祝奔奔，萬 舟

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

基于LabVIEW的光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝奔奔，萬 舟

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

針對光伏電站建設(shè)在偏僻地區(qū)，其管理監(jiān)控難度大的問題上，本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。將傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將其用串口與CC2430芯片相連組成傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，把采集的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)WiFi模塊進(jìn)行傳輸，利用路由節(jié)點(diǎn)來接收WiFi信號，最后將所得信號在LabVIEW監(jiān)控界面上顯示。結(jié)果表明，光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸數(shù)據(jù)迅速和實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度、風(fēng)速、電壓和電流的監(jiān)控。

光伏電站；實(shí)時(shí)監(jiān)控；傳感器；傳輸數(shù)據(jù)

0 引言

光伏發(fā)電具有無污染、安全性高、能源質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，受到了世界各地發(fā)電公司的重視。隨著國內(nèi)關(guān)于光伏發(fā)電的相關(guān)扶持政策的發(fā)布，光伏電站在越來越多的地方開始建設(shè)并投入使用。由于光伏電站建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，設(shè)備的運(yùn)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(hù)設(shè)備成本。實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏電站技術(shù)已成為推廣光伏發(fā)電應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

光伏電站建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，應(yīng)用因特網(wǎng)接入成本太高，且偏遠(yuǎn)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(jìn)一步普及。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對光伏電站的溫度、風(fēng)速、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行有的效采集方案，實(shí)現(xiàn)采集卡和上位機(jī)的聯(lián)系。運(yùn)用串口通信技術(shù)和ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。實(shí)現(xiàn)了對光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)具有操作簡單，響應(yīng)快，成本低等特點(diǎn)。

1 光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

太陽能電池中把光能轉(zhuǎn)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(qiáng)度和當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r等。因此，要監(jiān)控光伏電站的運(yùn)行情況需要采集以下數(shù)據(jù)：環(huán)境溫度、風(fēng)速、電壓和電流。監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示。

光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是由傳感模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、無線傳輸模塊及PC和監(jiān)控軟件構(gòu)成，最后由 LabVIEW 的開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的監(jiān)控界面。其中傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換的方式將模擬信號變成數(shù)字信號，將其用串口與 CC2430芯片相連組成傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，把采集的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)WiFi模塊進(jìn)行傳輸，再用路由節(jié)點(diǎn)來接收 WiFi信號，通過WiFi在路由節(jié)點(diǎn)之間相互傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，之后傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，最后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行顯示。PC機(jī)將接受到的數(shù)據(jù)處理后保存并及時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)各類參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(shù)字溫度傳感器，它是由DALLAS公司生產(chǎn)的，具有3個(gè)引腳，具有體積小，封裝形式好的特點(diǎn)；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(zhuǎn)換精度，DS18B20的測溫分辨率很高，可以達(dá)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(chǎn)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(bào)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(dāng)固體導(dǎo)體在周圍有磁場時(shí)，內(nèi)部有電流通過，導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電壓。霍爾電壓產(chǎn)生的電場力可以與洛倫茲力相互抵消，從而使得導(dǎo)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(gè)元件組成,包括聚磁環(huán)、霍爾元件以及放大調(diào)理電路。其中，聚磁環(huán)是由磁性鐵芯、一次側(cè)線圈、二次側(cè)線圈等組成[3]，如圖3所示。

（3）風(fēng)速傳感器的選型

光伏電站建設(shè)在沙漠或偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此風(fēng)速是影響光伏電站的因素之一，本文采用的風(fēng)速傳感器是鍍熱敏電阻器的風(fēng)速傳感器，可以在測量風(fēng)速的同時(shí)測量風(fēng)的溫度。測量風(fēng)速的范圍為0.05~120m/s，風(fēng)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(shù)中的射頻芯片CC2430，它總共有四種復(fù)位方式：RESET_N強(qiáng)制復(fù)位、上電復(fù)位（保持在復(fù)位狀態(tài)，直到電壓正常）、電壓不足復(fù)位（保持在復(fù)位狀，直到電壓恢復(fù)正常）、以及看門狗復(fù)位[4]，如圖4所示。

（2）串行通信RS232

圖2 溫度傳感器DS1820的內(nèi)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(shè)備中使用非常普遍，同時(shí)，采集遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)可用于串口通信協(xié)議的方式進(jìn)行傳輸。串行通信 RS232的結(jié)構(gòu)雖然簡單，卻能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信，可達(dá)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(diǎn)[5]。

