李新建

（國網懷化供電公司 懷化 361024）

1 引言

隨著化石能源的不斷銳減，能源緊缺已經成為制約現代社會持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一［1］，而太陽能具有取之不盡、用之不竭的特點并且對環(huán)境的破壞性極低，自然成為了各國重點發(fā)展的清潔能源。隨著大量光伏電站裝機數量的增加，其規(guī)模也越來越大，因此，電站管理和運行也必須向智能化、信息化邁進［2］。目前光伏電池組件監(jiān)測主要采用電力線載波通信［3］、無線傳感器網絡［4］、電話線通信［5］、RS-485總線［6］、光纖通信［7］以及電纜通信［8］等通信技術進行數據傳輸。無線傳感器網絡是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，這些傳感器形成一個多跳的移動自組織網絡。ZigBee是一種工作在868/915MHz和2.4GHz頻段的無線通信技術，通信速率能達到20KB/s～250KB/s，具有低功耗、低成本和中等傳輸距離的特性，在物聯網領域應用非常廣泛［9］。

本研究設計將ZigBee網絡用于光伏電池組件運行參數的傳輸，從而克服現有電站監(jiān)控方案布線復雜、成本較高并且難以在惡劣偏遠環(huán)境中使用的弊端。光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點作為ZigBee網絡的基本組成單元，其重要性不言而喻，所以設計一款能用于光伏電池組件監(jiān)測并且支持ZigBee網絡的節(jié)點具有較高的工程實踐價值。

2 監(jiān)測節(jié)點的硬件設計

2.1 總體結構設計

無線傳感器網絡節(jié)點作為整個無線傳感網絡的感知層，對系統所需要監(jiān)測的物理量進行采集［10］，其主要包括處理器和無線通信模塊、供電模塊以及采集模塊。為提高節(jié)點的可擴展性以及降低各模塊間的信號干擾，本文設計的光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點由核心板和擴展板組成，核心板包含CC2530芯片及其外圍電路、天線等，主要功能是實現同各模塊的數據交互，而擴展板是針對特定的功能需求而設計的，其主要完成供電和電壓、電流以及溫濕度的采集等功能［11］。核心板和擴展板之間使用兩個排針接口實現彼此的通訊，供電模塊為處理器和無線通信模塊以及采集模塊提供電源功能，具體的節(jié)點系統結構框圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點系統結構框架圖

2.2 核心板的硬件設計

光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點核心板主要包括處理器與無線通信模塊，由CC2530芯片及其外圍電路等組成。這里選擇CC2530F256型號芯片，CC2530F256包括了性能優(yōu)越的RF收發(fā)器、工業(yè)標準增強性8051MCU，可編程128KB的閃存、8KBRAM以及許多其他功能強大的特性并且能根據需要切換不同的運行模式，具備低能耗、較強的抗干擾性、較好的接收信號能力的優(yōu)點［12］。CC2530工作需要兩個晶振，第一個為32.068KHz，在節(jié)點休眠模式時作為CC2530芯片的時鐘源；第二個為32MHz，該時鐘在節(jié)點進行無線數據收發(fā)時使用。而對于其無線收發(fā)部分主要采用巴倫匹配電路［13］來優(yōu)化射頻部分性能，天線部分選擇帶SMA轉接口的桿狀天線，設計制作得到的實物圖如下圖2所示：

圖2 節(jié)點核心板實物圖

2.3 擴展板的硬件設計

2.3.1 供電模塊的設計

由于考慮到光伏組件在逆變前可以提供穩(wěn)定的直流電壓，所以使用降壓電路來對節(jié)點進行供電。節(jié)點芯片工作電壓為3.3V，而電站提供的電壓為5～40V左右，可以先利用LM2596-5.0降壓到5V，再由AMS1117-3.3將電壓穩(wěn)定至3.3V，降壓電源模塊電路如圖3所示。

圖3 降壓電源模塊電路

2.3.2 采集模塊電路的設計

單塊光伏電池板最大輸出電壓為40V，而CC2530ADC參考電壓為內部電壓1.15V，所以采集電池板電壓時應該對采集電壓進行分壓，考慮到ADC輸入電壓應該在該電壓范圍內，所以選擇的分壓比暫選為1/40，圖中 R22取22kΩ，R33取18kΩ，R44和R55取1kΩ，P0_6為電壓采樣的通道，采樣的電壓由以下公式確定，若設Vso為采樣電壓，Vin為光伏電池組件瞬時輸入電壓：其輸出電壓由式（1）確定。

