基于GPRS和ZigBee 的风光互补电站远程监控系统设计

梁海峰

（江苏工程职业技术学院 江苏 南通226007）

近年来，随着煤炭、石油和天然气等资源的枯竭以及环保要求的不断提高，国际社会开始强烈关注能源危机和温室气体排放带来的全球气候变暖问题。风能和太阳能作为最为理想和最有潜力的清洁能源得到了越来越多的关注和研究，这两种能源都是低密度能源，将两者结合起来构成风光互补电站，按照合理的容量配置互补运行并安装合适的蓄电池组进行能量存储和负载的均衡，则能够使二者的弱点得以均衡，得到电源输出稳定、性价比高、应用灵活能源[1]。但由于风能、太阳能存在能量密度低且随机性强的特点，所以为了获得更多的电能，风光互补发电站一般都架设在比较偏远的开阔地带，这就对电站的监控提出了新的要求，而GPRS无线通信技术的发展，为实现电站远程监控提供了可能。

1 风光互补电站的工作原理

风光互补电站一般由多个子站组成，如图1所示，每个子站主要由“机构设备”和“能量控制”两部分组成[2]。其中，风光互补发电机构设备由风力发电机、太阳能电池板和连接装置等构成；风光互补发电能量控制部分由蓄电池组、DC/DC变换器、逆变器和控制器等组成。为了获取更好的发电效果，需要根据光伏发电与风力发电系统实际运行状态及负载和蓄电池电压电流变化情况，实现对风光互补发电运行模式的调节，实时检测系统各参数，当出现异常的情况时能及时发出报警信号。

2 监控系统系统工作原理

风光互补电站远程监控系统如图2所示，由ZigBee网络、嵌入式网关、远程PC访问控制端和用户手机客户端组成，其中，ZigBee网络由多个节点组成，包括电站所在地风速、风向、温湿度等环境量测试节点，风力机发电电压电流、太阳能电池板的电压电流、蓄电池的电压电流监测节点；以及风力机控制继电器节点，这些节点与协调器构成ZigBee网络，实现数据的无线传输，同时与远程计算机采用GPRS通讯方式。ZigBee网络的协调器通过串口将数据上传到嵌入式网关，嵌入式网关通过GPRS模块和监控计算机以及用户手机服务端通信。

图1 风光互补电站结构示意图Fig.1 Structure diagram of wind-solar power station

图2 监控系统的原理结构框图Fig.2 The design framework of monitoring system

3 风光互补监控系统硬件设计

3.1 ZigBee网络节点

ZigBee网络节点是监控系统的关键节点，网络节点采用模块化设计，主要由电源模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块组成[3]，其具体结构如图3所示，电源模块负责为节点供电，提供各部分运行所需的电量；传感器模块负责采集电站阐述信息并做一定的数据转换；处理器模块负责对整个节点进行控制和管理；无线通信模块负责节点之间按一定的通信协议相互通信。

图3 网络节点原理结构框图Fig.3 The design framework of network node

网络节点的微处理器采用TI公司无线通信芯片CC2530，负责驱动传感器以及数据的接收和发送[3]。无线射频模块选用外接型鞭状天线增强信号的强度。传感器模块对电站周围环境的温湿度、光照度、风速风向、电池板的电压电流等状态数据的采集，电源模块将为系统提供系统所需电压。协调器作为无线传感网络中最为特殊的节点，主要负责ZigBee网络的建立维护、分配网内地址、控制终端节点加入等工作[4]，硬件设计和网络节点类似，也是选择CC2530为控制芯片的无线射频单元，通过Zigbee射频模块与其它节点构建成Zigbee网络。

TI公司的CC2530芯片是一款完全兼容8051内核的单片机，支持IEEE802.15.4无线通信协议，最大拥有256 KB的可编程FLASH容量，12个10位精度的A/D转换通道，21个双向的I/O端口，该款单片机能满足Z?Stack运行内存容量的要求[5]。配合TI公司提供的Z-Stack协议栈软件，能够方便快捷地完成监控系统系统的开发。以CC2530芯片为核心构成的ZigBee模块，通过不同的软件配置可以在ZigBee网络中扮演不同的角色，成为协调器节点、终端节点。

3.2 嵌入式网关

嵌入式网关是监控系统另一关键节点，电站监控系统通过它可以与基于IP的骨干网络进行通信，如图4所示，既是网络连接设备，也是无线传感网络中的汇聚点，能够实现数据的转发。一方面，通过串口通信的方式和协调器通信，获取各节点采集到的电站参数并存储到数据库中，同时将控制命令发送到协调器，传到各控制节点，实现对风机的控制。另一方面，嵌入式网关可以通过GPRS通讯模块接入GPRS网络，实现与远程监控计算机通信。

