【光伏技術】基於ZigBee的光伏電站環境實時監測系統

袁穎，孫榮霞，李瑞，王碩南

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002）

摘要：為了監測和研究環境參數對光伏電站的影響，提出了一種基於ZigBee的光伏電站環境實時監測系統。以CC2530晶元為控制核心實現了感測節點、路由節點和網關節點的硬體電路，且在ZSTACK協議棧基礎上，應用改進的ClusterTree演算法組成無線感測網路。利用網路計算機的Yeelink物聯網平台實現上位機監測，科研人員可遠程登錄Yeelink平台和手機APP查看光伏電站環境狀況。經實驗測試，該系統實現了光伏電站溫濕度、光照強度和氣壓信息的實時監測，數據可靠性高，且網關節點的數據收包率超過75%。

關鍵詞：光伏電站；ZigBee；實時監測；Yeelink

中圖分類號：TP182文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.010

引用格式：袁穎，孫榮霞，李瑞，等.基於ZigBee的光伏電站環境實時監測系統［J］.微型機與應用，2017,36（3）：33-35，38.

0引言

太陽能電池生產關鍵設備中射頻電源裝置的國產化研究(11213910D)目前，能源短缺和環境惡化成為制約各國經濟增長的重要因素。為了降低能源消耗，各國都在探索新能源技術，而光伏發電是新能源不可或缺的一部分。雖然的光伏發電技術已經取得了較大的研究成果，但仍有技術問題有待進一步研究［1］，其中一個關鍵問題是提高光伏發電轉化率。光伏電池的光電轉化過程會受溫濕度、光照強度等環境參數的影響，而面向科研人員研究光伏發電轉化率的環境數據十分匱乏，嚴重製約了光伏技術的發展。此外，國內的光伏電站多建立在偏遠地區，一般在無人值守的情況下運行，而光伏電站的環境監測系統更是在建設之初就固定安裝，移動拆卸都不方便，也無法全面地對周圍環境進行監測［2］。基於此，為了提高光伏發電環境數據傳輸的準確性和實時性，同時便於研究人員對監測數據的綜合管理、分析，本文設計並實現了基於物聯網技術和ZigBee技術的實時監測系統，可多點採集光伏電站的溫濕度、光強和氣壓信息，並進行遠程實時監測。

1系統概述

本系統包括無線感測網路和遠程控制中心兩部分。ZigBee無線感測網路包括1個網關節點、多個路由器節點和多個感測節點［3］。在ZigBee協議規範中，網路拓撲結構包括星型、網狀和樹狀結構。本設計為了提高WSN數據傳輸的可靠性，降低網路的複雜度，採用了樹狀拓撲結構。遠程控制中心主要包括Yeelink物聯網平台和監測終端，系統結構框圖如圖1所示。

系統通過感測節點採集光伏電站現場的溫濕度、光照強度和壓力信息，經過電路處理，通過ZigBee模塊將數據轉發給路由節點；路由節點主要完成數據的轉發，實現遠距離通信。感測節點和路由節點的數量可根據環境需求靈活配置。網關節點負責建立和管理網路［4］，把接收到的數據利用串口通信發送到Yeelink平台。監測人員在監控室利用計算機或通過移動監測終端遠程登錄Yeelink平台就可直接對現場環境進行監測，無需到現場。

2節點硬體設計

節點硬體設計採用模塊化的設計思想，以CC2530晶元作為主控晶元設計了各個節點。節點結構主要包括ZigBee模塊、採集模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及電源模塊，節點硬體結構如圖2所示。

本系統各個節點的ZigBee模塊選用了增強型晶元CC2530的最小系統，CC2530不僅作為ZigBee模塊的核心晶元實現採集數據信息的無線通信，同時也作為微處理器進行控制。本系統選用的是CC2530F256，其內部集成了高性能的2.4 GHz的RF收發器和低功耗的工業級的8051微控制器［5］；其在接收和發射模式下，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用場合。由於CC2530功耗低、集成度高、硬體設計簡單且外設介面豐富，在無線感測網路中得到了廣泛的應用。此模塊增加了數據存儲電路，用於存放採集的信息，以便在數據傳輸過程中出現數據丟失的情況時可調取存儲的內容重新發送。其電路如圖3所示。

2.2採集模塊

採集模塊通過感測器收集電站現場的溫濕度、光照強度以及壓力參數，而參數信息的準確程度對科研人員及時獲取環境參數有著重要作用。本設計以成本低、精度高和穩定性好為原則，選用了數字溫濕度感測器SHT11、光敏電阻5516和高解析度數字氣壓感測器MS5611-01BA03，所選用感測器的技術參數如表1所示。

2.3LCD顯示模塊

本系統中現場終端節點和協調器節點的數據顯示均選擇的是ZLE12864A液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊實現日期、時間、溫度值、濕度值、光照強度值、氣壓值的實時顯示。本設計中顯示模塊採用3.3 V電源供電，其與主控晶元採用串列通信方式［6］，液晶電路控制晶元為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正常工作的關鍵。由於系統各個電路需3.3 V供電，而各個節點使用5 V干電池供電，利用LM117穩壓晶元將5 V電壓轉換成3.3 V，電源模塊電路圖如圖4所示。

