邢毓华,宋俊慷,郭庆吉

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048)

光伏应用系统远程监测平台设计

邢毓华,宋俊慷,郭庆吉

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048)

随着太阳能发电技术的不断发展，光伏应用系统越多的被工业单位和个人使用；为了解决分布式离散光伏应用系统检测和管理维护的技术难题，文章阐述了一种光伏应用系统远程监测平台的设计方案；该方案在研究分析无线自组网技术和无线数据传输技术的基础上，针对光伏应用系统的分布特点，将嵌入式技术，ZigBee技术，GPRS-DTU技术以及互联网Web监测技术相结合，设计完成以数据采集节点、数据中心节点、Web服务器，以及手机客户端为主要部件的远程监测系统；并对该系统进行了实验验证；实验结果表明该系统方案能够对远程分散的光伏应用系统的运行数据进行采集，组网汇聚和远程传输；并可以通过计算机或手机等移动客户端对数据进行远程访问和控制；为分散的光伏应用系统的远程管理和维护提供了一种有效的技术方案。

太阳能发电；光伏应用系统；远程监测

0 引言

光伏应用系统具有分布离散且相互独立的特点，以太阳能路灯为例，每个太阳能路灯都是一个独立的系统，成百上千的路灯需要统一监测，难以及时有效地获得每个太阳能路灯的运行数据。对光伏应用系统的运行数据进行分析，有利于改进光伏应用系统的性能，优化系统结构。因此如何有效地及时地获得光伏应用系统运行数据成为管理和维护光伏应用系统的关键问题之一。设计实现光伏应用系统远程监测平台，为光伏应用系统在线分析和故障诊断带提供了有效支撑，将进一步促进光伏绿色能源系统的应用和发展[1-3]。

1 系统组成及工作原理

通过分析归纳，光伏应用系统的分布形式主要有两种：一种在某区域相对集中存在，一种在某区域独立存在。针对光伏应用系统分布形式的特点，建立如图1所示的系统结构，完成对光伏应用系统监测平台的设计[4-6]。

针对在某区域相对集中存在的光伏应用系统，将各个分散节点的数据集中到一个中心节点，再由中心节点将汇集好的数据进行转发；针对在某区域独立存在的光伏应用系统，由单一节点完成数据采集与发送即可。

图1 分散光伏应用程监远程测平台结构

本文主要实现在某区域相对集中存在的光伏应用系统远程监测平台设计。具体实现方案如下：首先，数据采集节点与数据中心节点通过紫蜂(ZigBee)技术进行组网通信，将数据采集节点采集的光伏应用系统运行数据上传到数据中心节点；其次，数据中心节点，采用通用分组无线服务数据传输(GPRS-DTU)技术，将各数据采集节点上传的数据转发至远程服务器。最后在远程服务器上开发功能完备的监测程序以满足光伏应用系统运行管理和维护的需要。根据工程经验，针对在某一区域独立存在的光伏应用系统，可由单一节点完成数据的采集和转发，而无需进行组网通信完成数据的汇集工作，实现起来更为简单，因此本文并不对这种分布形式的光伏应用系统的监测技术进行讨论。

整个监测平台具有三层分布式结构：第一层是由数据采集节点构成的无线感知层，该层主要功能是对监测对象进行数据采集，同时与第二层设备进行数据组网通信；第二层是由数据中心节点构成和数据汇集层，该层主要实现的功能是汇集感知层的数据，同时将汇集好的数据通过Internet传送第三层设备；第三层是由Internet上的服务器构成的服务应用层，该层主要提供监在线实时监测服务。

2 数据采集节点设计

数据采集节点一方面完成对光伏应用系的运行数据进行采集；另一方面实现与数据中心节点进行组网通信上传监测数据。

2.1 数据采集节点硬件设计

使用德州仪器(texas instruments, TI)公司生产的CC2530芯片作为数据采集节点ZigBee模块的核心。硬件方面主要完成CC2530的最小系统设计和采样电路的设计。

数据采集节点CC2530最小系统包含了芯片工作时的基本核心电路部分：电源电路，复位电路，时钟电路，仿真接口和无线射频。

使用CC2530自带的AD模块完成对光伏应用系统的数据采集工作。需要采集的信号包括光伏电池板输出电压(Vpv)，升压电路输出电压(Vboost)和光伏电池板输出电流(Ipv)，采样电路功能是将需要采集的模拟信号转换成CC2530的AD 端口可接受的0～3.3 V 的电压信号。