將上述取值帶入式（1）可得Vout=Vin/40，這樣便可保證P0_6口的采樣電壓在CC2530的參考電壓范圍之內，電流和電壓采樣電路圖如圖4所示。

圖4 電壓采樣電路

而對于電流采樣，通過將電流轉化成電壓進行測量，需選用合適的采樣電阻。電池板工作的最大輸出電流為6A左右，選用阻值為0.1Ω的康銅絲為采樣電阻可滿足條件［14］。R66為采樣電阻，P0_7為電流采樣IO口，其電壓由式（2）確定：

代入上述數值可得Vio=0.1Iio，這樣就可以保證采集的電壓值在測量范圍內。

對于溫濕度的采集，通過P2_0口進行采集，本次設計采用DHT11溫濕度傳感器，其具備全部校準、數字輸出的特性和卓越的長期穩(wěn)定性，響應較快，抗干擾能力強，同時能耗較低。分析其測量范圍、測量精度以及轉換速率可知，DHT11能夠滿足節(jié)點的采集需求。

2.3.3 擴展板外圍其它電路

擴展板外圍電路還包括IO口擴展電路、USB轉串口驅動電路、JTAGDeBug電路等。綜合以上原理圖電路并進行節(jié)點PCB設計后，加工得到的整個節(jié)點實物圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點實物圖

3 監(jiān)測節(jié)點的軟件設計

在此次節(jié)點設計中，光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點的軟件設計基于ZigBee協議棧（Z-Stack）進行開發(fā)［15］，簡化了節(jié)點軟件開發(fā)的流程，縮短了開發(fā)周期，也使節(jié)點網絡更加穩(wěn)定可靠。本設計中的協調器節(jié)點主要有兩個任務：一是負責建立ZigBee網絡并維護網絡的正常工作；二是可以接收終端采集節(jié)點的數據，并且能夠接收串口傳過來的上位機控制命令并進行相對應的操作，最后在網絡內進行廣播或者發(fā)送到特定的節(jié)點，從而實現對網絡功能的控制，協調器程序流程圖如圖6所示。

圖6 協調器節(jié)點流程

傳感器節(jié)點主要負責數據的采集，并將采集的數據發(fā)送給協調器節(jié)點。采集節(jié)點上電復位后，進行節(jié)點初始化操作，掃描可用的信道來尋找協調器節(jié)點，如果發(fā)現可用網絡，則發(fā)送加入網絡申請［16］。在沒有數據請求的時候，傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，而一旦有了數據請求，傳感器節(jié)點馬上被喚醒，進行工作狀態(tài)［17］。首先對數據請求命令解析并回應，然后再進行傳感器的啟動、數據的采集和發(fā)送等，發(fā)送完畢后節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，等待下一個數據請求命令。采集節(jié)點工作流程圖如圖7所示。

圖7 采集節(jié)點流程圖

4 節(jié)點的測試和分析

節(jié)點的測試主要分為三部分：第一是采集節(jié)點能否實現電池板自降壓供電，第二是節(jié)點的組網測試以及通過組網采集到的光伏電池組件運行數據是否準確，第三是確定節(jié)點在無障礙和有障礙條件下的通信距離。通過自定義的請求關鍵字來實現對采集節(jié)點不同功能的控制，具體的自定義請求關鍵字定義如表1所示。

表1 自定義的請求關鍵字

上位機發(fā)送上述控制指令到協調器，協調器收到指令后，將其轉換成采集節(jié)點能夠識別的控制命令，采集節(jié)點收到命令并加以判斷后，將采集到的數據按照自定義的通信包格式發(fā)送到協調器，再通過RS232串口上傳至上位機，最后借助串口調試工具判斷節(jié)點組網是否成功以及采集到的數據是否準確可靠，測試系統實物圖如圖8所示。

圖8 測試系統實物圖

考慮到直接利用光伏電池組件直接降壓對節(jié)點進行供電，可以最大限度地規(guī)避功耗對節(jié)點壽命的影響并降低節(jié)點部署成本。為達到在電池組件電壓的可能輸出范圍內，本次測試利用穩(wěn)壓源模擬光伏電池板對節(jié)點進行供電，其測試結果如表2所示。

