基于无线传感器网络和GPRS的太阳能板远程监控系统

李方梅（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

基于无线传感器网络和GPRS的太阳能板远程监控系统

李方梅（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

采用无线传感器网络和GPRS实现了对多个太阳能板的数据采集于监测功能，系统通过ZigBee子节点采集太阳能板的数据并由ZigBee协调器统一打包传送到PC机，PC机上的监控软件可以实时的显示接收到的监测数据判断是否异常，并能通过RS-232串口操作GPRS模块实现告警信息的短消息传送。该系统运行稳定可靠，具有良好的人机交互界面，易于对其功能进行扩展，初步的实现了太阳能板的连续监测，在节能减排、控制环境污染方面取得了初步成效。

无线传感器网络 GPRS 太阳能 监控

1 概述

随着煤炭、石油等不可再生资源的巨大消耗，能源问题已经成为国际社会经济、政治发展的主要瓶颈问题，另外，为了减缓全球变暖的速度，降低碳的排放量，越来越多的国家注重新能源的开发和利用。太阳能作为无污染的清洁新能源的一种，在解决能源危机方面有着不可忽视的作用和优势，特别是我国的光伏产业的飞速发展和国家新能源战略的实施，为太阳能发电在我国提供了广阔的发展前景。太阳能发电在国内外的油田中也同样获得了广泛的应用。新疆油田、塔里木油田、江苏油田等都已经进行了太阳能发电在油田的推广应用工作，并且在节能减排、控制环境污染方面取得了初步的成效[1]。应用领域包括油区偏远的天然气井口仪器仪表、抽油机、井口保温、视频监测、空气调温、照明等油田生产生活等各个方面。由于这些油区较为偏远，很多应用太阳能发电设备都是无人值守的，因此对太阳能板发电情况进行远程监控是很有必要的[2,3]。

为实现上述目的，文中设计了一个采用无线传感器网络和GPRS技术对小范围内集中的太阳能板的发电情况作程的连续测试，测试结果数据可以通过GPRS网络远传到集中控制中心的主机，也可以短信息的形式传输到指定的移动电话。可以反映系统优劣的技术经济评价参数,探讨其实现的方法和途径,以便为太阳能发电系统在油田的大面积推广应用提供技术支持。

2 系统框架设计

太阳能板远程监控系统采用的框架如图1所示。为了实现对太阳能板的远程监控，需要使用太阳能板ZigBee节点模块、光照度ZigBee节点模块、ZigBee协调器、GPRS模块和PC机构成。由ZigBee节点模块采集太阳能板和光照度的监控信息，再将其传送到ZigBee协调器，ZigBee协调器负责通过USB与PC机通讯，传输监控信息，PC机监控软件实时连续的显示监控信息，并在有异常发生的时候通过GPRS模块向指定的手机发送警报短信。如此就实现了对太阳能发电系统的远程监控[4,5]。

图1 太阳能板远程监控系统框架示意图

3 系统软件结构设计

3.1 远程采集与监控原理

1）使用光照度传感器来测量远程的光照度数据，以此了解现场光照度数值的变化情况。采用光电晶体管传感器KPS-3227SP1C来测量光照度数值，此器件对于可见光光谱有相当好的灵敏度，集电极光电流与照度的线性度几乎完全成正比关系。入射光能量与晶体管产生的集电极电流Ic成正比，而Ic的变化会影响到集电极负载Rc的电压，因此集电极电压Vce也会改变，所以只要测量Rc两端的电压或者Vce，就可以大致知道目前照射的光照度量为何值。

2）直接测量太阳能电池输出电压和电流来监控太阳能电池的工作情况，并通过计算得出与光照度值之间的关系，当两者不一致的时候自动产生报警信息在监控软件上提示，同时发送报警短信到指定的移动电话设备。

3）光照度和太阳能电池板的数据采集主要依靠两种ZigBee节点来实现。ZigBee节点同时具有与ZigBee协调器通信的功能，可以将采集到的数据以预设的方式传送到ZigBee协调器，再由ZigBee协调器通过USB接口传送到PC机，PC机运行监控软件，可以显示ZigBee网络的拓扑图信息，ZigBee各个节点的工作情况，以及实时采集上来的监控数据。同时还有一系列的系统设置管理功能。

4）为实现在无人值守的情况下对监控信息的报警提示，系统引入了GPRS模块，与PC机的串口连接，并在监控软件上增加响应的设置功能、报警信息产生和短消息发送功能。图1所示的ZigBee协调器和PC主机之间也可以再增加一个GPRS模块，这样就可以实现PC机和监控现场的分离。实现更加远程的监控。

