基于Zigbee的太阳能电站监控系统设计

基于Zigbee的太阳能电站监控系统设计

李健1，2杨淑连1

（1山东理工大学电气与电子工程学院山东淄博255049；

2淄博工业学校山东淄博255400）

摘要：根据太阳能电站监控系统的预实现功能设计了一套基于Zigbee无线传感网络的监控系统，它包括数据采集部分、无限数据传输网络部分、数据处理部分三个部分。根据Zigbee无线传感网络的特点，将整个网络的硬件部分划分为信息采集终端节点、路由节点、协调器节点、上位机节点四部分。软件方面：设计了整个传感网络的软件执行流程；并基于Z-Stack协议栈，设计系统的通讯协议；上位机软件，选用了NI公司的LABVIEW测控软件，进行了信息的处理设计。

关键词：数据采集；无线；节点；协议；流程

DesignofsolarpowerstationmonitoringsystembasedonZigbee

LiJian[1，2]，YangShulian[1]

1SchoolofElectricandElectronicEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China

2ZiboIndustrialschool，Shandong，Zibo255400

Abstract：AccordingtothemonitoringsystemofsolarpowerstationtorealizethefunctionofpredesignedamonitoringsystembasedonZigbeewirelesssensornetwork，whichincludesthedataacquisitionpart，unlimiteddatatransfernetworkpart，dataprocessingpartthree.AccordingtothecharacteristicsofZigbeewirelesssensornetwork，thehardwarepartofthewholenetworkispidedintofourparts：informationacquisitionterminalnode，routingnode，coordinatornodeandhostcomputernode.Softwaredesign：thewholesensornetworksoftwareimplementationprocess；andbasedontheZ-Stackprotocolstack，thedesignofthecommunicationprotocolofthesystem；PCsoftware，theLABVIEWsoftwareofNIcompany，thedesignofinformationprocessing.

KeyWords：dataacquisitionwirelessnodeprotocolflow

1引言

近年来国家把绿色、安全的太阳能资源的开发列入国家层面的发展战略当中。太阳能发电得到了社会广泛的关注和发展。但是受制于太阳能采集的弊端（面积决定能源量采集量），一般都建立在远离人烟的偏远地区，所以一套完整的无人值守监视系统具有十分重要的实际应用价值。相较于基于传统的有线网络的监控系统布设复杂、花费巨大、维修困难，本文设计的基于Zigbee的无线传感网络的监控系统，组建简单、信号稳定、功耗少、花费少、维修方便，自组织、容量大。

2Zigbee无线网络

2.1太阳能电站需要布设的光伏板数量多，因此占地面积十分巨大。在网络的布置方面，相较于传统的布线式、蓝牙网络、WI-FI、GPRS网络来说，Zigbee无线传感网网络是一种信号稳定、功耗少、花费少、维修方便的无线通信技术。

2.2Zigbee字面意思译为“紫蜂”，它与蓝牙通讯技术类似，是一种短距离的无线通讯技术，其主要的应用领域就是无线传感网络的组建。相较于其他的网络模式，Zigbee无线网络的突出特点：1、低功耗（芯片采用5号干电池供电，2节电池一般可以满足2年左右）。2、低成本（Zigbee是免通讯协议费的，每块芯片平均下来在10块钱左右）。3、容量大（一个主节点可以管理254个子节点，主节点同时可以被上一层节点管理，最多可以组成65000个节点的大网）。4、自组织（Zigbee组装简单，使用方便，复杂程度低，用户完全可以按照自己的需求组建相应的传感网络）。

3Zigbee无线监控系统的硬件结构

根据太阳能电站监控系统的预实现功能设计了一套基于Zigbee无线传感网络的监控系统，它包括数据采集部分、无线数据传输网络部分、数据处理部分三个部分。根据Zigbee无线传感网络的特点，将整个网络的硬件部分划分为信息采集终端节点、路由节点、协调器节点、上位机节点四部分。