圖3 霍爾電壓電流傳感器結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(shí)現(xiàn)串口即插即用。一般首次使用時(shí)需要對該模塊進(jìn)行配置，需要通過計(jì)算機(jī)的無線網(wǎng)卡連接USR-WIFI232-B的AP端口，并且用 WEB管理頁面進(jìn)行配置。設(shè)置中包含模式選擇選項(xiàng)，選擇 USR-WIFI232-B模塊工作模式為AP模式。打開上位機(jī)終端，選擇客戶機(jī)模式，輸入自動(dòng)分配給USRWIFI23-B的地址和服務(wù)器端口號，點(diǎn)擊連接建立TCP連接，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)[5]。

3 Z igBee技術(shù)與系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 Z igBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而延伸出的無線通訊技術(shù)。適用于傳輸距離短、能耗低的無線通信。ZigBee技術(shù)有許多的特點(diǎn)，如：結(jié)構(gòu)簡單、自組織、耗能低、數(shù)據(jù)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(shù)[6]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)雖然是短距離傳輸，但具有良好的擴(kuò)展性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中不同類型的節(jié)點(diǎn)具有兩種，第一種是路由器節(jié)點(diǎn)，第二種是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器之間可相互傳輸，使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。本論文使用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸原理如圖5所示。

圖5 Z igBee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸原理Fig.5 Z igBee network remote transmission principle

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本論文采用的傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)框圖是由CC2430芯片、溫度傳感器、風(fēng)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(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)框圖Fig.6 Block diagram of sensor data acquisition

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)十分緊湊和復(fù)雜，其功能也是很強(qiáng)大。在傳輸數(shù)據(jù)領(lǐng)域，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)由傳感器節(jié)點(diǎn)收集的信息和外部網(wǎng)絡(luò)或終端用戶的連接。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的組成部分，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線設(shè)備之間的連接，可發(fā)送上層命令以及接收下面節(jié)點(diǎn)的請求和數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)電路原理如圖7所示，由CC2430、SP3223E及FT232RL構(gòu)成，SP3223E完成串口電平匹配，F(xiàn)T232RL完成串口轉(zhuǎn)USB接口的功能，可以使得網(wǎng)關(guān)方便的連接到 PC或筆記本。本系統(tǒng)使用的網(wǎng)關(guān)主要具備三項(xiàng)功能：

（1）創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收光伏電站中傳感器模塊各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

（2）將接收到的數(shù)據(jù)通過 RS232接口上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器中。

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

3.4 串口RS232與WiFi連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zig Bee與Wi Fi轉(zhuǎn)換選用SP3232，它是RS232收發(fā)器對于手持式應(yīng)用的一種解決方案。工作電壓為+ 3.0 ~ + 5.5 V，滿載時(shí)最小數(shù)據(jù)速率為120 k B /s，電源低至+ 2.7V，ESD保護(hù)驅(qū)動(dòng)程序使驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)Zig Bee數(shù)據(jù)到Wifi數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[2]。其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

3.5 Z igBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為三類，分別為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、樹形拓?fù)浜托切瓮負(fù)洹?/p>

（1）星形拓?fù)涫侨N形式中最簡單的一種，由一個(gè)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)和眾多的終端節(jié)點(diǎn)組成。

（2）樹形拓?fù)涫怯梢粋€(gè)協(xié)調(diào)者、眾多的路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成。

（3）網(wǎng)狀拓?fù)渫ㄟ^一個(gè)協(xié)調(diào)器和眾多的路由器和終端組成。與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥@種形式類似的是樹形拓?fù)涞男问?。但是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔⒙酚梢?guī)則是多變的、靈活。如圖9、10、11所示。

圖7 網(wǎng)關(guān)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?fù)鋱DFig.9 S tar topology

圖11 網(wǎng)狀拓?fù)鋱DFig.11 Topological graph of mesh

4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(yùn)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(yùn)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(shí)間，還有對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的功能[10]。

圖10 樹形拓?fù)鋱DFig.10 T ree topology

4.2 光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

光伏電站需要對環(huán)境溫度、風(fēng)速、電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了與之對應(yīng)的四種數(shù)據(jù)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(yuǎn)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(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)給出了詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)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?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集、信號的實(shí)時(shí)輸入和數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度、風(fēng)速、電壓和電流等數(shù)據(jù)的采集、傳輸和監(jiān)控。傳輸過程運(yùn)用WiFi模塊，使得監(jiān)控距離遠(yuǎn)，節(jié)省成本，還可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和調(diào)用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖12 遠(yuǎn)程監(jiān)控光伏電站總體設(shè)計(jì)程序框Fig.12 Remote monitoring photovoltaic power station overall design program box

圖13 遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2017，38（11）：49-54

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013QK104)；云南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)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(shù)；萬舟(1960-），男，云南昆明人，副教授，碩士，主要從事有機(jī)材料PVDF力學(xué)傳感器、特殊傳感器和生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)研究。