3.2 软件功能设计

根据系统框架的特点，系统监控软件主要有数据采集模块、ZigBee管理模块、GPRS管理模块和监控信息显示模块等构成。系统实现的功能软件功能模块图见图2。

1）数据采集模块。负责对ZigBee协调器传来的数据进行接收和数据包分析，获得各个节点的监控数据，包括太阳能板的电压、电流以及即时的光照度信息。

2）网络管理模块。负责对ZigBee的网络拓扑进行管理，实现拓扑图和相关信息的显示，包括各节点的位置、MAC地址、父节点子节点关系等。

3）GPRS管理模块。通过AT命令实现对GPRS模块的管理和操作。可以设置通讯端口号以及串口通讯配置，自动根据监控信息生成报警短信，并能以短信息的形式发送到预设的移动电话上。

图2 系统软件功能模块图

4）信息显示模块。实现各个节点的光照度和电压电流数据的显示，还可以查询历史监控数据。

5）故障检测模块。可以根据电压电流数据计算出响应的光照度值并与实测的值进行比较，如果二者出现较大的偏差则会生成报警信息。同时该模块也会对历史报警信息进行管理。

3.3 软件工作流程

在此只详细的说明从监控信号采集到PC机以及进行处理和产生报警信息的工作流程。如图3所示，首先各个ZigBee子节点采集太阳能板电压电流和光照度数据，之后发送到ZigBee协调节点，协调节点对各个子节点发来的监测数据打包通过USB接口传送到PC机，PC机监控软件解包并分析数据，判断是否有异常，如果有异常，那么就会启动故障检测模块显示告警信息并存储告警信息，同时启动GPRS管理模块向指定的移动电话发送短信息告警。否则调用信息显示模块，正常显示监测数据并将其存储。无论是调用故障检测模块还是调用信息显示模块返回后都会开始新的数据采集过程[6]。

图3 监控软件工作流程图

4 软件系统实现

4.1 GPRS短信息告警的实现

对GPRS串行模块进行编程需要利用串行端口向其下达控制命令，因此程序中要建立起一个串行端口对象[7,8]。而传送GPRS命令，后面需要加入具有数据结束符或归位符，在ASCII码表中其十进制为13，在VisualBasic程序中需将其转换成ASCII码，因此程序中开头应建立这个转换声明：

短信息发送程序需要经过如下流程：

1）输入”AT+CMGF=0”（设定为PDU模式）；

2）输入”AT+CMGS=X”（X=总字符串长度）；

3）读取输入符号”>”；

4）送出PDU信息程序；

5）读取返回信息”+CMGS”表示正确发送成功

图4为系统的监控软件界面，共有6个面板按照软件功能模块分别实现不同的功能，图中有6个ZigBee子节点，1个ZigBee协调器。

图4 系统监控软件界面

5 结束语

系统采用无线传感器网络和GPRS实现了对多个太阳能板的数据采集与监测功能。采用Visual Basic通过USB端口接收ZigBee协调器传送的监测数据，通过RS-232串口操作GPRS模块实现告警信息的短消息传送，该系统具有良好的人机交互界面，易于对其功能进行扩展，初步的实现了太阳能板的连续监测，为太阳能发电应用于油田地面工程的监测技术提供了可借鉴的参考设计。

[1]范玉平.太阳能节能技术在油田的应用[J],石油天然气学报,2005,27(3):568-569.

[2]阮林华,张建江,吴永忠.太阳能照明在油田的应用[J].节能与环保,2009(6):50.

[3]纪海玲.太阳能利用现状及其在油田开发中的应用前景[J].特种油气藏,2002,9(5):97-98.

[4]张光南,佘乾顺.便携式温湿度无线监控系统的设计与实现[J].激光与红外,2008,38(12):1229-1232.

[5]徐敬东,赵文耀,李淼,等.基于ZigBee的无线传感器网络设计[J].计算机工程,2010,36(10):110-112.

[6]王荣存,唐翔,蔺超文.基于多线程的太阳能热力监控系统的设计与实现[J].测控技术,2009,28(8):79-81.

[7]李江全,张丽,岑红蕾.VisualBasic串口通信与测控[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[8]孙成,贾秋玲,闫建国,等.基于VC的无人机模拟训练系统软件开发[J].计算机测量与控制,2010,18(3): 709-710.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.07.023

2012-05-28）

李方梅，1991年毕业于承德石油高等技术专科学校，工程师，主要从事暖通方面的设计工作，地址：黑龙江省大庆油田有限责任公司第九采油厂规划设计研究所，163853。