎上可以進一步完善系統(tǒng)功能如權(quán)限管理、利用大數(shù)據(jù)學進行數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)告警、控制等功能，使新能源應用技術(shù)發(fā)展的更具系統(tǒng)化、智能化。

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Design of Remote Monitoring Platform for Photovoltaic Application System

Xing Yuhua, Song Junkang, Guo Qingji

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

With the continuous development of solar power technology, more and more applications of PV system are used by industrial units and individuals. In order to solve the technical problem of detection and maintenance about distributed PV application system, this paper describes a design of a remote monitoring platform for PV applications. Based on the study of wireless network technology and wireless data transmission technology, and according to the characteristics of the distributed PV application system, a remote monitoring system is designed, which consists of the acquisition nodes, data center nodes, web server, and mobile client, and this system combines Embedded technology, ZigBee technology, GPRS-DTU technology and Internet web monitoring technology. The experimental verification of the system is carried out. The experimental results show that the system can collect the running data of the remote distributed PV application system, and can networking and remote transmit the running data, which can be accessed and controlled remotely through the computer or mobile phone and other mobile client. This paper provides an effective technical solution for the remote management and maintenance of distributed PV application system.

solar power; distributed PV application system; remote monitoring

2016-06-05；

2016-08-19。

邢毓華(1966-)，男，碩士，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)01-0057-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.017

N913.23

A