基于ZigBee技術的光伏陣列監(jiān)測方案
太陽能(也稱光伏)電站大多是由數(shù)以百計、千計的光伏電池板組成的。光伏電站工作的穩(wěn)定性和輸出功率與光伏陣列是相關的，甚至與每一塊光伏電池板的工作狀 態(tài)相關。如何對龐大的光伏陣列進行監(jiān)測和故障診斷是維持光伏電站正常工作的首要問題。目前，光伏陣列的主要問題是熱斑現(xiàn)象。所謂的熱斑現(xiàn)象就是光伏電池板 中部分光伏電池單體由于長時間被遮擋，導致其產生的電流小于其他沒被遮擋的光伏電池單體產生的電流，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，這些被遮擋的光伏電池單體會帶 負電壓，成為電路中的負載，并以熱量形式消耗其他正常工作的光伏電池單體產生的功率，這種熱量的長時間積累會損壞光伏電池板的封裝材料，甚至破壞光伏電池 板的物理結構，并將造成永久損壞。
目前，光伏陣列的監(jiān)測方法主要有直接法和間接法。直接法是直接測量每塊電池板的電壓和電流，用總線技術將數(shù)據(jù)送入計算機判斷。該方法存在規(guī)劃布線、預設接 口、線路檢測、線路擴容等一系列與傳輸路徑有關的問題。間接法是通過測量電池的溫差來判斷電池的工作狀態(tài)。然而此種方法存在一些缺陷，如不能區(qū)分溫度相差 不明顯的狀態(tài)，實時性差，故障檢測的精度和效率取決于檢測設備(紅外熱像儀)的等級，不易實現(xiàn)在線故障分析和報警等等。
對比上述兩種監(jiān)測方法，利用無線傳感器網絡對光伏陣列進行監(jiān)測具有無可比擬的優(yōu)越性。無線傳感器網絡向三維空間傳送數(shù)據(jù)，中間無需導體介質，節(jié)省人力和維 護費。網絡自組織性和容錯性高，易于重新布網。監(jiān)測數(shù)據(jù)無人為干擾，所獲數(shù)據(jù)資料原始準確，有利于科學研究及系統(tǒng)后續(xù)改進與優(yōu)化。
該方案基于ZigBee技術的光伏陣列監(jiān)測系統(tǒng)，采用四信ZigBee設備組網。
1 項目架構實施方案
1. 1 系統(tǒng)組成
整個系統(tǒng)架構劃分為三層：采集終端層、數(shù)據(jù)傳輸層和應用管理層。采集終端層起執(zhí)行者的作用，包含監(jiān)測節(jié)點和中心節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的形式 傳輸給中心節(jié)點。中心節(jié)點負責將ZigBee監(jiān)測區(qū)域子網內的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層起代理人的作用，負責整合采集層上傳的數(shù)據(jù)并發(fā)送至應用管 理層。應用管理層主要是監(jiān)控中心，起決策者的作用，負責數(shù)據(jù)的分析判斷和系統(tǒng)的管理維護，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控查詢和預警。
1.1.1采集終端層設備
整個系統(tǒng)的正常運行需要實時監(jiān)控多個參數(shù)的運行狀況，采集終端層設備就是用于實現(xiàn)各個監(jiān)控節(jié)點的參數(shù)采集，例如，光伏組件電壓、電流采樣模塊負責采樣光伏 組件的電壓電流數(shù)值，判斷光伏組件是否發(fā)生故障，溫度、濕度、光照等傳感器負責采樣環(huán)境數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)優(yōu)化和光伏組件調整提供數(shù)據(jù)支持，采集終端層設備采集 到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給四信ZigBee傳輸設備，或者也可以通過四信ZigBee設備直接采集系統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)。
1.1.2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸設備
ZigBee數(shù)據(jù)傳輸層用的是四信F8914和F8114設備，在整個系統(tǒng)中用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道的建立，當ZigBee設備從采集終端層接收到數(shù)據(jù)或者 通過ZigBee采集到數(shù)據(jù)后，通過自組建的無線網絡傳輸發(fā)送到應用管理層，同時，應用管理層也可以通過ZigBee網絡對各個監(jiān)控節(jié)點發(fā)出控制指令，從 而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信以達到遙測、遙控的目的。
該方案中我們所采用的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸設備有兩種，一種是只有ZigBee的F8914，還有一種是帶ZigBee+GPRS的F8114，兩者的區(qū) 別在于F8914完全用ZigBee無線網來傳輸，而F8114可先通過ZigBee無線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點，中心節(jié)點使用F8114，然后F8114 再通過GPRS無線網絡發(fā)送到遠端應用管理層的監(jiān)控中心。
1.1.3 應用管理層
應用管理層主要為中心監(jiān)控系統(tǒng)，中心監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務器機組和平臺軟件主組成，當中心監(jiān)控系統(tǒng)接收到傳輸層發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進行各種分析，并根據(jù)分析結果進行各種控制操作，如發(fā)出告警信息、向終端監(jiān)控設備發(fā)出控制指令等。
1.2 網絡架構
根據(jù)應用管理層的監(jiān)控中心與現(xiàn)場光伏電池板陣列的距離，我們提出兩種網絡實施架構，當監(jiān)控中心就布設在光伏電池板陣列附近時，數(shù)據(jù)傳輸層采用ZigBee無線直接進行短距離數(shù)據(jù)傳輸接入，整個ZigBee無線網絡只采用F8914進行組建。
如下圖所示：
