基于ZigBee網絡的風光互補道路攝像機監控系統

徐澤宇 申宏圖

摘 要：風光互補發電是一種清潔環保，安全可靠的發電方式，應用于道路攝像機除了減少能耗外，還具有無需鋪設外場電纜，有效防止電纜被盜，減少公路運營成本的特點。針對目前道路攝像機運行維護效率較低的問題，本文設計了一種基于ZigBee網絡的風光互補道路攝像機監控系統，實現了對攝像機的智能化管理與維護，有效的完善了道路攝像機的運行維護系統。

關鍵詞：道路攝像機 風光互補 ZigBee 監控系統

一、引言

風光互補發電系統將太陽能光伏發電與風力發電有機結合，可發揮各自的特點和優勢，最大限度的利用大自然的能源。太陽能和風能在時間和季節上有較好的互補性。白天太陽光最強的時候，可能風很小，當夜晚來臨時，光照微弱，但風能較強；夏季，太陽光強烈而風速較小，冬季太陽光較弱而風大。太陽能與風能在時間和季節上的互補性使太陽能和風能成為資源的絕佳匹配，充分利用自然資源，實現了晝夜發電，是一種節能環保、經濟可靠的發電方式。

目前，高速公路的道路攝像機大多數由傳統的市電電源供電，雖然消耗功率不大，但由于運行時間長，數量多，也會消耗不少電能，不利于傳統電源的節能。且由于電纜有較大被盜的風險，造成運營維護費大大增加，加之隨著道路視頻監控系統的逐漸龐大，造成其維護人員的不斷增多，因此引入先進科學的運行維護方法和設備顯得至關重要。風光互補發電裝置為道路攝像機供電，不用敷設電纜、不用耗費電網電能、環境污染度低、節能環保，有效防盜，同時降低了相應的維護和運行成本。

由于風力發電與太陽能光伏發電的不穩定與隨機性，加之道路攝像機的特殊性，如何提高其運行維護效率至關重要。一線的監控點從幾百個到幾千個不等，若發生故障，只能由工作人員通過現場巡邏、視頻監看才能發現，導致無法確保維護的及時性和有效性，往往一個故障點需要多日才能解決故障問題。本系統以風電互補裝置為能量供應裝置，結合ZigBee網絡技術，對攝像機的狀態進行檢測與控制。設計了一款實現數據監測，故障發現、故障受理，在出現故障時自動報警的道路攝像機監控系統，有效的保障視頻系統的正常運行，大大提高其運行維護效率。

二、系統整體結構

本系統由風光互補發電模塊、儲能模塊、控制模塊、逆變模塊、ZigBee監控模塊、負載即道路攝像機等組成。風光互補發電模塊作為電源提供裝置，為整個系統供電；儲能模塊即蓄電池，將多余的電能儲存起來，以備風光互補發電組直接供電不足時使用；控制模塊主要部件是控制器，具有防止蓄電池過充電、過放電等作用；逆變模塊即通過逆變器將直流電轉化為交流電，供負載使用；ZigBee監控模塊負責監測和控制風光互補道路攝像機的工作狀態，若攝像機出現任何問題，監控系統都會以報警的方式提醒工作人員及時處理問題，并遠程監控管理中心調控攝像機的工作狀態。

三、系統硬件設計

1.風光互補發電模塊

1.1風力發電組。風力發電機組由風輪、機艙、塔架、基礎等幾大部分組成。利用風力機將風輪獲得的空氣動能轉化為機械能，再通過風力發電機將機械能轉化為電能，給負載供電或將電能儲存在蓄電池中。

1.2太陽能電池方陣。太陽能電池方陣利用太陽能板的光伏效應將光能轉化為電能，給負載供電或將電能儲存在蓄電池中。目前，太陽能電池主要是晶體硅電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等幾種。本系統選用多晶硅電池，具有穩定性好，成本低，使用廣泛的特點。

2.儲能模塊。儲能模塊大多由若干電壓和容量相同的蓄電池串并聯組成，將風力發電系統與光伏發電系統輸出的電能以化學能的形式儲存起來，以供負載使用，在系統中同時起著能量調節與平衡負載兩大作用。蓄電池的性能直接影響風光互補工作系統的發電效率與可靠性，同時蓄電池作為發電系統壽命較短的部件，其性能將直接影響系統成本。

3.控制模塊。控制器主要由繼電器、開關、儀表、電子元器件等組成。控制器通過檢測蓄電池的電壓或荷電狀態，判斷蓄電池是否已經達到過充點或過放點，并根據檢測結果發出繼續充、放電或終止充、放電的指令，實現保護蓄電池的作用。

4.逆變模塊。逆變器將直流電轉變為交流電，同時具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量。風力發電與光伏發電系統可通用相同的控制器與逆變器，使系統造價較低，成本合理。

5.ZigBee監控模塊。ZigBee是一種低功耗的新興無線通信網絡技術，其物理層和MAC層是 IEEE 802.15.4。每個 Zig Bee 網絡節點可以支持多達 31 個傳感器和受控設備，每個傳感器和受控設備可以有 8 種不同的接口方式，可以采集和傳輸數字和模擬量。ZigBee技術有低功耗、數據傳輸可靠、網絡容量大、成本低、抗干擾能力強、應用場合廣泛等特點。該模塊由遠程監控管理中心，網關，攝像機通信終端構成。攝像機通信終端的實現依賴于每個攝像機上安裝的射頻通信模塊，本系統選擇CC2430射頻芯片，此芯片滿足ZigBee網絡對硬件的規定標準。

四、系統軟件設計

攝像機通信終端采集風力發電機、太陽能電池組件、蓄電池、攝像機的電壓和電流，將采集到的參數處理后通過ZigBee網絡上傳到網關，網關實現協議轉化成GPRS數據格式傳送到監控管理中心。當攝像機發生故障，如攝像機損壞，蓄電池欠壓或過壓、風力發電機或太陽能電池板損壞的時候，終端通信模塊立即將故障信息傳送到后臺監控管理中心，并產生報警，提醒工作人員及時對攝像機及時進行維護。同時，網關也接受監控管理中心下達的各種控制命令，并將命令傳送到攝像機通信終端，進而實現對各個參數的調控。網關廣泛分布于城市的各個區域中，與附近的風光互補道路攝像機構成一個Zig Bee網絡，實現與監控管理中心傳輸交換數據。遠程監控管理中心與各風光互補道路攝像機監控子站互聯，集中顯示各攝像機運行狀態，并可對控制每一個攝像機，設置各部分參數，實現對風光互補攝像機的大規模遠程監控和數據采集。

五、結語

基于ZigBee網絡的風光互補道路攝像機監控系統節能環保、運行維護效率高，同時有效防止電纜被盜，與現有道路攝像機系統相比優勢顯著，經濟可靠，有較大的經濟和環境效益。系統結構簡單，易安裝，養護運行要求低，同時符合環境可持續發展理念。

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作者簡介：徐澤宇（1995—）女。民族：漢。研究方向：能源與動力工程。申宏圖（1994—）男。民族：漢。研究方向：農業電氣化。