祝奔奔，萬 舟

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

基于LabVIEW的光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

祝奔奔，萬 舟

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

針對光伏電站建設在偏僻地區(qū)，其管理監(jiān)控難度大的問題上，本文設計了一種基于LabVIEW的光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)。將傳感器測得的數據進行信號轉換，將其用串口與CC2430芯片相連組成傳感器數據采集模塊，把采集的數據通過串口轉WiFi模塊進行傳輸，利用路由節(jié)點來接收WiFi信號，最后將所得信號在LabVIEW監(jiān)控界面上顯示。結果表明，光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有采集數據準確、傳輸數據迅速和實時監(jiān)控等優(yōu)點，實現了環(huán)境溫度、風速、電壓和電流的監(jiān)控。

光伏電站；實時監(jiān)控；傳感器；傳輸數據

0 引言

光伏發(fā)電具有無污染、安全性高、能源質量高等優(yōu)點，受到了世界各地發(fā)電公司的重視。隨著國內關于光伏發(fā)電的相關扶持政策的發(fā)布，光伏電站在越來越多的地方開始建設并投入使用。由于光伏電站建在偏遠地區(qū)，設備的運行情況和周圍環(huán)境信息難以迅速得到反饋，造成工作人員工作量大大增加，增加了維護設備成本。實時監(jiān)測光伏電站技術已成為推廣光伏發(fā)電應用的關鍵技術之一[1]。

光伏電站建設在偏遠地區(qū)，應用因特網接入成本太高，且偏遠地區(qū)的有線接入難度太大，不利于小型光伏發(fā)電企業(yè)的進一步普及。因此本文設計了一種基于LabVIEW的光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對光伏電站的溫度、風速、電壓、電流等參數進行有的效采集方案，實現采集卡和上位機的聯系。運用串口通信技術和ZigBee進行數據的無線傳輸。實現了對光伏電站的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)具有操作簡單，響應快，成本低等特點。

1 光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

太陽能電池中把光能轉化為電能的速率受到諸多因素的影響，如：光伏電站所處的地方環(huán)境、太陽光照的強度和當地的天氣情況等。因此，要監(jiān)控光伏電站的運行情況需要采集以下數據：環(huán)境溫度、風速、電壓和電流。監(jiān)控系統(tǒng)的總體構架如圖1所示。

光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)是由傳感模塊、信號轉換模塊、無線傳輸模塊及PC和監(jiān)控軟件構成，最后由 LabVIEW 的開發(fā)環(huán)境設計出系統(tǒng)的監(jiān)控界面。其中傳感器通過A/D轉換的方式將模擬信號變成數字信號，將其用串口與 CC2430芯片相連組成傳感器數據采集模塊，把采集的數據通過串口轉WiFi模塊進行傳輸，再用路由節(jié)點來接收 WiFi信號，通過WiFi在路由節(jié)點之間相互傳輸實現遠程傳輸，之后傳輸到網關，最后通過串口將數據傳輸到電腦上進行顯示。PC機將接受到的數據處理后保存并及時顯示，實現對光伏發(fā)電系統(tǒng)各類參數的實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 各類傳感器的選型

（1）溫度傳感器的選型

本文采用的是DS18B20數字溫度傳感器，它是由DALLAS公司生產的，具有3個引腳，具有體積小，封裝形式好的特點；DS18B20的溫度測量范圍不是太大，為-55℃~＋125℃,但它卻可以編程為 9位~12位A/D轉換精度，DS18B20的測溫分辨率很高，可以達到0.0625℃。DS18B20不僅可以引入它的工作電源，還可以用其他的方式產生。

DS18B20主要由4部分組成：溫度傳感器、64位 ROM、配置寄存器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL[2]，如圖2所示。

（2）電壓電流傳感器的選型

本文選用的是霍爾電壓電流傳感器，它的工作原理是當固體導體在周圍有磁場時，內部有電流通過，導體內會產生電壓?；魻栯妷寒a生的電場力可以與洛倫茲力相互抵消，從而使得導體中自由電子處于平衡狀態(tài)。

霍爾電壓電流傳感器是通過三個元件組成,包括聚磁環(huán)、霍爾元件以及放大調理電路。其中，聚磁環(huán)是由磁性鐵芯、一次側線圈、二次側線圈等組成[3]，如圖3所示。

（3）風速傳感器的選型

光伏電站建設在沙漠或偏遠地區(qū)，因此風速是影響光伏電站的因素之一，本文采用的風速傳感器是鍍熱敏電阻器的風速傳感器，可以在測量風速的同時測量風的溫度。測量風速的范圍為0.05~120m/s，風溫的范圍為0~50℃。

