基于ZigBee 和GPRS 的户用屋顶光伏管理系统

刘彦超 位礼奎

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008)

0 引言

随着分布式光伏发电技术的发展，户用屋顶光伏逐渐走入千家万户［1-3］。大规模的分布式屋顶光伏的接入给电网公司的管理带来了困难和挑战，因此，有必要进行集中式的监测和管理，以提高家庭供电的安全性和可靠性［4-6］。文献［7］开发了基于RS-485 总线和Internet 网络技术的光伏远程监控系统，但其主要针对光伏电站设计，不适合用在网络节点数量较多的户用光伏中。文献［8］针对人烟稀少的边远地区，设计了太阳能光伏发电无线监控系统，该系统网络的利用率较低。文献［9］提出一种结合DSP 和3G 技术的并网运行光伏监控系统，其通信速度更快，但建设和通信成本较高。因此，现有的光伏监控系统并不适用于大规模户用屋顶光伏的管理。

本文以ZigBee 和GPRS 通信技术为基础，提出了一种全新的管理系统，以实现对户用屋顶光伏的层次化管理。

1 系统整体结构

本文所提出的户用屋顶光伏管理系统，由用户监控终端、区域监控子站、远程管理中心三个层次组成，系统结构如图1 所示。用户监控终端与区域监控子站间通过ZigBee 网络进行通信，实现监控数据的上传和控制指令的接收;区域监控子站与远程控制中心间通过GPRS 网络进行通信，实现区域数据的发送和控制指令的接收;远程管理中心通过上位机实现对管理范围用户的监测和管理。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

2 关键部件硬件设计

2.1 用户监控终端

用户监控终端包括用户端监控设备和ZigBee 无线通信模块，其硬件结构如图2 所示。

图2 用户监控终端硬件结构图Fig.2 Hardware structure of the user monitoring terminal

用户端监控设备主要由数据采集器、处理器模块、LCD 显示屏、控制按键、电源模块组成。数据采集器采集逆变器和蓄电池的电压、电流、电量、温度等信息，送给处理器模块的内部存储单元。处理器模块将这些参数通过显示屏显示给用户，用户可根据自身需求对其屋顶光伏进行简单控制。

本文用户监控终端的处理器模块和无线通信模块采用一片CC2530 芯片。CC2530 是TI 公司生产用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系统解决方案，片内整合了RF 收发器、增强型8051MCU、最大256 kB 的Flash 内存、8 kB 的RAM;集成了2 个USART、8 通道12 位ADC 模数转换，128 位AES 加密解密安全协议;只需极少的外围电路即可实现信号的收发功能，并且支持空中无线下载。考虑到用户监控终端可能安装在室内或建筑物较多的区域，会对ZigBee 无线信号的传输造成很大衰减，所以加装了CC2591 射频范围扩展器。CC2591 具有低功耗、低电压的特点，能有效提高CC2530 的输出功率，增加数据收发的灵敏度。用户监控终端将用户数据按照ZigBee 通信协议规范发送给区域监控子站，同时，接收区域监控子站传达的指令，对用户设备进行控制。

2.2 区域监控子站

区域监控子站是建立在一定区域内(如某小区或某农村)的监控设备，负责本区域内网络的管理以及数据传输的中转，包括ZigBee 网络协调器、控制器、外部存储模块、环境检测传感器、数据采集器、电源模块和GPRS 通信模块等，其硬件结构如图3 所示

图3 区域监控子站硬件结构图Fig.3 Hardware structure of the regional monitoring sub-station

在本文的设计中，选用TI 公司CC2538 作为网络协调器和控制器的主芯片。这款产品包含基于ARM Cortex M3 的强大的MCU 系统，具有高达32 kB 的片上RAM 和高达512 kB 的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4 射频功能;能够处理涉及安全性、要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈;32 个通用输入和输出(GPIO)以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。GPRS 模块采用的是Siemens 公司的MC35i 模块，其尺寸很小，方便集成到其他设备中，能得到永久在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度。GPRS 模块和CC2538 之间的通信采用UART 接口。CC2538 首先对模块进行串口参数设置。接着进行模块参数设置GPRS 模块成功接入网络后，CC2538 将需要发送的数据封装成TCP/IP 帧格式，经串口发送给GPRS 模块，数据经GPRS 网络发送至远程管理中心。

环境检测传感器负责对区域内日照、温度等天气情况的监测，并将监测数据传送给控制器。此外，由于区域内的用户较多，用户数据量大，需要扩展外部存储单元，以方便用户数据的存储和发送。

2.3 远程管理中心

远程管理中心包括控制计算机、Web 服务器和数据库服务器。远程管理中心通过Web 服务器接收区域监控子站经GPRS 网络发来的数据，利用上位机对用户进行实时的监测和管理，并建立数据库对用户数据进行存储和管理。

3 软件设计

3.1 监控终端程序设计

监控终端程序流程图如图4 所示。

图4 监控终端程序流程图Fig.4 Flowchart of the program of monitoring terminal

用户监控终端需要完成对用户信息的采集和显示，并实时接收区域监控子站发来的指令，完成数据上报和设备控制。在正常情况下，区域监控子站每隔一段时间向用户监控终端发送数据上报指令，监控终端收到上报指令后，将采集到的信息进行上报;当用户监控终端接收到区域监控子站发来的控制指令时，处理器进入控制中断子程序完成相应控制。