图1太阳能电站监控系统的总体设计方案

Fig.1Overalldesignschemeofsolarpowerstationmonitoringsystem

3.1终端节点

终端节点节点设计主要以CC2540芯片和各类传感器为核心。其中CC2540是一个超低功耗的无线收发微处理芯片，它内部包含一个性能优良的无线射频设备及一个符合工业标准的8051单片机。在传感器选型方面，根据其监测量对所需要的传感器进行了选型：太阳的光照度（辐照传感器HA-GST-520），光伏板把太阳能转化为电能的电压（霍尔电压传感器VSM025A）、电流（霍尔电流传感器CSM040GT）、光伏板温度（温度传感器DS18B20）。而地理环境的问题直接决定了设备的使用情况，因此当地环境的参数：环境温度（温度传感器DS18B20）、湿度（湿度传感器DHT11）。

图2终端节点的硬件连接原理图

Fig.2circuitdiagramofhardwareconnectionofterminalnode

图3霍尔电压传感器连接电路图

Fig.3connectiondiagramofHolzervoltagesensor

图4霍尔电流传感器连接电路图

Fig.4Holzercurrentsensorconnectioncircuit

3.2路由节点

路由（Router），是Zigbee无线传感网络中连接终端节点和协调器的设备。本传感网络路由节点以CC2540芯片作为核心。路由设备之间可以相互接收和发送信息，组成多跳、多级网络，最终所有的信息都传输到一个协调器的节点，这样即大大扩展了网络覆盖的距离，又最大限度的避免（由于设备损坏、距离、天气、干扰等原因）引起的信号丢失、通讯不稳定、信息采集传输不通畅的问题。

3.3协调器节点

协调器节点作为网络的主节点，管理其网络中的其他节点（路由和子节点），是网络的管理者。在硬件的选择方面：选择了满足Zigbee网络无线射频设备XBeePROS2C，运算速度和处理速度都很快的控制核心LPC1114，以及H7710DTU工业级GPRS模块。连接方面：协调器节点和GPRS互联网设备连接，协调器节点和上位机的连接，都选用选择RS232串口。

图5协调器连接原理图

Fig.5diagramofexternalcircuitofcoordinatorandGPRS

4.监控系统的软件设计

在软件方面，为保证信息通讯的稳定性、正确性，以及与硬件的配套性，选择了基于TI公司设计的Z-Stack协议栈，并设计了满足太阳能监控系统运行的通讯协议，同时也完成了对软件执行流程的设计。

4.1通讯协议

设计的基于ZigBeeZ-Stack协议栈的通讯协议，自下而上分为硬件层、信息采集存取层、数据传输通讯层、网络层、LABVIEW通讯规范层、LABVIEW软件组成（图6）.

图6通讯协议

Fig.6communicationprotocol

4.2软件执行流程

图7是太阳能电站的软件流程图。首先是系统的启动，启动之后所的模块进行初始化的操作，然后是协调器的启动，协调器启动之后，发出网络初始化的指令，整个Zigbee传感网络进行初始化，只有完成初始化则建网成功，如果不成功，再次返回到模块的初始化位置，直至建网完成，完成之后各个终端节点入网，且链接到上位机的LabVIEW软件进行监控，如LabVIEW没有接收到传感器信号则报警，而LabVIEW接收到传感器信号则根据处理转换的信息进行设备状态的判定，如果结果超出了设备的临界状态，则进行报警。如果正常，LabVIEW则继续进行后续的监控。

图7太阳能电站的软件执行流程图

Fig.7softwareflowchartofsolarpowerstation

图8整个ZigBee传感网络的数据通讯流程

Figure8thedatacommunicationprocessofthewholeZigBeesensornetwork

4.3LabVIEW

上位机的信息处理方面，NI公司的LabVIEW2016虚拟仪器，是一款功能强大的数据收集和处理软件。其主要的特点是：１、功能强大、灵活易变的编程语言（G语言）。2、简单易用，灵活性大人机交互界面。（LABVIEW测控软件的人机交互界面可以实时的显示传感器的状态数据，并且在出现问题时进行声光报警。）

5结束语

基于ZigBee技术的无线传感网络不仅能节约设备和人力成本。还可提高数据采集和传输的准确性、时效性，使电站的管理部门能够及时准确地获得数据信息，并采取相应的应对措施。因此，该系统在太阳能电站无人值守监控方面具有一定的实际价值。

参考文献：

[1]艾雨.基于单片机的太阳能电池数据采集系统研究[D].武汉：武汉理工大学2010.

[2]宋开峰.光伏电站的远程监控系统设计[D].济南：山东大学，2011.

[3]王颖程建军任锦峰温华林，基于ZigBee的水环境监测系统设计科技广场2015.10。f