2.2 系統(tǒng)硬件的選型

（1）CC2430芯片

本論文采用的是 ZigBee技術中的射頻芯片CC2430，它總共有四種復位方式：RESET_N強制復位、上電復位（保持在復位狀態(tài)，直到電壓正常）、電壓不足復位（保持在復位狀，直到電壓恢復正常）、以及看門狗復位[4]，如圖4所示。

（2）串行通信RS232

圖2 溫度傳感器DS1820的內部圖Fig.2 Internal diagram of temperature sensor DS1820

串行通信采用的是 RS232，在通信協(xié)議的設備中使用非常普遍，同時，采集遠程設備的數據可用于串口通信協(xié)議的方式進行傳輸。串行通信 RS232的結構雖然簡單，卻能夠實現遠距離的通信，可達到一千多米。串行通信RS232具有易于集成、開發(fā)周期短、無需系統(tǒng) RF測試、耗能低、穩(wěn)定、快速等優(yōu)點[5]。

圖3 霍爾電壓電流傳感器結構圖Fig.3 Structure of Holzer voltage and current sensor

圖4 CC2430 芯片原理圖Fig.4 CC2430 chip schematic

（3）Wi-Fi通信模塊

本設計采用的是具備UART串口通信的超低功耗Wi-Fi模（USR-WIFI232-B）。該Wi-Fi通信模塊通過FCC/CE標準認證，采用表貼封裝，支持串口透明傳輸模式和協(xié)議傳輸模式，可以實現串口即插即用。一般首次使用時需要對該模塊進行配置，需要通過計算機的無線網卡連接USR-WIFI232-B的AP端口，并且用 WEB管理頁面進行配置。設置中包含模式選擇選項，選擇 USR-WIFI232-B模塊工作模式為AP模式。打開上位機終端，選擇客戶機模式，輸入自動分配給USRWIFI23-B的地址和服務器端口號，點擊連接建立TCP連接，即可進行遠程數據收發(fā)[5]。

3 Z igBee技術與系統(tǒng)的軟件設計

3.1 Z igBee技術

ZigBee技術的基礎是IEEE 802.15.4標準，進而延伸出的無線通訊技術。適用于傳輸距離短、能耗低的無線通信。ZigBee技術有許多的特點，如：結構簡單、自組織、耗能低、數據的速率慢和制造成本低等?？偟膩碚f，ZigBee就是一種成本低廉，耗能低的近距離無線通訊技術[6]。

ZigBee網絡雖然是短距離傳輸，但具有良好的擴展性。ZigBee網絡中不同類型的節(jié)點具有兩種，第一種是路由器節(jié)點，第二種是協(xié)調器節(jié)點。路由器之間可相互傳輸，使得ZigBee網絡可以適用于遠距離的數據傳輸。本論文使用的ZigBee網絡遠程傳輸原理如圖5所示。

圖5 Z igBee網絡遠程傳輸原理Fig.5 Z igBee network remote transmission principle

3.2 傳感器數據采集節(jié)點設計

本論文采用的傳感器數據采集節(jié)點框圖是由CC2430芯片、溫度傳感器、風速傳感器、電壓/電流傳感器、電源模塊和串口通訊模塊等器件組成。其結構框架如圖6所示。

圖6 傳感器數據采集節(jié)點框圖Fig.6 Block diagram of sensor data acquisition

3.3 網關節(jié)點的設計

網關節(jié)點的結構十分緊湊和復雜，其功能也是很強大。在傳輸數據領域，網關節(jié)點可以實現由傳感器節(jié)點收集的信息和外部網絡或終端用戶的連接。網關節(jié)點是無線傳感器網絡中最重要的組成部分，負責無線傳感器網絡與有線設備之間的連接，可發(fā)送上層命令以及接收下面節(jié)點的請求和數據，網關電路原理如圖7所示，由CC2430、SP3223E及FT232RL構成，SP3223E完成串口電平匹配，FT232RL完成串口轉USB接口的功能，可以使得網關方便的連接到 PC或筆記本。本系統(tǒng)使用的網關主要具備三項功能：

（1）創(chuàng)建ZigBee網絡，接收光伏電站中傳感器模塊各節(jié)點的數據；

（2）將接收到的數據通過 RS232接口上傳到監(jiān)控中心服務器中。

（3）接收監(jiān)控中心下發(fā)的指令，轉發(fā)給各控制節(jié)點。

3.4 串口RS232與WiFi連接系統(tǒng)設計

Zig Bee與Wi Fi轉換選用SP3232，它是RS232收發(fā)器對于手持式應用的一種解決方案。工作電壓為+ 3.0 ~ + 5.5 V，滿載時最小數據速率為120 k B /s，電源低至+ 2.7V，ESD保護驅動程序使驅動器和接收器引腳承受15kV放電模式和IEC1000 4-2空氣間隙放電模式。以此來實現Zig Bee數據到Wifi數據的轉換[2]。其結構圖如圖8所示。