数据采集节点的硬件电路框图如图2所示。

图2 数据采集节点硬件电路框图

2.2 数据采集节点软件设计

针对数据采集节点，需要实现的软件流程如图3所示。

图3 数据采集节点软件流程图

数据采集节点首先，初始化Zigbee模块自身的硬件资源，包括通道、频率、数模转换(AD)端口等等；其次，发出网络加入信号，申请周围的Zigbee协调器加入网络；如果收到加入成功应答信标，则进入低功耗状态，如果加入失败，则继续发送申请信号，直到完成加入；最后，成功进入低功耗模式后就要等待系统初始化时预置的数据传输命令，一旦数据传输命令激活，则调用AD端口采集光伏应用系统的数据进行发送。

3 数据中心节点设计

数据中心节点与数据采集节点一方面进行组网通信，接收数据采集节点上传的数据，完成分散数据的汇集工作；另一方面转发上传数据至远端的服务器和附近的智能移动设备。

3.1 数据中心节点硬件设计

数据中心节点依然使用TI公司的CC2530芯片作为ZigBee模块的核心。硬件方面主要完成CC2530的最小系统设计和CC2530芯片与GPRS-DTU模块的串行通信接口。

数据中心节点CC2530最小系统依然包含了芯片工作时的基本核心电路部分：电源电路，复位电路，时钟电路，仿真接口和无线射频。

设计采用有人物联网USR-GPRS型GPRS-DTU模块，该模块是专门用于将RS-232串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈，为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。在进行设计时使用CC2530自带的USART接口配合MAX232芯片完成USART接口与RS-232接口的转换实现CC2530与GPRS-DTU模块的RS-232接口进行通信。

数据采集节点的硬件电路框图如图4所示。

图4 数据中心节点硬件框图

3.2 数据中心节点软件设计

针对数据中心节点的，需要实现的软件流程如图5所示。

图5 数据中心节点软件流程图

数据中心节点的ZigBee模块在以协调器功能启动以后，进行ZigBee的网络初始化。网络初始化成功后就确定了网络的PAN ID和信道，在此之后就进入无线监控状态对其通信范围内的节点加入信号进行监测，在接收到有节点需要加入网络时在资源允许的情况下便为该节点分配相应的短地址和网络资源。如果暂无节点加入信号， ZigBee模块会判断系统的查询周期定时器是否到时，如果定时器到时则发送查询命令进行数据接收，数据收成功后调用串口函数将收集的上传数据转发给GPRS-DTU模块。

4 服务器相关设计

通过花生壳网站申请一个固定域名，同时使用“花生壳”软件的端口映射功能将实验室的计算机作为服务器开发数据接收程序和网页监测程序完成服务器程序设计，使服务器完成数据通信和监测网站的发布工作[7-9]。

4.1 服务器数据接收程序设计

使用C语言编写Socket服务程序运行在服务器上，用于监听数据中心节点GPRS-DTU模块的连接请求。数据中心节点的GPRS-DTU模块事先已配置好服务器的固定域名和端口号，根据配置好固定域名和端口号，GPRS-DTU模块发送TCP/IP连接请求，C语言Socket服务程序监听到该连接请求后，与数据采集节点建立TCP/IP连接，实现数据中心节点的GPRS-DTU模块与Socket服务程序的通信。Socket服务程序在收到GPRS-DTU模块的连接请求后将创建pthread线程用于GPRS-DTU模块数据的接收，然后将接收到的数据存储到Access数据库中。Socket服务程序的工作流程图如图6所示。

图6 Socket程序流程图

4.2 服务器监测网站设计

监测网站包含数据库和网页页面两部分。设计中数据中心节点转发的数据信息并不大，因此选用Microsoft Access 2003数据库软件作为监测网站数据库。Access数据库以文件形式保存。

为了在与服务器交互的过程中，只传输网页页面上需要更改的部分(如各个监测数据的数值)。为此，考虑在与服务器通信的过程中只传输网页页面上需要进行更改的区域，而不将整个网页进行传输，这样使传输的数据量大大减少，从而缩短了传输时间；同时，网页页面在与服务器进行交互的过程中，客户端仍然可以在当前页面继续操作，正常使用应用网页上的程序，而不必等待服务器响应，因此针对监测网站页面设计需要使用Ajax技术。

