袁 穎，孫榮霞，李 瑞，王碩南

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)*

袁 穎，孫榮霞，李 瑞，王碩南

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

為了監(jiān)測和研究環(huán)境參數(shù)對(duì)光伏電站的影響，提出了一種基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530芯片為控制核心實(shí)現(xiàn)了傳感節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件電路，且在Z-STACK協(xié)議?；A(chǔ)上，應(yīng)用改進(jìn)的Cluster-Tree算法組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)測，科研人員可遠(yuǎn)程登錄Yeelink平臺(tái)和手機(jī)APP查看光伏電站環(huán)境狀況。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏電站溫濕度、光照強(qiáng)度和氣壓信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)可靠性高，且網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收包率超過75%。

光伏電站；ZigBee；實(shí)時(shí)監(jiān)測；Yeelink

0 引言

目前，能源短缺和環(huán)境惡化成為制約各國經(jīng)濟(jì)增長的重要因素。為了降低能源消耗，各國都在探索新能源技術(shù)，而光伏發(fā)電是新能源不可或缺的一部分。雖然我國的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)取得了較大的研究成果，但仍有技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究[1]，其中一個(gè)關(guān)鍵問題是提高光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化率。光伏電池的光電轉(zhuǎn)化過程會(huì)受溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的影響，而面向科研人員研究光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化率的環(huán)境數(shù)據(jù)十分匱乏，嚴(yán)重制約了光伏技術(shù)的發(fā)展。此外，國內(nèi)的光伏電站多建立在偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般在無人值守的情況下運(yùn)行，而光伏電站的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)更是在建設(shè)之初就固定安裝，移動(dòng)拆卸都不方便，也無法全面地對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測[2]?；诖?，為了提高光伏發(fā)電環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)便于研究人員對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理、分析，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和ZigBee技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可多點(diǎn)采集光伏電站的溫濕度、光強(qiáng)和氣壓信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制中心兩部分。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)[3]。在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型、網(wǎng)狀和樹狀結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)為了提高WSN數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，采用了樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程控制中心主要包括Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和監(jiān)測終端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過傳感節(jié)點(diǎn)采集光伏電站現(xiàn)場的溫濕度、光照強(qiáng)度和壓力信息，經(jīng)過電路處理，通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。傳感節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)環(huán)境需求靈活配置。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)[4]，把接收到的數(shù)據(jù)利用串口通信發(fā)送到Y(jié)eelink平臺(tái)。監(jiān)測人員在監(jiān)控室利用計(jì)算機(jī)或通過移動(dòng)監(jiān)測終端遠(yuǎn)程登錄Yeelink平臺(tái)就可直接對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，無需到現(xiàn)場。

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，以CC2530芯片作為主控芯片設(shè)計(jì)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要包括ZigBee模塊、采集模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及電源模塊，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 ZigBee模塊

本系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊選用了增強(qiáng)型芯片CC2530的最小系統(tǒng)，CC2530不僅作為ZigBee模塊的核心芯片實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)信息的無線通信，同時(shí)也作為微處理器進(jìn)行控制。本系統(tǒng)選用的是CC2530F256，其內(nèi)部集成了高性能的2.4 GHz的RF收發(fā)器和低功耗的工業(yè)級(jí)的8051微控制器[5]；其在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA，特別適合要求電池長期供電的超低功耗應(yīng)用場合。由于CC2530功耗低、集成度高、硬件設(shè)計(jì)簡單且外設(shè)接口豐富，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。此模塊增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，用于存放采集的信息，以便在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況時(shí)可調(diào)取存儲(chǔ)的內(nèi)容重新發(fā)送。其電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

2.2 采集模塊

采集模塊通過傳感器收集電站現(xiàn)場的溫濕度、光照強(qiáng)度以及壓力參數(shù)，而參數(shù)信息的準(zhǔn)確程度對(duì)科研人員及時(shí)獲取環(huán)境參數(shù)有著重要作用。本設(shè)計(jì)以成本低、精度高和穩(wěn)定性好為原則，選用了數(shù)字溫濕度傳感器SHT11、光敏電阻5516和高分辨率數(shù)字氣壓傳感器MS5611-01BA03，所選用傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

2.3 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)中現(xiàn)場終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示均選擇的是ZLE12864A液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)日期、時(shí)間、溫度值、濕度值、光照強(qiáng)度值、氣壓值的實(shí)時(shí)顯示。本設(shè)計(jì)中顯示模塊采用3.3 V電源供電，其與主控芯片采用串行通信方式[6]，液晶電路控制芯片為ST7565P。顯示模塊引腳連接為SCLK→CC2530(P1.5)、MOSI→CC2530(P1.6)、Pin12→CC2530(P1.2)、Pin13→RST和Pin14→CC2530(P0.0)。

2.4 電源模塊

電源模塊是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)各個(gè)電路需3.3 V供電，而各個(gè)節(jié)點(diǎn)使用5 V干電池供電，利用LM117穩(wěn)壓芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，電源模塊電路圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee路由算法

本設(shè)計(jì)應(yīng)用了改進(jìn)的Cluster-Tree路由算法，傳統(tǒng)的Cluster-Tree算法不需要存儲(chǔ)路由表，算法簡單，但是僅依靠節(jié)點(diǎn)間存在的父子關(guān)聯(lián)來轉(zhuǎn)發(fā)分組，使平均時(shí)延、跳數(shù)都增加[7]。在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上引入鄰居表，通過計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)并鄰居節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在把數(shù)據(jù)傳遞到鄰居節(jié)點(diǎn)和直接沿目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送兩條路徑中選取更優(yōu)的，算法具體流程如圖5所示(Ds為源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度，Dd為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度)。數(shù)據(jù)傳輸過程中，重復(fù)使用改進(jìn)算法進(jìn)行計(jì)算，直到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。改進(jìn)的Cluster-Tree算法引入了鄰居表結(jié)合計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)的機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包前對(duì)兩類節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)計(jì)算對(duì)比，來尋找一條跳數(shù)小的傳送路徑。改進(jìn)算法有效地降低了能耗，并且提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖5 ZigBee路由算法流程

