RS-485總線架構的雙無線通信光伏電站監控系統*

陶洪峰， 童亞軍

(江南大學 教育部輕工過程先進控制重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

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RS-485總線架構的雙無線通信光伏電站監控系統*

陶洪峰， 童亞軍

(江南大學 教育部輕工過程先進控制重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

為了更好地將區域分散的光伏電站系統集中管理和調度，提出了一種RS—485總線架構的ZigBee和3 G雙無線通信的光伏電站遠程數據監控系統。系統通過ZigBee無線網絡將光伏電站內部短距離關鍵設備的數據采集并上傳至主控制器，主控制器將數據保存的同時啟動3 G模塊將數據發送到遠距離數據庫服務器，遠端服務器進一步接入以太網與采用瀏覽器/服務器(B/S)軟件設計模式的上位機無縫連接，具有較好的應用性和擴展性。

光伏電站； ZigBee； 3G； 主控制器； 瀏覽器/服務器模式

0 引 言

隨著能源危機和環境污染問題的日益凸顯，太陽能作為新能源的代表受到了國家的廣泛重視，根據國家《太陽能發電“十二五”規劃方案》計劃，預計到2020年，光伏發電總裝機容量將達到5 000萬千瓦，龐大的光伏電站運行監測管理是保證系統安全、提高發電效率、合理電力調度的重要保障。由于目前光伏電站一般建設在偏遠落后地區，地理環境復雜，現場不宜布線，因此，在光伏電站監控系統中引入低成本的ZigBee無線網絡可以很好地解決電站內設備間的短距離通信問題。宋福霞等人提出了基于ZigBee的Web監控系統[1]，通過設計可視化界面，解決了獨立光伏電站的數據監控問題。但是大規模的光伏電站系統通常由區域分散的多個分布式光伏電站組成，每個分散的光伏電站都是由一個個太陽能板方陣組成，每個方陣需要布置1～2臺逆變器、1臺箱變、十幾個光伏匯流箱以及多個交流表、直流表等電力設備，整個光伏電場多達數十至上百個分散開的方陣，傳輸數據量大、傳輸距離遠[2]，適用于短距離傳輸的ZigBee顯然無法滿足系統的通信要求。針對該問題，馬樹才等人提出了ZigBee技術和通用分組無線服務技術(GPRS)融合的雙無線通信光伏發電監控系統[3]。但GPRS的帶寬相對較小，傳輸速率較低、數據易丟包、可延展性不夠，當面對大規模分散的光伏電站時，GPRS無法滿足日益增長的監測數據傳輸通信要求。

本文設計了基于ZigBee和3G雙無線的遠程無線監控系統可以很好地解決傳輸距離遠和數據量大的問題，采用B/S的上位機模式使用戶可以便捷、直觀地監測現場關鍵設備的數據參數。首先，ZigBee終端節點通過RS-485總線將光伏電站中傳感器設備和電力設備的重要數據采集上來，通過ZigBee無線網絡發送到協調器；然后，協調器通過串口將數據發送到主控制器，主控制將數據保存在SD卡的同時啟動3G模塊將數據發送到遠端數據庫中；最后，上位機軟件通過訪問數據庫讀取所采集的現場數據并顯示在界面上，用戶只需在瀏覽器中輸入服務器的IP地址即可登錄光伏電站監控系統，查看所有現場的重要數據。

1 系統總體設計

本文設計的RS—485總線架構的雙無線通信光伏電站監控系統采用三層結構設計：第一層為數據采集層；第二層為數據中轉層;第三層為數據處理層。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

1)數據采集層主要由ZigBee終端節點、RS-485總線、電力設備及各傳感器設備組成。光伏電站內電力設備主要包括逆變器、匯流箱和交直流電表等；傳感器設備主要包括溫度傳感器、風速傳感器、風力傳感器、光照輻射傳感器[4]。通常光伏電站只需要采集一個點的環境數據，本文用終端節點1采集各傳感器數據，其他終端采集逆變器、匯流箱、交直流電表等電力設備數據，將采集到的環境數據(溫度、風向、風速、光照強度)和電力設備的運行數據(逆變器電壓、電流、發電量、功率因數等)實時上傳至數據中轉模塊的ZigBee協調器。

2)數據中轉層主要由ZigBee協調器、主控制器等組成。ZigBee協調器上電后建立無線網絡，終端節點自動加入網絡，數據從終端節點發送到協調器；協調器與主控制器通過RS-232串口實現數據傳輸，主控制器通過SD卡將原始數據保存，同時通過3G模塊將數據發送到數據處理模塊的遠程服務器中[5]。

3)數據處理模塊主要由遠程服務器、計算機、監控軟件等組成。用于處理各終端節點采集到的設備數據，服務器將數據及時存儲，計算機上的監控軟件讀取數據庫中的數據，實時顯示光伏電站中關鍵設備的重要數據參數。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊硬件設計

