光伏发电无线远程监控系统的设计
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第1期（总第74期）黎明职业大学学报No.12012年3月Journal of Liming Vocational University Mar.2012收稿日期：2012－01－12作者简介：叶琼茹（1984－），女，助教，硕士，主要从事电子与通信专业的教学与研究。
基金项目：福建省自然科学基金（2009J01257）；厦门市科技计划项目（3502Z20093027）光伏发电无线远程监控系统的设计叶琼茹1，2杨冠鲁1（1.华侨大学信息科学与工程学院，福建泉州362021； 2.黎明职业大学机电工程系，福建泉州362000）摘要：从光伏并网发电无线远程监控系统的功能要求和设计思想入手，对系统进行整体结构设计。
阐述信息采集模块、无线通信模块和数据接收模块3个硬件部分以及协调器软件和节点软件2个软件部分的具体设计，并对组建过程及结果进行预期分析。
结果表明系统能够达到数据采集、短距离无线数据传输、快速网络组建和维护等预期要求。
关键词：Zigbee 网络；光伏发电；无线监控中图分类号：TP277文献标识码：A 文章编号：1008－8075（2012）01－0080－06由于很多偏远或特殊地区无法采用有线远程监控来实现实时监测和控制，因此，不受距离及地域条件限制的无线远程监控并有了存在的重要意义。
Zigbee 技术是近几年研制出的一种可实现无线传感器网络的重要技术，具有低成本、低功耗、低复杂度等优点〔1－2〕。
针对光伏并网发电站的特点，采用Zigbee 实现各监控终端的互联并通过GPRS 与远程监控中心通信，探讨基于Zigbee 网络的光伏并网发电无线远程监控系统。
1功能要求和设计思想1.1功能要求光伏并网发电无线远程监控系统功能要求主要有4点：（1）光伏发电各类参数采集功能。
首先应该通过无线传感器节点对光伏发电中的时间参数、温度参数、电流参数、电压参数等各类参数进行采集，并能随时获取；（2）模拟/数字转换功能。
将传感器节点采集的各类参数模拟信号进行模拟/数字转换，以便于发电系统的数据信息传输；（3）无线接口。
无线监控系统需要无线接口实现光伏发电参数的监控功能，能够利用Zigbee 无线网络协议；（4）警报定位功能。
当发电过程出现异常或故障时，主机部分需要发出告警，而且需要确切指出是哪一部分出现异常或故障。
1.2设计思想光伏并网发电无线远程监控系统通过Zigbee 网络实现各前端模块与现场监控中心互联，然后现场监控中心通过以太网与远程监控中心互联，图1示出系统架构。
光伏并网发电无线远程监控系统包括多个前端模块、多个参数采集节点和1个数据接收终端。
利用Zigbee 技术来完成无线网络通信功能。
Zigbee 网络支持高达65000个节点，其拓扑结构非常灵活，在节点比较多的情况下，选择星状网络拓扑结构。
数据接收终端需安装告警装置，保证光伏发电过程出现异常时，监控系统能及时反馈给管理员或监控人员。
现场监控中心可以是PC 机或服务器，主要运行图形化的监控软件和相应的数据库以及负责与远程监控中心的通信。
第1期叶琼茹杨冠鲁：光伏发电无线远程监控系统的设计图1系统架构框架2系统设计图2为基于Zigbee 的光伏并网发电无线远程监控系统整体结构设计图。
图2系统整体结构设计系统硬件部分主要分为参数采集传感器、无线传输装置、节点模块与计算机通信模块等，软件部分则包括了协调器软件和节点软件。
2.1硬件模块设计2.1.1硬件的选择（1）参数采集传感器。
采用与国际标准相符的传感器模块，该传感器模块收集到的各类参数模拟信号，通过16位模拟/数字转换芯片AD7705，将数据信息传输到CC2430芯片中。
（2）无线传输装置。
该组网设计的无线传输硬件平台核心是采用射频系统单芯片CC2430和CC2591。
其中射频芯片CC2430是采用编写代码、分析、编译、调试功能合为一体的高性能集成开发环境（IDE ），电子线路的交互式调试则采用集成开发环境IDE 的指令地址寄存器IAR 工业标准，正常运行的损耗电流一般是27mA ，若是处于接/发模式时损耗电流则小于27mA 。
相比于其他射频芯片，结构上融合了射频（RF ）前端和微控制器（MCU ），内部结构包含了模拟/数字转换器、高级加密标准128处理器、32kHz 晶振休眠定时器、看门狗定时器（WDT ）、掉电检测电路、上电复位电路（POR ）、21个输入/输出引脚等〔1－3〕。
另外，芯片CC2591有别于CC2430芯片，采用低成本、高性能的射频前端，内部结构包含了电感器、匹配网络、平衡/不平衡网络、功率放大器、交换机等模块，输出功率可以被提升22dBm 而接收机灵敏度也可以提升6dB 。
芯片CC2591能够与2.4GHz 射频收/发器和SoC 晶片链接，从而减少外围电路，尽可能提升射频性能和输出功率〔3－4〕。
18黎明职业大学学报2012年3月（3）计算机通信模块。
为实现与计算机的通信，可以利用基于电平转换芯片MAX232的RS232电平转换电路，来实现串口连接。
（4）Zigbee无线网络定位系统。
开发平台则可利用Zigbee无线网络定位系统，该平台实时在线仿真器通过USB接口直接连接到电脑，并连接到CC2430的无线单片机目标板，实现对CC2430无线单片机的实时在线仿真、调试、测试。
