基于ZigBee無線采集的光伏節能減排顯示平臺設計

姚仲敏，潘　飛，于曉紅，吳紅霞

(1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱師范大學計算機與信息工程學院，黑龍江哈爾濱150025)

基于ZigBee無線采集的光伏節能減排顯示平臺設計

姚仲敏1，潘飛1，于曉紅2，吳紅霞1

(1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱師范大學計算機與信息工程學院，黑龍江哈爾濱150025)

針對本地1.5 kWp的分布式光伏電站尚未建立完善的數據采集系統和具有環保警示意義的節能減排顯示平臺,采用溫濕度傳感器和ZigBee模塊布設環境參量采集節點，實現光伏電站的環境參量實時采集、無線傳輸到監控中心上位機；光伏逆變器通過RS485總線與上位機通信進行發電數據的實時傳輸；環境參量和發電參量實時地顯示到上位機界面并且存儲到后臺數據庫，同時上位機控制LED點陣屏驅動模塊實現環境參量和發電參量以及對應換算的減排量信息的實時刷新，以實時客觀的節能減排數據來倡導人們“節能減排，保護環境”。

分布式光伏電站；溫濕度傳感器；ZigBee模塊；LED點陣

當前主要的發電方式是火力發電，火力發電需要消耗大量的煤炭、石油、天然氣等非可再生能源，不僅加劇了當前化石能源緊缺的現狀，同時化石能源大量燃燒會產生大量溫室氣體二氧化碳以及有害氣體二氧化硫、氮氧化合物等對環境造成巨大的威脅[1-2]。因此，現階段調整電力結構，尋求清潔無污染的新能源發電是一種必然選擇。太陽能憑借自身的儲量大、清潔無污染、易獲得等優勢逐漸成為世界各國的研究熱點[3-4]，太陽能光伏發電就是調整電力結構采用新能源發電的重要體現。

我國政府于2005年正式頒布了《可再生能源法》，2008年新的《節約能源法》正式施行，其第五章“激勵措施”明確提出通過財政補貼、實行稅收優惠等支持節能減排。2009年11月26日國務院常務會議上，對2020年控制溫室氣體排放提出了行動目標，會議決定到2020年我國單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。2011年國務院印發《“十二五”節能減排綜合性工作方案》，大力推廣可再生能源[5]。

鑒于本地1.5 kWp的小型分布式光伏電站并未建立完善的環境參量和發電參量數據采集系統，缺乏一種響應國家“節能減排”號召對人們具有警示意義的光伏發電節能減排實時顯示平臺，采用ZigBee技術設計了環境參量(溫濕度)采集節點實現光伏電站環境參量的實時傳輸，光伏逆變器通過485總線實時傳輸給上位機發電參量，環境參量和發電參量實時地顯示到上位機界面并且存儲到后臺數據庫，上位機控制LED點陣模塊實現環境參量和發電參量以及相應的減排量信息的實時刷屏顯示，以實時客觀的節能減排數據來警示人們“節能減排，保護環境”。

1　系統的整體方案設計

1.1系統的工作流程圖

圖1為本地1.5 kW光伏電站節能減排顯示平臺系統的總體工作流程圖。

圖1　光伏電站節能減排顯示平臺系統總體工作流程圖

如圖1所示，利用ZigBee的終端節點 (連接溫濕度傳感器)將光伏電站所處環境的溫濕度信息無線發送至ZigBee協調器節點，ZigBee協調器節點通過RS232與上位機連接，與此同時光伏電站通過逆變器并網，光伏電站的發電量數據通過逆變器RS485總線傳輸到上位機，這樣上位機界面就可以實時顯示溫濕度及發電量信息的功能。上位機與后臺數據庫連接實現實時數據存儲與查詢功能，為后續研究光伏電站的發電效率與環境參量的關系做數據支撐。上位機控制LED點陣顯示屏驅動模塊來實時刷屏顯示光伏電站工作環境參數和發電參數并將發電量換算成減碳量顯示在屏幕上，對人們起到環保、節能警示作用。