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)組建樹狀網(wǎng)絡(luò)，接收、處理和發(fā)送所有信息以及指令。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后掃描一個(gè)合適的信道并組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)[8]。組網(wǎng)成功后，開始接收節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)并傳送給Yeelink平臺(tái)，再向節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。

傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)電站現(xiàn)場溫濕度、光強(qiáng)和氣壓信息的采集和傳輸。節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)并初始化后，掃描網(wǎng)絡(luò)信道，并請(qǐng)求加入掃描到的無線網(wǎng)絡(luò)。成功入網(wǎng)后，開始信息采集和發(fā)送。采集節(jié)點(diǎn)設(shè)定為周期工作模式，如果無需采集數(shù)據(jù)，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低能耗。

3.3 Yeelink平臺(tái)對(duì)接

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)平臺(tái)逐漸被用來儲(chǔ)存和管理傳感器數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)通過電腦、手機(jī)APP實(shí)時(shí)地顯示給用戶。Yeelink是國內(nèi)使用比較廣泛的一個(gè)平臺(tái)，本設(shè)計(jì)運(yùn)用Yeeink平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和儲(chǔ)存以及環(huán)境的控制，利用Yeelink平臺(tái)提供的Yeelink串口工具和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)COM2口實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信。

4 測試及結(jié)果分析

系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，主要測試內(nèi)容為系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的收包率，以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，試驗(yàn)是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；測試對(duì)象為室內(nèi)空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度和氣壓；在室內(nèi)放置3個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)從2015年3月11日開始，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，采用加濕器、模擬光源和空調(diào)來調(diào)節(jié)溫濕度和光強(qiáng)。

以溫度為例進(jìn)行測試與分析，傳感節(jié)點(diǎn)采用了SHT11溫濕度傳感器(精度±0.4℃，±3.0%相對(duì)濕度)，比對(duì)試驗(yàn)采用川儀的便攜式溫濕度計(jì)(精度±0.1℃，±0.1%相對(duì)濕度)，從圖6中的溫度對(duì)比結(jié)果看，系統(tǒng)采集的溫度參數(shù)對(duì)比溫濕度計(jì)數(shù)值相差較小，溫度誤差保持在±0.5℃內(nèi)，可以滿足光伏電站使用。

圖6 溫度對(duì)比試驗(yàn)曲線圖

通過對(duì)比測試可知，系統(tǒng)的溫度誤差保持在±0.5℃內(nèi)，濕度誤差保持在±1.8%內(nèi)。氣壓對(duì)比試驗(yàn)采用370數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)，氣壓差保持在±1.4 hPa左右。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離在80 m以內(nèi)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收包率在75%以上，當(dāng)距離超過80 m，收包率大幅下降，因此在布網(wǎng)時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，節(jié)點(diǎn)間距離最多不超過80 m。通過連續(xù)試驗(yàn)，系統(tǒng)可及時(shí)反映采集的環(huán)境參數(shù)信息，并且可通過監(jiān)測終端遠(yuǎn)程登錄Yeelink平臺(tái)查看環(huán)境信息。

5 結(jié)束語

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏電站的環(huán)境信息，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)以CC2530為控制核心設(shè)計(jì)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件電路和軟件程序。同時(shí)，采用改進(jìn)的Cluster-Tree算法節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，降低了能耗，最終搭建了一個(gè)組網(wǎng)靈活、安裝方便、功耗低的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光伏電站的溫濕度、光照度和氣壓參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。經(jīng)過測試，采集數(shù)據(jù)可靠性高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可將天氣或其他數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，具有一定的實(shí)際推廣價(jià)值。

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Real-time monitoring system for photovoltaic power station environment based on ZigBee

Yuan Ying, Sun Rongxia, Li Rui, Wang Shuonan

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China)

In order to monitor and research influence of environmental parameters on photovoltaic power station, this paper presents a real-time monitoring system of photovoltaic power station based on ZigBee. With chip CC2530 as controller, the hardware circuit of sensor nodes, routing nodes and gateway node is realized. And the improved Cluster-Tree routing algorithm is used to form the WSN based on Z-STACK protocol. By using the Yeelink, an Internet of Things platform, to achieve upper computer’s monitoring, managers can log on Yeelink platform or APP in phone to remotely view the photovoltaic power station environment information. The experimental results show that the system can realize the real-time monitoring of air temperature, humidity, light intensity and air pressure of power station with high data reliability, and the data receiving rate of gateway node is over 75%.

photovoltaic power station; ZigBee; real-time monitoring; Yeelink

國家級(jí)光伏技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心項(xiàng)目(2016GFJG005)；太陽能電池生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備中射頻電源裝置的國產(chǎn)化研究(11213910D)

TP182

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.010

袁穎，孫榮霞，李瑞，等.基于ZigBee的光伏電站環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(3)：33-35，38.

2016-10-12)

袁穎 (1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E-mail：651648322@qq.com。

孫榮霞(1960-)，女，正高級(jí)工程師，主要研究方向：分析儀器、環(huán)境監(jiān)測、太陽能電池檢測技術(shù)及自動(dòng)化裝置。

李瑞(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)。