3系統軟體實現

3.1ZigBee路由演算法

本設計應用了改進的ClusterTree路由演算法，傳統的ClusterTree演算法不需要存儲路由表，演算法簡單，但是僅依靠節點間存在的父子關聯來轉發分組，使平均時延、跳數都增加［7］。在傳統演算法基礎上引入鄰居表，通過計算當前節點到目標節點間的跳數並鄰居節點到目標節點的跳數進行對比，在把數據傳遞到鄰居節點和直接沿目標節點傳送兩條路徑中選取更優的，演算法具體流程如圖5所示（Ds為源節點的網路深度，Dd為目標節點的網路深度）。數據傳輸過程中，重複使用改進演算法進行計算，直到到達目標節點。改進的ClusterTree演算法引入了鄰居表結合計算節點之間跳數的機制，在節點發送或轉發數據包前對兩類節點的跳數計算對比，來尋找一條跳數小的傳送路徑。改進演算法有效地降低了能耗，並且提高了數據傳輸效率。

3.2節點軟體實現

網關節點是無線感測網路的核心，負責組建樹狀網路，接收、處理和發送所有信息以及指令。網關節點啟動，並對系統進行初始化，然後掃描一個合適的通道並組建無線感測網路［8］。組網成功后，開始接收節點傳送的數據並傳送給Yeelink平台，再向節點發送指令。

感測節點負責電站現場溫濕度、光強和氣壓信息的採集和傳輸。節點上電啟動並初始化后，掃描網路通道，並請求加入掃描到的無線網路。成功入網后，開始信息採集和發送。採集節點設定為周期工作模式，如果無需採集數據，則進入休眠狀態，以降低能耗。

3.3Yeelink平台對接

隨著物聯網技術的快速進步，物聯網公共服務平台逐漸被用來儲存和管理感測器數據信息，並將數據通過電腦、手機APP實時地顯示給用戶。Yeelink是國內使用比較廣泛的一個平台，本設計運用Yeeink平台實現數據的顯示和儲存以及環境的控制，利用Yeelink平台提供的Yeelink串口工具和網路計算機COM2口實現與物聯網平台通信。

4測試及結果分析

系統搭建完成後，進行系統試驗，主要測試內容為系統測量準確度、網關節點的收包率，以及系統運行的穩定性。為了保證試驗順利進行，試驗是針對實驗室環境進行監測；測試對象為室內空氣的溫濕度、光照強度和氣壓；在室內放置3個感測節點。試驗從2015年3月11日開始，由於實驗環境的限制，採用加濕器、模擬光源和空調來調節溫濕度和光強。

以溫度為例進行測試與分析，感測節點採用了SHT11溫濕度感測器（精度±0.4℃，±3.0%相對濕度），比對試驗採用川儀的攜帶型溫濕度計（精度±0.1℃，±0.1%相對濕度），從圖6中的溫度對比結果看，系統採集的溫度參數對比溫濕度計數值相差較小，溫度誤差保持在±0.5℃內，可以滿足光伏電站使用。

圖6溫度對比試驗曲線圖通過對比測試可知，系統的溫度誤差保持在±0.5℃內，濕度誤差保持在±1.8%內。氣壓對比試驗採用370數字式標準氣壓計，氣壓差保持在±1.4 hPa左右。當節點間距離在80 m以內，網關節點的數據收包率在75%以上，當距離超過80 m，收包率大幅下降，因此在布網時，為了保證數據的傳輸可靠性，節點間距離最多不超過80 m。通過連續試驗，系統可及時反映採集的環境參數信息，並且可通過監測終端遠程登錄Yeelink平台查看環境信息。

5結束語

為了實時監測光伏電站的環境信息，設計了基於ZigBee的環境參數實時監測系統。本系統以CC2530為控制核心設計了各個節點硬體電路和軟體程序。同時，採用改進的ClusterTree演算法節約了網路資源，降低了能耗，最終搭建了一個組網靈活、安裝方便、功耗低的監測系統，實現了光伏電站的溫濕度、光照度和氣壓參數的實時監測。經過測試，採集數據可靠性高，系統穩定可靠，且具有很強的擴展性，可將天氣或其他數據接入系統，具有一定的實際推廣價值。

參考文獻

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［3］ Zigbee Alliance［DB/OL］. （2013-12-14）［2016-10-05］.http://contech.suv.ac.kr/contech/courses/11h2wsn/095262r 00ZB_rf4ce_scZigBee_RF4CE_Specification_public.pdf

［4］ 陳克濤,張海輝,張永猛，等. 基於CC2530的無線感測器網路網關節點的設計［J］. 西北農林科技大學學報(自然科學版),2014,42(5):183-188.

［5］ 王鑫,潘賀. 基於CC2530的ZigBee無線溫濕度監測系統［J］. 農機化學報, 2014,35(3):217-220.

［6］ 王素青,吳超.基於CC2530的環境監測系統的設計與實現［J］. 計算機測量與控制, 2015,23 (8):2650-2653.

［7］ 曹越,胡方明,黨妮. ZigBee網路CluterTree優化路由演算法研究［J］. 單片機與嵌入式系統應用, 2012,12 (10):4-7.

［8］ 馮陳偉,張璘,袁江南. 基於ZigBee與安卓的智能遠程監控系統的設計［J］. 電視技術,2015,39 (20):38-42.