1.2系統的整體框圖

通過對整個顯示平臺的功能需求分析，系統的整體設計框圖如圖2所示。

圖2　系統整體框圖

由圖2可得系統主要由5部分組成：

(1)ZigBee節點通信：具體包括ZigBee終端節點與溫度傳感器和濕度傳感器連接組成溫濕度采集節點，利用ZigBee的無線通信功能將采集信息發送至協調器節點;

(2)逆變器接口：逆變器是光伏并網的核心部分，將光伏陣列輸出的直流電轉化成交流電，逆變器能夠智能換算出光伏電站不同時段的光伏發電量，通過RS485總線將發電量數據發送到上位機;

(3)上位機顯示界面：上位機界面可以實時顯示各種信息參數，包括溫度、濕度、發電量，而且與后臺數據庫連接可以實現數據存儲和查詢功能;

(4)數據庫：本設計中數據庫與上位機相連，分類存儲采集的實時溫度、濕度以及發電量數據;

(5)LED點陣顯示屏:本設計中LED點陣采用成本較低的雙色點陣拼接(16×4)而成，顯示的內容包括溫度、濕度、發電量、減碳量等信息，旨在宏觀上宣傳“節能減排”的光伏理念，倡導“綠色能源，節能減排”。

2　系統硬件設計

節能減排顯示平臺硬件系統按照各模塊功能的區別主要分為三個部分：ZigBee模塊、逆變器總線接口模塊、LED點陣顯示模塊。

2.1ZigBee模塊設計

ZigBee模塊主要包括ZigBee協議棧通信模塊、溫濕度傳感器模塊。本設計選用CC2530 ZigBee模塊，CC2530是專門針對于IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗，是基于增強型8051的微控制器，利用TI公司Zig-Bee協議棧Z-Stack編程可以更方便高效地實現各種無線通信組網方式[6-7]。

2.1.1溫濕度傳感器模塊

選用不銹鋼封裝的防水型DS18B20溫度探頭來測量環境溫度，該傳感器感溫范圍－55～+125℃，完全達到了本地區使用要求(本地區冬季最低溫度－30℃)。該溫度傳感器獨特的單總線接口節省了ZigBee模塊的IO口，不僅避免了信號的過多損耗，并且提高了系統的抗干擾能力，適合測量惡劣環境中的溫度，同時功耗很低[8]。

選用DHT11單總線數字溫濕度傳感器來測光伏電站環境濕度，DHT11是一款含有自校準功能、數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有超快響應、抗干擾能力強、成本低的優點[9]。單總線接口的設計，讓它與ZigBee模塊的終端連接更為簡單。DHT11濕度測量范圍是20%～90%RH，溫度測量范圍是0～50℃，本設計要測量光伏電站工作環境溫度和濕度，本來使用DHT11即可滿足要求測出溫濕度，但由于本地冬季室外氣溫最低可達到－30℃，而DHT11的感溫范圍是0～+50℃，因此就無法滿足測量要求。在本設計中使用DS18B20測量溫度，DHT11測得的參數僅保留濕度部分。

2.1.2ZigBee通信模塊

本設計選用2塊CC2530 ZigBee模塊，1塊作為溫濕度采集終端節點，1塊作為協調器節點與上位機連接，終端節點和協調器節點采用簡單的“點對點”通信即可滿足設計要求。CC2530通過IO口與DS18B20溫度傳感器和DHT11濕度傳感器的串行數據總線相連，實現溫濕度數據的實時傳輸給終端節點ZigBee模塊，然后經過“點對點”通信方式發送到協調器節點，最終在上位機界面實時顯示。

2.2逆變器總線接口模塊

本地1.5 kWp分布式光伏電站并網逆變器采用陽光有限公司SG1K5TL光伏逆變器，并網逆變效率可達95%，光伏逆變器RS485總線通過RS485/RS232轉換器與上位機進行通信，實時傳輸不同時間段的發電量數據，顯示到上位機界面。