3.5 Z igBee網絡拓撲結構

ZigBee網絡拓撲結構大致分為三類，分別為網絡拓撲、樹形拓撲和星形拓撲。

（1）星形拓撲是三種形式中最簡單的一種，由一個協(xié)調者節(jié)點和眾多的終端節(jié)點組成。

（2）樹形拓撲是由一個協(xié)調者、眾多的路由器和終端節(jié)點組成。

（3）網狀拓撲通過一個協(xié)調器和眾多的路由器和終端組成。與網絡拓撲這種形式類似的是樹形拓撲的形式。但是，網狀網絡拓撲的信息路由規(guī)則是多變的、靈活。如圖9、10、11所示。

圖7 網關電路原理Fig.7 Gate way circuit principle

圖8 串口RS232與Wifi連接系統(tǒng)Fig.8 Serial RS232 and Wifi connection system

圖9 星形拓撲圖Fig.9 S tar topology

圖11 網狀拓撲圖Fig.11 Topological graph of mesh

4 監(jiān)控界面設計

4.1 系統(tǒng)軟件設計

LabVIEW的全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，它與其他的編程軟件不同，其他的編程軟件都是使用代碼之類的，而它是用圖形符號來取代代碼來編寫程序。LabVIEW的開發(fā)環(huán)境可以運用于許多系統(tǒng)，如：Windows這種非常普遍的系統(tǒng)、Mac和Linux等。除此之外，LabVIEW還可以運用于許多嵌入式平臺，如 Microsoft Pocket PC、Microsoft Windows CE和 Palm OS等。LabVIEW中用來編程的語言叫做 G語言，該語言不僅在編程上十分簡單、容易上手、節(jié)約時間，還有對系統(tǒng)進行仿真和對數據進行顯示的功能[10]。

圖10 樹形拓撲圖Fig.10 T ree topology

4.2 光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)界面設計

光伏電站需要對環(huán)境溫度、風速、電壓和電流進行監(jiān)控。因此，本系統(tǒng)設計了與之對應的四種數據采集系統(tǒng)，用LabVIEW軟件畫出這些系統(tǒng)的程序框圖，再將其組合在一起。光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)程序框圖如圖12所示，監(jiān)控界面如圖13所示。

5 結束語

本文設計的光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)給出了詳細的硬件和軟件設計方案，大大降低了光伏電場的管理及監(jiān)控成本。本系統(tǒng)能夠實現數據的精準采集、信號的實時輸入和數據的無線傳輸。該系統(tǒng)操作界面友好簡單，信息顯示直觀，可以實現對環(huán)境溫度、風速、電壓和電流等數據的采集、傳輸和監(jiān)控。傳輸過程運用WiFi模塊，使得監(jiān)控距離遠，節(jié)省成本，還可以對歷史數據進行查詢和調用，具有很強的實用性。

圖12 遠程監(jiān)控光伏電站總體設計程序框Fig.12 Remote monitoring photovoltaic power station overall design program box

圖13 遠程監(jiān)控光伏電站系統(tǒng)的監(jiān)控界面Fig.13 Monitoring interface of remote monitoring photovoltaic power plant system

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Design of Remote Monitoring System for Photovoltaic Power Station Based on LabVIEW

ZHU Ben-ben, WAN Zhou
(Kunming University of Science and Technology, Institute of Information Engineering and Automation, Kunming, Yunnan 650500)

For the construction of photovoltaic power plants in remote areas, it is difficult to manage and monitor the photovoltaic power plants. This paper designed a photovoltaic power station remote monitoring system based on LabVIEW. Measured by the sensor data signal conversion, the serial port is connected with the CC2430 chip is composed of sensor data acquisition module, the data collected through the WiFi serial transmission module, using the routing node to receive the WiFi signal, the signal is displayed on the LabVIEW monitor interface. The results show that the remote monitoring system of photovoltaic power station has the advantages of accurate data acquisition, rapid transmission of data and real-time monitoring, and realizes the monitoring of ambient temperature, wind speed, voltage and current.

Photovoltaic power plant; Real-time monitoring; Sensors; Transmission of data

TM391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.009

本文著錄格式：祝奔奔，萬舟. 基于LabVIEW的光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 軟件，2017，38（11）：49-54

國家質檢總局科技計劃基金資助項目(2013QK104)；云南省質量技術監(jiān)督局科技計劃基金資助項目(2013ynzjkj102)

祝奔奔(1993-），男，江西上饒人，碩士研究生，主要研究方向：新型傳感器技術；萬舟(1960-），男，云南昆明人，副教授，碩士，主要從事有機材料PVDF力學傳感器、特殊傳感器和生產過程自動化系統(tǒng)研究。