系統的ZigBee模塊選用TI公司的CC2530為主控芯片[6]，外圍電路包括電源電路、RS-485接口、JTAG接口和2.4 GHz RF射頻模塊等。ZigBee網絡采用星狀拓撲結構，一個協調器最多可以接255個終端節點。當協調器上電后協議棧建立ZigBee無線網絡，終端節點自行加入網絡。傳感器設備采用 HS—102WS型號溫度傳感器、HS—FS01型號風速傳感器、HS—FX02型號風向傳感器、HSTL—GZD型號光照傳感器，均為華控公司生產的支持RS-485通信的傳感器。ZigBee終端節點1通過RS-485總線采集現場傳感器設備的重要數據，而其他終端節點通過RS-485總線采集電力設備的數據。

2.2 數據中轉模塊硬件設計

數據中轉層將ZigBee無線網絡傳送的數據通過3G無線網絡發送到遠端服務器中并將原始數據保存在SD卡中。ZigBee協調器接收各個終端發送來的節點數據，通過串口發送到主控制器中，主控制器將原始數據保存到大容量的SD卡中，同時，通過3G模塊將數據發送到遠端服務器。監控系統主控制器選用三星公司推出的基于ARM9內核的S3C2416，具有低功耗、高性能、低成本的特點，可以完成數據處理任務。3G模塊選用華為EM770W，在5 MHz的帶寬內提供最高384 kbps的數據傳輸速率，相對于GPRS在2 MHz的帶寬內提供最多114 kbps的數據傳輸速率有了很大提升，支持TCP/IP協議，通過USB接口與主控制器連接。數據中轉層的硬件結構如圖2所示。

圖2 數據中轉層硬件結構

3 系統軟件設計

系統軟件部分主要包括：終端節點軟件設計、協調器軟件設計、主控制器軟件設計以及上位機軟件設計。

3.1 終端節點軟件設計

ZigBee終端基于8051內核的單片機，通過RS-485總線讀取各個設備的重要數據參數。主機(ZigBee終端節點)與從機(設備)之間采用Modbus的通信協議。RS-485總線通信機制為：每個外部設備設置自己的本機地址，主機以廣播形式下發指令到總線上，從機接收到相關指令，將指令中的地址碼與自己的地址碼對應，發現是下發給自己的指令則立即執行相關指令，執行完相關指令之后發送相應的數據代碼回傳給主機，示意其可以繼續下一條指令；否則，丟棄該指令，靜默等待主機的下一條指令。從機回傳給主機的數據代碼符合Modbus的協議標準，包括從機的地址、數據寄存器的地址、數據、CRC校驗碼。通過從機地址和CRC校驗碼確保數據的準確性、精確定位數據來源。

終端節點的主控制芯片CC2530基于Z-Stack協議棧架構，消息響應和任務調度通過OSAL操作系統完成，通過軟件定時器Osal_start_timerEx()設置定時時間為1 s，定時時間結束時調用自定義函數GenericApp_SendTheMessage()向RS-485總線發送數據。當串口接收到回傳數據時，系統調用串口回調函數rxCB()，在rxCB()函數中讀取RS-485總線上的回傳數據。為減小終端節點的能量消耗，延長ZigBee網絡的使用壽命，應盡量減少無線傳輸過程中的數據長度[7]。目前，光伏電站的儀器儀表都支持IEEE754二進制浮點數算術標準，本系統中，IEEE754標準的浮點數轉換成十進制小數的過程統一在ZigBee節點中完成。最后調用AF_DataRequest()函數發送數據到協調器，并將GENERICAPP_CLUSTERID的值發送過去用以標記數據來源。終端節點的工作流程如圖3所示。

圖3 終端節點工作流程

3.2 協調器軟件設計

協調器主要負責接收各個節點發來的數據并通過串口轉發到主控制器S3C2416上。系統上電后，初始化硬件及協議棧，然后尋找信道并建立網絡，當網絡建立成功后開始接收終端節點的入網請求并分配網絡節點ID號。當數據發送到協調器時，操作系統會觸發接收事件并調用GenericApp_MessageMSGCB()函數，通過指針變量pkt獲取clusterId中存放的GENERICAPP_CLUSTERID值來判斷數據來源[8]。協調器的工作流程如圖4所示。

圖4 協調器工作流程

3.3 主控制器軟件設計

主控制器采用S3C2416為硬件平臺，移植Linux操作系統實現數據的存儲及發送。Linux的操作系統主要包括BootLoader,Linux內核、根文件系統三個部分[9]。主控制器與ZigBee協調器通過串行接口RS—232實現通信，嵌入式Linux操作系統已安裝有RS—232的驅動程序，在此還需要開發串口操作應用程序，實現對串口的波特率、校驗位等的設置。主控制器的軟件流程如圖5所示。