2.3LED點陣顯示驅動模塊

本設計中LED點陣驅動采用行線作掃描線，列線作數據線的方式掃描，圖3即為LED點陣顯示驅動模塊工作原理圖。如圖3所示，采用STC12C5A60S2單片機控制LED點陣行驅動器和列驅動器，再由驅動器驅動點陣屏的每一行每一列。STC12C5A602S單片機有36個通用I/O口，大部分是可位控的，節省了LED顯示屏電路的端口，并且STC12C5A602S單片機有ISP串口和雙UART，使用UART可很容易地實現控制程序下載。

圖3　LED點陣顯示驅動模塊工作原理圖

3　系統軟件設計

顯示平臺系統的軟件設計主要包括ZigBee模塊軟件設計、上位機界面軟件設計和LED顯示屏驅動軟件設計。

3.1ZigBee模塊軟件設計

本設計中，以CC2530為核心板，在IAR Embedded Workbench(又稱為EW)平臺上采用C語言編程實現ZigBee終端節點傳感器數據采集和基于Z-Stack協議棧的點對點通信。

3.1.1ZigBee點對點通信軟件設計

利用TI Z-Stack協議棧提供的API進行代碼修改，不用去研究ZigBee協議具體實現的細節，只要知道數據收發雙方就可以。

修改協議棧函數SampleApp.c函數實現點對點通信關鍵代碼如下：

3.1.2傳感器數據采集程序設計

把DS18B20和DHT11程序移植到協議棧中，加到點播例程中從而實現采集的溫濕度數據點播。

(1)讀取傳感器數據主要代碼如下：

(2)協調器節點接收數據關鍵代碼如下：

3.2上位機界面軟件設計

上位機顯示界面主要是顯示環境參數、發電量，控制LED點陣實時刷新顯示，并與后臺數據庫連接。采用VS2010軟件開發平臺，利用C#語言編程設計實時顯示界面。

上位機實時顯示界面工作流程如圖4所示。

圖4　上位機顯示界面工作流程圖

打開登錄界面，輸入用戶名和密碼就進入顯示界面，在沒有設置串口前，界面顯示當前時間，設置串口信息后顯示界面就顯示環境參數和發電量。顯示界面與數據庫連接將信息實時存儲到數據庫中，并且與LED點陣顯示屏串口連接，控制傳輸時間，自動刷新LED顯示屏的內容，顯示環境參數和發電情況。

3.3LED顯示屏軟件設計

LED顯示屏顯示的內容與上位機界面基本一致，時間，溫濕度，光伏發電量情況和減碳量情況。基于STC12C5A60S2單片機在Keil4.0開發環境下采用C語言編寫LED點陣屏驅動程序。LED點陣顯示屏的工作流程如圖5所示。

圖5　LED點陣顯示屏工作流程圖

(1)點陣初始化的內容包括定時器0的初始化、鎖存信號的初始化、屏幕緩沖區的初始化清零，以及定時器和SPI中斷優先級和使能位的初始化。關鍵代碼如下：

(2)UART接口負責與上位機通信，讀取上位機發送的數據，UART接口的核心是一個中斷服務程序，UART接口的頭文件XIANSHI.h沒有顯示緩沖區的信息，需要調用初始化、發送和接收函數重新定義頭文件，關鍵代碼如下：

(3)首先，定時器0的中斷服務程序掃描行增量進行取模運算，并將掃描行輸出。然后，根據掃描結果取出屏幕緩沖區對應行的第一個字節，發送到SPI端口，同時列值加1。LED屏驅動代碼如下：

4　顯示平臺系統軟硬件調測試

在VS2010環境下運行編寫好的上位機顯示平臺程序，正確輸入密碼和用戶名之后，點擊登陸按鈕，進入顯示界面，如圖6所示。

圖6　顯示界面

圖7為數據庫的歷史記錄查詢表，時間為1分鐘改變1次，即每分鐘添加1條記錄，而時發電量，時減碳每小時更新1次，日發電量和日減碳每日更新1次，最后的總發電量和總減碳不斷累積每日更新1次。