當中心監(jiān)控與光伏電池板陣列的距離較遠時，終端數(shù)據(jù)通過ZigBee設備F8914傳輸?shù)綆PRS的中心節(jié)點F8114上，然后中心節(jié)點F8114將ZigBee數(shù)據(jù)轉化為TCP/IP網絡數(shù)據(jù)，然后通過GPRS運營商網傳輸?shù)綉霉芾韺拥谋O(jiān)控中心。
組網如下圖：
當傳輸層中心節(jié)點F8114通過GPRS網絡將數(shù)據(jù)傳送到應用管理層的監(jiān)控中心時，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心網絡有多種網絡接入方式：
1、 中心采用APN專線，所有終端都采用內網固定IP，客戶中心通過一 條APN專線接入移動公司GPRS網絡，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間建立 GRE隧道。為客戶分配專用的APN，其他的用戶不得申請該APN。只有該專網內的SIM卡才能進入該APN，防止其他非法用戶的進入。用戶可以內部建立 RADIUS服務器，以保證用戶內部安全。用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。 此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下的最 佳組網方式。
2、控制中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態(tài)IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商聯(lián)系開通 動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網固定IP的 費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規(guī)模應用。
3、控制中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
1.3 其他組網方式
四信ZigBee設備不僅可以使用數(shù)據(jù)透明傳輸，同時支持IO采集，在該方案中，我們也可以使用ZigBee設備當作終端IO采集和數(shù)據(jù)傳輸。四信 ZigBee設備提供5路IO，3路模擬量輸入、2路數(shù)字量、脈沖輸入輸出。模擬量輸入為電壓量和電流量，電壓的輸入量程為0-5V，電流的輸入量程為 0-20mA，數(shù)字量輸入輸出的量程為0-3.3V，采集精度為12位。
四信ZigBee設備IO口采集數(shù)據(jù)時，需要將設備應用模式設置為AT或者API模式才可以，這種應用模式與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐競髂Ｊ絽^(qū)別在于，透傳模式，主要 用于數(shù)據(jù)的透傳，中心發(fā)送的數(shù)據(jù)以廣播的方式發(fā)送，不能指定終端，除非每次修改透傳地址；AT模式，用于數(shù)據(jù)采集端和接收端監(jiān)控模式，IO采集上報數(shù)據(jù)以 AT指令形式上報，同時AT模式下中心節(jié)點可使用AT+TXA=網絡地址，數(shù)值來指定發(fā)送給哪個ZigBee終端；API模式，與AT模式功能是一樣 的，API模式是采用16進制數(shù)發(fā)送的，而且發(fā)送的值都有校驗碼，異或和檢驗。
使用ZigBee設備IO口采集數(shù)據(jù)時，將設備應用模式設置為AT模式下，當IO口采集到數(shù)據(jù)時，有兩種上報數(shù)據(jù)模式，當上報時間設置為非0數(shù)值時，則為 主動上報，IO口采集的數(shù)據(jù)根據(jù)設置的每幾秒上報一次；當上報時間設置為0時，則為被動上報，需要上位機軟件發(fā)送指令AT+NVn=<網絡地址& gt; 來查看采集到的數(shù)據(jù)，模擬量采集需要根據(jù)公式換算之后才得到真正的值，
換算公式如下：
電壓 =（采集值）*3.3*20.16/(2047*12.1) (V)
3.3：電壓
20.16：電阻值 //內部用了兩個電阻 12.1（電阻1）+8.06（電阻2）
2047：ADC量程 2的11次方
12.1：電阻1
電流 =（采集值）*3.3*1000/(2047*150) （mA）
3.3：電壓
1000: mA單位轉換
2047：ADC量程 2的11次方
150：電阻值
同時，使用ZigBee設備IO采集時，上位機軟件需要根據(jù)四信的協(xié)議開發(fā)，也就是要根據(jù)說明書上的AT指令格式開發(fā)才可以。
2 方案特點
ZigBee以其靈活、可靠、易于布置等特點在許多領域得到了廣泛的應用。將其應用于光伏陣列監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點在于：
1、無線化，減少光伏陣列監(jiān)測系統(tǒng)的連線的復雜度。
2、成本低，ZigBee協(xié)議簡單且免收專利費。
3、智能化，各ZigBee節(jié)點自動搜索建立連接。
4、支持星型，樹型，網型網絡等多種網絡拓撲結構，最大網絡連接能力強，可支持65000個節(jié)點。
5、傳輸模塊采用工業(yè)級設計，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V)；工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC；儲存溫度 -40~+85ºC；相對濕度 95%(無凝結)；多重軟硬件看門狗設計，適用于油井野外工作。
6、ZigBee終端空曠視距離良好環(huán)境無線通信距離2000米。
7、ZigBee通訊不需要任何費，為整個項目節(jié)省大量的費用支出。
8、設備配置操作簡單，易懂 ，集成化程度高，技術成熟，安裝方便。
隨著需求的增長和技術的進一步成熟，ZigBee在各種遠程監(jiān)測應用中會有更為廣闊的應用前景。
3 方案總結
ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集穩(wěn)定、可靠、方便、實用。安裝費用低廉，維護簡單，無優(yōu)升級，不需要租用公網，也無須巨額運行費用。這是現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)的最優(yōu)解決方案。
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