圖5 主控制器工作流程

系統選用的3G模塊華為EM770W支持WCDMA的網絡標準，在主控制器的Linux操作系統中利用AT指令對3G網卡EM770W進行配置，通過撥號連接到Internet。從協調器傳送過來的數據通過USB發送到EM770W模塊上，以無線電波的形式傳送到遠端服務器上[10]。

3.4 上位機系統設計

上位機系統采用B/S模式，采用MySQL數據庫作為數據庫管理系統，通過主控制器發送來的數據和對應的時間戳將保存在MySQL數據庫中，采用Apache作為Web服務器；使用Java作為編程語言。在B/S構架中，瀏覽器作為整個系統的界面。用戶只需一臺可以接入Internet的PC，就能登錄進入界面操作。其最大的特點是用戶可以在監控終端上通過瀏覽器對服務器進行訪問，用戶只需要打開瀏覽器，輸入服務器的IP地址登錄后臺系統，即可實現以PC 機的瀏覽器為窗口，對各個終端進行數據監控[11]。上位機軟件工作流程如圖6所示。

4 結束語

本文針對區域分散的遠距離光伏電站提出了RS—485總線架構的雙無線通信光伏電站監控系統。系統采用成本較低的ZigBee模塊和3G模塊，避免了光伏電站現場布線的繁瑣，縮短了建設周期，節約了建設成本。同時，采用雙無線的通信方式增大了系統的通信距離，提高了系統的通信質量，方便系統的后期維護，具有很好的應用性和擴展性。

圖6 上位機軟件工作流程

[1] 宋福霞,徐小力,喬道鄂,等.基于Web的光伏電站遠程無線監控系統[J].儀表技術與傳感器,2011(5):43-44，75.

[2] 廖 輝,楊 靜,于 楊.基于虛擬串口的光伏監控集中式通信方案[J].電力系統自動化,2016,40(10):122-126.

[3] 馬樹才,王建軍,謝 芳.基于ZigBee技術的光伏發電監控系統的研究和分析[J].電源技術,2014,38(4):704-705.

[4] 羅希昌,周 杰,杜景林.基于無線傳感器網絡的應急氣象觀測系統設計[J].傳感器與微系統,2013,32(11):108-111.

[5] Bilgin B E,Gungor V C.Performance evaluations of ZigBee in different smart grid environments[J].Computer Networks,2012,56(8):2196-2205.

[6] 李 釗,周新志.基于ZigBee的學生智能管理系統設計與實現[J].傳感器與微系統,2013,32(12):110-112，116.

[7] 王春玲,孟 丹,蔣 麒,等.ZigBee路由算法在古樹名木監控中的應用[J].傳感器與微系統,2016,35(6):151-154.

[8] 王士明,俞阿龍,楊維衛.基于ZigBee的大水域水質環境監測系統設計[J].傳感器與微系統,2014,33(11):102-105.

[9] 蔣志軍,鄭 萍,曹 林,等.高速鐵路路基形變多點檢測系統設計[J].自動化儀表,2014,35(11):52-55，59.

[10] 楊國斌,李秋紅,王太宏.基于WSNs和3G網絡的無線遠程安防監控系統[J].傳感器與微系統,2012,31(12):76-78，82.

[11] 趙羽佳.基于ARM9的無線視頻監控系統的設計[D].天津：河北工業大學,2014.

Dual-wireless communication of monitor system for photovoltaic plant based on RS-485 bus architecture*

TAO Hong-feng, TONG Ya-jun

(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

In order to centrally manage and schedule distributed photovoltaic plant better, based on RS—485 bus architecture,a remote data monitor system combined with ZigBee and 3G dual-wireless technology is proposed for photovoltaic plants.The system firstly acquire data of internal short distance key facilities in photovoltaic is designed by ZigBee wireless networks,and the collected data is uploaded to the master controller.Then,master controller save the data and at the same time activate the module of 3G to launch the data to remote database server.Finally,remote server connects to Internet and communicates with host computer which uses Browser/Server(B/S)software design mode without any barriers.This designed system has good applicability and scalability.

photovoltaic plant； ZigBee； 3G； host controller； browser/server pattern

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0114—03

2016—08—08

國家自然科學基金資助項目(61273070，61203092)；江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2015019—21)；高等學校學科創新引智計劃項目(B12018)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(JUSRP51733B)

TP 273

A

1000—9787(2017)08—0114—03

陶洪峰(1979-)，男，博士，副教授，從事故障診斷、工業過程監控等方面的教學與科研工作，Email: taohongfeng@hotmail.com。