接下來的四張圖片為LED點陣顯示屏的實測圖，內容刷新周期與數據庫同步，每15 s刷新一次LED顯示屏。圖8為日期和當前的溫度與濕度環境參量。

15 s之后，出現如圖9的顯示效果，在11點-12點之間，顯示的都是如下時發電量和時減碳量信息，過了12點就會更新內容，顯示11點-12點的時發電量與時減碳量。

每日從系統開始工作后每隔1小時更新一次累積到當前時間的發電量與減碳量信息，如圖10所示。

累積每天的日發電量與減碳量信息，即總發電量與減碳量信息，每日累積刷新一次，如圖11所示。

圖7　數據庫歷史記錄查詢表

圖8　日期與當前溫濕度環境參量

圖9　時發電量與時減碳量

圖10　累計到當前時間的發電量與減碳量

圖11　系統總發電量與減碳量

5　結論

基于ZigBee無線采集的光伏電站節能減排顯示平臺系統以本地1.5 kWp的分布式光伏電站為背景，完成了ZigBee環境參量采集系統的搭建，上位機實時顯示平臺的設計，后臺數據庫的構建以及具有“節能減排，保護環境”警示意義的LED點陣屏模塊的設計，經過相關軟硬件調測試實現了光伏電站環境參量溫濕度數據和逆變器發電量數據的實時采集傳輸顯示到上位機界面，并且存儲到后臺數據庫中；同時將環境參量信息和發電量信息以及對應的減排量信息實時顯示在LED點陣屏上，以實際客觀的數據來提醒人們樹立“節能減排”“綠色能源”的光伏理念，對推進我國倡導的“節能減排”政策以及推進光伏發電也具有長遠的意義。

[1]賈曉龍.淺談新能源及可再生能源發電[J].裝備制造技術，2013，7：21-24.

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[3]羅承先.太陽能發電的普及與前景[J].中外能源，2010，11：33-39.

[4]陳樹勇，鮑海，吳春洋，等.分布式光伏發電并網公路直接控制方法[J].中國電機工程學報，2011，31(10)：6-11.

[5]張金英.低碳經濟政策就業效應的理論解析與實證研究[D].北京：北京交通大學，2013.

[6]鄧中華.ZigBee技術在無線溫度采集系統中的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

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[9]李長有，王文華.基于DHT11溫濕度測控系統設計[J].機床與液壓，2013，41(13)：107-108.

Energy-saving and emission-reduction display platform design of PV power plant based on ZigBee wireless acquisition

YAO Zhong-min1,PAN Fei1,YU Xiao-hong2,WU Hong-xia1
(1.School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihar Heilongjiang 161006,China; 2.Institute of Computer Science and Information Engineering,Harbin Normal University,Harbin Heilongjiang 150025,China)

For the lack of data collection system and energy-saving and emission-reduction display platform with environmental cautionary for the local 1.5 kWp distributed PV power plant,temperature and humidity sensor and ZigBee module was adopted to lay environmental parameters acquisition nodes and achieve real-time collection of environmental parameters in PV power plant,which was transmitted to the monitoring center PC.PV inverter communicated with PC for real-time transmission of power generation data by RS485 bus.Real-time environmental parameters and power generation parameters were displayed in PC interface and stored in the background database. Meanwhile,PC controlled the driver module of LED dot matrix display to refresh the real-time environmental and power generation parameters and corresponding reductions information,advocating people to"Energy-saving and Emission-reduction and Environmental Protection".

distributed PV power plant;temperature and humidity sensor;ZigBee module;LED dot matrix

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1993-04

2016-03-24

智能教育與信息工程黑龍江省高校重點實驗室(哈爾濱師范大學)開放課題(SEIE2014-05);齊齊哈爾市科技局工業攻關項目(GYGG-201106)

姚仲敏(1959—)，女，黑龍江省人，教授，主要研究方向為基于物聯網的分布式太陽能光伏電站應用研究。