3.2 网络协调器程序设计

作为区域监控子站的关键部件，网络协调器负责区域内ZigBee 无线网络的建立、管理和维护。由于各用户间无需通信，且用户监控终端与区域监控子站在硬件上满足通信距离的要求，本文的设计中选用星型拓扑作为区域内ZigBee 无线网络的结构。这种拓扑方式结构简单、管理方便。

设备上电复位后，协调器首先完成协议栈的初始化工作，然后协调器开始扫描并选择合适的信道，建立区域内的ZigBee 无线网络。区域内的各用户可以根据管理中心的安排加入或退出网络。由于采取星型拓扑结构，用户终端与区域子站间实际上是点对点的通信，区域监控子站每隔一段时间向各用户监控终端发送数据上报指令，接收用户上报的数据并进行格式转换后发送给管理中心;同时，也接收从管理中心发送来的控制指令，根据指令地址将指令传达给相应的用户终端，完成对用户的控制。网络协调器程序流程如图5 所示。

图5 网络协调器流程图Fig.5 Flowchart of the network coordinator

3.3 管理软件设计

远程管理中心是整个管理系统的中枢，负责其整个管理范围内各用户、各区域的监测和控制。远程管理中心接收各区域监控子站经GPRS 网络发来的数据，完成对数据的转换、分析、显示和存储;及时发现用户侧的故障或警告，根据用电情况作出相应的安排，控制用户侧的运行;建立专门的数据库保存用户数据，方便对历史数据的查看、调用和上传。

本文的设计中，采用LabVIEW 虚拟仪器开发平台进行管理界面的开发，并设计有系统启动界面、系统主控界面、系统设置界面、实时显示界面、历史数据界面、故障报警界面等。LabVIEW 便捷的图形化显示功能为管理人员提供了专业的可视化操作。管理人员可通过管理界面观察各区域、各用户的运行情况，并及时发送控制命令，实现了智能化管理。

采用关系数据库与内存数据库相结合的方式，利用SQL 建立用户数据库，通过LabVIEW 接口模块对用户数据进行存储和管理［10］，并将数据库服务器与Web服务器相连接，实现用户数据的网络传输。

4 实验分析

在实验室环境中，对本文所设计的户用屋顶光伏管理系统进行了实例模拟，以验证其设计功能是否能达到预期效果。测试方案中，包含1 个远程管理中心，1 个区域监控子站以及5 个用户监控终端，其结构如图6 所示。

图6 测试方案网络结构Fig.6 Network structure of the test scheme

当系统启动后，区域监控子站能快速选择网络地址，并为区域内各个监控终端分配ZigBee 无线网络地址;设置区域监控子站每隔1 min 向监控终端发送数据读取指令，监控终端收到指令后能快速准确地上报数据;当上位机发出控制指令时，监控子站率先接收到指令，并能根据指令地址向相应的监控终端发送控制指令。

5 结束语

随着分布式光伏的发展，光伏管理系统的发展将呈现无线化、远距离的特点。本文所提出的户用屋顶光伏管理系统以ZigBee 和GPRS 网络为基础，充分考虑户用光伏的分布特点，建立合理的网络结构以及分层次的管理模式，网络结构灵活，管理过程中监测可视化程度高、控制简单，大大提高了管理的可靠性和便捷性，节约了成本，具有广阔的发展前景。

［1］ 艾欣，韩晓男，孙英云.光伏发电并网及其相关技术发展现状与展望［J］.现代电力，2013，30(1):1 -7.

［2］ 章激扬，李达，杨苹，等.光伏发电发展趋势分析［J］. 可再生能源，2014，32(2):127 -132.

［3］ 王江波，费标清，王越，等. 户用微电网能量调度日前计划研究［J］.电测与仪表，2013，50(8):81 -86.

［4］ 杨永标，王双虎，王余生，等.一种分布式电源监控系统设计方案［J］.电力自动化设备，2011，31(9):125 -128.

［5］ 梁洪浩，丁国茂，江大川.适应智能电网的用户互动服务平台设计研究［J］.电测与仪表，2012，49(1):49 -51.

［6］ 邓清闯，李朝锋，胡韵华.光伏电站监控系统方案设计［J］.电力建设，2013，34(12):28 -31.

［7］ 舒杰，彭宏，沈辉，等.光伏系统的远程监控技术与实现［J］. 华南理工大学学报:自然科学版，2005(5):43 -47.

［8］ 马树才，王建军，谢芳.基于ZigBee 技术的光伏发电监控系统的研究和分析［J］.电源技术，2014，38(4):704 -705.

［9］ 赵立辉，曲平平，房帅.基于DSP 和3G 技术的屋顶光伏发电监控系统设计［J］.电气应用，2014(1):28 -30.

［10］谢标锴，沈辉，陈鸣. 基于LabVIEW 的光伏运行数据库设计和应用［J］.太阳能学报，2010，31(8):994 -998.