在加入Ajax引擎之后，当浏览器第一次与服务器进行通信时Ajax引擎就将Web服务器的内容下载到Ajax客户端，因此一部分应用程序就从Web服务器端移动到了客户端。在浏览器中的JavaScript程序将获得的用户指令分为两个部分，第一部分自己处理，另一部分交付给Web服务器进行处理，这样就减轻了Web服务器的运行负担。

5 测试与评估

整个系统联调方案如图7所示。使用两个自行设计的光伏应用系统作为监测对象，两个数据采集节点采集光伏应用系统数据上传至数据中心节点。数据中心节点转发上传数据至远程服务器和附近的智能移动设备。在服务器上开发功能基本完备的监测网站，实现对两个自行设计的光伏应用系统的监测。

图7 系统联调方案

使用计算机和智能手机分别对监测网站进行访问，查看监测网站显示的数据，为了使结果更具说服力，在使用智能手机对监测网站进行访问时，智能手机的上网方式选用运营商数据流量模式。

具体在调试过程中需要注意以下几个方面的问题：

(1) 数据采集节点的外部供电来自于光伏应用系统所以数据采集节点和光伏应用系统需要共地。

(2) 实验室处于校园网内的计算机若想作为服务器发布网站，需要使用“花生壳”软件的端口映射功能结合所申请的固定域名(lxlsjksyh.6655.la)实现监测网页的发布。

图8(a)和(b)展示分别是使用计算机和智能手机对监测网站进行访问。

图8 监测网站的访问

6 结论

通过实验可以看出，根据光伏应用系统的分布特点将ZigBee技术，GPRS-DTU技术，以及互联网Web监测技术相结

合，可以有效的完成光伏应用系统的远程监测与数据收集工作。在此基础上可以进一步完善系统功能如权限管理、利用大数据学进行数据分析、系统告警、控制等功能，使新能源应用技术发展的更具系统化、智能化。

[1] Batista N C, et al. Photovoltaic and wind energy systems monitoring and building/home energy management using ZigBee devices within a smart grid[J]. Energy 2013;49:306-315.

[2] Lund H, et al. Connolly D. From electricity smart grids to smart energy systems-a market operation based approach and understanding[J]. Energy 2012;42:96-102.

[3] Alagoz B B, Kaygusuz A, Karabiber A. A user-mode distributed energy management architecture for smart grid applications[J]. Energy 2012;44:167-177.

[4] 马 龙，汪 炜. 基于ZigBee和Android手机的分布式光伏电站监控系统[J].计算机与现代化, 2014(4):152-156.

[5] 王国青. 区域型光伏电站监控[J].新能源, 2015,(1):45-46.

[6] 李立伟, 王 英, 包书哲. 光伏电站智能监控系统的研制[J].电源技术, 2007,31(1):76-79.

[7] 刘海妹. 基于嵌入式的光伏逆变器监控平台的研究[J].电源技术, 2014,39(4):830-831.

[8] 陈 丹, 柯熙政, 秦 欢. 一种智能照明控制系统的上位机软件设计与实现[J].西安理工大学学报, 2013,29(4):406-410.

[9] 陈 丹, 柯熙政, 王 佳. 一种智能调光系统的研制与实现[J]. 西安理工大学学报, 2013,29(1):45-49.

Design of Remote Monitoring Platform for Photovoltaic Application System

Xing Yuhua, Song Junkang, Guo Qingji

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

With the continuous development of solar power technology, more and more applications of PV system are used by industrial units and individuals. In order to solve the technical problem of detection and maintenance about distributed PV application system, this paper describes a design of a remote monitoring platform for PV applications. Based on the study of wireless network technology and wireless data transmission technology, and according to the characteristics of the distributed PV application system, a remote monitoring system is designed, which consists of the acquisition nodes, data center nodes, web server, and mobile client, and this system combines Embedded technology, ZigBee technology, GPRS-DTU technology and Internet web monitoring technology. The experimental verification of the system is carried out. The experimental results show that the system can collect the running data of the remote distributed PV application system, and can networking and remote transmit the running data, which can be accessed and controlled remotely through the computer or mobile phone and other mobile client. This paper provides an effective technical solution for the remote management and maintenance of distributed PV application system.

solar power; distributed PV application system; remote monitoring

2016-06-05；

2016-08-19。

邢毓华(1966-)，男，硕士，副教授，主要从事物联网通信技术方向的研究。

1671-4598(2017)01-0057-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.017

N913.23

A