2.1.2系统模块设计Zigbee模块已经涵盖了所有外围电路，具有完整的协议栈，经过厂商的研发测试设计，是可以直接应用的高质量产品。
硬件采用贴片式焊盘设计，能够内置含集成电路的硅片或外置微波高频连接器的天线，通讯范围广，还包含了集中托管式数据应用中心（ADC）、数字/模拟转换（DAC）、比较器等。
软件部分涵盖完整的Zigbee协议栈，拥有自身主机配置工具，将串口与使用产品端连接进行通信，同时能够对模块配置相关的发射功率、信道等拓扑参数。
使用者仅把自身的数据信息利用串口传输至Zigbee模块，模块会自动采用无线的方式将数据信息传送出去，依据事先配置好的网络结构及目的地址节点来接收和发送数据，数据先被校对验证，若数据信息正确，即通过串口传送出去。
但当前，多数使用者在利用Zigbee技术方面会用自己的方式来进行数据处理，导致所有节点设备都会用自身的中央处理器来处理数据，此处把模块看作是集射频、协议和程序于一体的“芯片”〔4－5〕。
（1）信息采集模块参数采集传感器模块的设计构思原理如图3所示。
图3参数采集传感器模块设计参数采集设计模块主要包括变换器单元、信号调理模块、数据采集系统ADuC812、串行接口等部分。
采用集成式的数据采集系统芯片ADuC812。
传感器的参数输出信号通过信号调理模块放大调理，输入至ADuC812芯片中的多通道模拟/数字转换器，参数信号模数转换后被保存到32kΩ随机存储器中，再利用串行接口把参数信息读入，最后将参数信息通过PC机显示出来。
（2）无线通信模块芯片CC2430是实现无线通信模块的核心部分，因为其内部已经集成了大量必要的电路，所以采用较少的外围电路就可实现信号的接收发送功能〔4〕。
利用CC2430和CC25912种芯片来组建Zigbee 无线通信模块的原理如图4所示。
R2和R3均是偏置电阻，R2的作用是使32MHz的晶振能够取得合适的工作电流。
晶振XTAL1引脚与电容C6、C7这两个负载电阻器连接来组成32MHz的晶体振荡器，而晶振XTAL2引脚与电容C 1、C2这两个负载电阻器连接来组成32kHz的时钟，当CC2430和CC2591芯片处于休眠模式时，该时钟会给予相应的时序。
为了能够有效地消除前后电路电流的变化对网络运行产生的影响，电路中需要电源退耦电路，通过改善退耦电路中电容器的容量、分布位置以及电源滤波，就能够产生更加良好的性能。
2838第1期叶琼茹杨冠鲁：光伏发电无线远程监控系统的设计图4Zigbee无线通信模块原理（3）数据接收模块图5是高灵敏度数据接收模块的等效电路图，图6是所对应制作的PCB板。
数据接收模块采用了无线芯片MICRF中213AYQS芯片，315MHz声表谐振器上的声表规格是9.81563MHz，能够使得数据采集过程安全可靠，即使非常恶劣环境也能够稳定运行。
该数据接收模块本身不带解码集成电路，仅将其用于具体电路中进行二次开发才能发挥它的性能，这种设计能够与各类解码电路或单片机结合，设计电路简易灵活。
48黎明职业大学学报2012年3月2.2软件设计采用星状网络结构，所有的传感器节点与协调器相连，协调器依据各个节点加入网络后所发送的网络地址建立一个地址表，根据地址表中存储的地址收集各个节点传输过来的数据信息。
当传感器节点接入网络时，就按下面2种流程图进行数据传送〔5－6〕。
2.2.1协调器软件结构流程。
图7是协调器软件结构流程图定义zb_FormationRequest（）函数即可在协调器节点上组建一个网络，定义zb_AllowBind （0xff）函数即可在液晶显示屏上显示该网络的ID号，同时协调器会自动进入允许绑定的请求，并对传感器作出响应。
若顺利绑定，就会开始采集传感器节点传送的数据信息包，再通过定义zb_Send-DataConfirm（）函数给予响应。
2.2.2节点软件结构流程图8是节点软件结构流程。
采用zb_BindDevice（）函数即传感器节点在加入网络的同时会向协调器节点发送绑定请求，协调器节点的绑定工作需要时间，当该请求被响应后即绑定成功。
若无汇聚节点则周期性地循环搜索。
协调器节点在绑定后会接收到周期性的温度、电压、RSSI值。
若传感器没有接收到协调器节点给予的响应，传感器就会移除本次绑定，再次进入信道扫描，周期性的重复寻找和绑定过程。
3预期组建过程及结果分析3.1组网过程组网的主要过程为，将协调器加电后，通过协调器对信道进行扫描，扫描出一个其他网络没有使用过的空闲信道，采用这个空闲信道组建一个网络，接下来对终端节点进行加点编号，终端节点要将其信道设置成当前协调器所使用的信道，而且还要提供无误的认证信息，当该网络加入终端节点后，协调器可以为终端节点提供其短地址及相应的参数，协调器即可通过这些短地址来了解相关的温度信息。
要取得终端节点的短地址及相应参数，协调器有2种选择：（1）若该程序定义了USEesB IND-INGS，那么在所传递的信息能够被成功发送和接收之前，终端节点务必与协调器进行绑定；（2）若该程序没有定义USEesBI NDINGS，那么协调器就需使用短地址来传递信息。
58第1期叶琼茹杨冠鲁：光伏发电无线远程监控系统的设计当终端设备开启，无线电接收装置及其他组件被初始化之后，接下来的工作就是扫描多个可用的网络，经过设备对象ZDO处理，选择其中的一个网络并将其加入到终端设备当中，在选择和加入网络这个步骤并不是交由每个独立的应用对象，因为一个终端设备仅能加入一个网络。