表2 節(jié)點供電測試結果

由上表可知，節(jié)點在輸入電壓5V～40V能夠實現供電正常，滿足光伏電池組件的供電需求。約定協調器收到采集返回反饋關鍵字：（ZE30K），表明通信鏈路測試成功，同理，反復采集光伏電池組件的瞬時電壓、瞬時電流以及溫濕度，取其平均值作為測量值并同實際測量設備采集的數據進行對比，分析得到的數據采集結果如表3所示。

表3 節(jié)點數據采集結果

所以節(jié)點采集的光伏電池組件運行參數誤差較小，可以滿足實際需求。為方便之后網絡中監(jiān)測節(jié)點和光伏電池組件物理位置的間隔距離的設置，需確定節(jié)點的最大通信距離。以協調器為中心，設置好采樣周期，采集節(jié)點向協調器節(jié)點發(fā)送用于測試的確認信息，并不斷拉大采集節(jié)點和協調器節(jié)點的距離，反復測試協調器節(jié)點與采集節(jié)點在有障礙和無障礙情況下的通信情況。在開闊的道路上反復進行上述實驗，得到其無障礙下的節(jié)點通信距離測試結果表，如表4所示。

表4 無障礙節(jié)點通信測距結果

為模擬有障礙下的節(jié)點通信距離測試，將協調器節(jié)點置于密閉的實驗室內，而采集節(jié)點置于外面的走廊，然后重復上述經驗，得到節(jié)點在有障礙條件下的測試結果，如表5所示。

表5 有障礙節(jié)點通信測距結果

由于實物的遮擋會對節(jié)點通信距離的測試產生一定的影響，造成節(jié)點在傳輸過程中的能量損耗，使得節(jié)點通信距離限制在50m以內。由調研可知，單塊節(jié)點板間的距離不會超過40m，所以搭建的ZigBee網絡的傳輸性能可以滿足光伏電池組件監(jiān)測的實際需求。

5 基于LabVIEW的上位機設計

LabVIEW是一種圖形化編程語言，其內部集成了支持GPIO、RS232、RS485和TCP/IP等協議的庫函數，可以非常方便地對特定數據進行采集、分析、傳輸以及存儲等操作。根據太陽能光伏電池組件的監(jiān)控需求，監(jiān)控系統上位機主要實現以下幾個功能：

1）數據采集。由上文的節(jié)點設計要求可知，光伏電池組件運行監(jiān)測需要實時采集其瞬時電壓、瞬時電流以及環(huán)境的溫濕度等四個物理參數，并對采集到的數據進行顯示。

2）組件運行狀態(tài)監(jiān)控。上位機監(jiān)控系統需要對采集到的電池組件工作參數進行判斷，如超出某個閾值即報警，并通知電站工作人員及時對問題組件進行維修更換。

3）組件運行數據的存儲。電站工作人員需要對某一時間段的光伏電池組件進行分析，以優(yōu)化電站運行效率，所以存儲電池組件的相關運行參數是非常有必要的。

根據以上功能要求，基于LabVIEW實現的上位機界面如圖9所示，主要用于對光伏電池組件運行參數進行實時的顯示、數據的存儲和查詢以及對異常情況報警等。上述界面包括以下幾個部分：界面選擇、串口設置、電壓和電流正常輸入范圍的設置、控制面板、實時時間顯示以及各參數顯示、存儲以及查詢等。

圖9 監(jiān)控系統上位機界面

6 結語

綜上所述，針對當前光伏電站電池板存在的問題以及現有監(jiān)控方案的局限性，本文設計并實現了一種基于ZigBee的無線光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點，并對其進行了自供電測試、節(jié)點間的無線組網測試、數據采集測試以及節(jié)點間的通信距離測試。實驗證明，該節(jié)點能夠穩(wěn)定可靠地工作，而且采集的電池組件輸出電壓、電流以及溫濕度誤差較小，滿足光伏電池組件監(jiān)測節(jié)點的設計要求，可以用于對光伏電池組件進行監(jiān)測，而基于LabVIEW和ZigBee網絡構建的光伏電池組件監(jiān)控系統也具有一定的現實意義和應用價值。