图4 无线网关节点单元硬件结构图Fig.4 The design framework of Embedded gateway

网关核心处理器选择三星公司的S3C2440A芯片，是一款基于ARM920T内核的高性能的16/32位RISC处理器，拥有独立的I6 kB指令缓存和16 kB数据缓存。S3C2440A处理器支持大/小端存储模式，总共有8个BANK,每个BANK地址空间为128 MB,寻址空间达1 GB,并且支持NOR FLASH或NAND FLASH等引导方式，其性能稳定、功耗低、高速的数据处理能力使其非常适用于对功耗和成本比较敏感的应用场合[6]。

GPRS模块采用了SIMCOM公司的SIM900A，该模块体积小巧，性能突出，内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT命令让用户能够容易的使用TCP/IP协议，而且在数据传输方面应用广泛，主串口和调试串口可以帮助用户轻松地进行开发应用[7]。GPRS模块通过接口外接SIM卡卡座，接入GPRS网络，实现点对点数据传输,与远程监控PC通信，实现对电站的监控。

4 监控系统的软件设计

监控系统软件设计主要包括网络节点程序设计、协调器程序设计、网关程序设计以及PC端监控软件设计四部分。网络节点负责采集风光互补电站的相关技术参数信息并将数据转送给协调器，主要负责与协调器建立网络、接收控制指令、发送数据参数，程序流程图如图5所示。协调器程序负责构建Zigbee网络同时实现与网关的通信，接受嵌入式网关发来的指令并向相应的网络节点通信，程序流程图如图6所示。

图5 网络节点程序流程图Fig.5 Flow chart of network node program

图6 协调器程序流程图Fig.6 Flow chart of coordinator program

4.1 网关控制程序设计

由于μC/OS-Ⅱ嵌人式实时操作系统具有免费使用开放源代码!内核代码小等诸多优点,因此网关应用程序以μC/OS-Ⅱ操作系统为平台进行相应软件的开发。网关控制程序主要完成初始化系统及GPRS模块，并依照通信协议接入GPRS网络，与PC及通信握手，接收PC监控端或手机客户端发来的信息，并分析信息内容。根据指令解析结果，将控制指令发送给ZigBee网络协调器。

网关控制主程序流程图如图7所示，首先进行初始化，通过GPRS模块接入GPRS网络，然后启动TCP连接，与PC机通信，接收来自PC监控端的指令并分析处理。网关分析处理指令的过程实际上就是处理字符串的过程，采用字符串函数对收到的指令进行比较，看看内容是不是符合某种格式，从而确定指令内容。在分析指令之后，对指令进行相关操作。如是查看电站状态参数指令，则调用子程序采集状态参数信息，并通过AT指令发回给PC监控端，如是控制指令则将对应的指令代码写入到相应的文件中，等待网关的其他程序来读取指令并将指令发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器再把指令发给控制节点实现对电站的控制。

图7 网关控制主程序流程图Fig.7 Flow chart of Embedded gateway e program

4.2 监控端程序设计

PC端监控软件实现人机对话同时也实现与GPRS模块建立通讯联系，实现对电站运行监控。用户界面部分采用MFC框架基于Dialog实现，监控程序在Visual BasiC 6.0开发环境下编写,采用Winsock控件接收远程数据，无需了解TCP或底层winsock API函数，通过设置Winsock控件的属性和调用该控件的方法，就可以连接到远程计算机并进行双向数据交换，并将数据存放在数据库中[8]。图8为编号为FGDZ002风光互补电站的实时监控界面，监控软件可以根据电站编码查看各电站的实时数据，同时还可以发送远程命令对电站进行控制，同时还可以查看历史数据。

图8 风光系统互补电站远程监控系统界面Fig.8 The monitoring system interface of wind-solar power station

5 结论

根据风光互补电站的特点，提出了基于Zigbee和GPRS通信的风光互补电站远程监控的方案，利用ZigBee构建现场监控网络，采用TCP/IP协议实现基于GPRS网络的无线数据的传送，实现对电站的远程监控，在实验进行模拟实验，从图8监控数据可以看出，当前实验状态下，有日照，且风速达到风力发电机的启动风速，风光互补电站发电，总发电功率略高于负载功率，在向负载供电的同时，还对蓄电池进行充电。由此可见，该监控系统能够实时掌握电站运行状态信息，而且还可以直观显示运行数据或曲线，并可及时采取相应的电站运行控制策略。实践证明，该系统运行稳定，具有较强的推广应用价值。

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