基于ZigBee无线采集的光伏节能减排显示平台设计

姚仲敏，潘　飞，于晓红，吴红霞

(1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006；2.哈尔滨师范大学计算机与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150025)

基于ZigBee无线采集的光伏节能减排显示平台设计

姚仲敏1，潘飞1，于晓红2，吴红霞1

(1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006；2.哈尔滨师范大学计算机与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150025)

针对本地1.5 kWp的分布式光伏电站尚未建立完善的数据采集系统和具有环保警示意义的节能减排显示平台,采用温湿度传感器和ZigBee模块布设环境参量采集节点，实现光伏电站的环境参量实时采集、无线传输到监控中心上位机；光伏逆变器通过RS485总线与上位机通信进行发电数据的实时传输；环境参量和发电参量实时地显示到上位机界面并且存储到后台数据库，同时上位机控制LED点阵屏驱动模块实现环境参量和发电参量以及对应换算的减排量信息的实时刷新，以实时客观的节能减排数据来倡导人们“节能减排，保护环境”。

分布式光伏电站；温湿度传感器；ZigBee模块；LED点阵

当前主要的发电方式是火力发电，火力发电需要消耗大量的煤炭、石油、天然气等非可再生能源，不仅加剧了当前化石能源紧缺的现状，同时化石能源大量燃烧会产生大量温室气体二氧化碳以及有害气体二氧化硫、氮氧化合物等对环境造成巨大的威胁[1-2]。因此，现阶段调整电力结构，寻求清洁无污染的新能源发电是一种必然选择。太阳能凭借自身的储量大、清洁无污染、易获得等优势逐渐成为世界各国的研究热点[3-4]，太阳能光伏发电就是调整电力结构采用新能源发电的重要体现。

我国政府于2005年正式颁布了《可再生能源法》，2008年新的《节约能源法》正式施行，其第五章“激励措施”明确提出通过财政补贴、实行税收优惠等支持节能减排。2009年11月26日国务院常务会议上，对2020年控制温室气体排放提出了行动目标，会议决定到2020年我国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。2011年国务院印发《“十二五”节能减排综合性工作方案》，大力推广可再生能源[5]。

鉴于本地1.5 kWp的小型分布式光伏电站并未建立完善的环境参量和发电参量数据采集系统，缺乏一种响应国家“节能减排”号召对人们具有警示意义的光伏发电节能减排实时显示平台，采用ZigBee技术设计了环境参量(温湿度)采集节点实现光伏电站环境参量的实时传输，光伏逆变器通过485总线实时传输给上位机发电参量，环境参量和发电参量实时地显示到上位机界面并且存储到后台数据库，上位机控制LED点阵模块实现环境参量和发电参量以及相应的减排量信息的实时刷屏显示，以实时客观的节能减排数据来警示人们“节能减排，保护环境”。

1　系统的整体方案设计

1.1系统的工作流程图

图1为本地1.5 kW光伏电站节能减排显示平台系统的总体工作流程图。

图1　光伏电站节能减排显示平台系统总体工作流程图

如图1所示，利用ZigBee的终端节点 (连接温湿度传感器)将光伏电站所处环境的温湿度信息无线发送至ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点通过RS232与上位机连接，与此同时光伏电站通过逆变器并网，光伏电站的发电量数据通过逆变器RS485总线传输到上位机，这样上位机界面就可以实时显示温湿度及发电量信息的功能。上位机与后台数据库连接实现实时数据存储与查询功能，为后续研究光伏电站的发电效率与环境参量的关系做数据支撑。上位机控制LED点阵显示屏驱动模块来实时刷屏显示光伏电站工作环境参数和发电参数并将发电量换算成减碳量显示在屏幕上，对人们起到环保、节能警示作用。

1.2系统的整体框图

通过对整个显示平台的功能需求分析，系统的整体设计框图如图2所示。

图2　系统整体框图

由图2可得系统主要由5部分组成：

(1)ZigBee节点通信：具体包括ZigBee终端节点与温度传感器和湿度传感器连接组成温湿度采集节点，利用ZigBee的无线通信功能将采集信息发送至协调器节点;

(2)逆变器接口：逆变器是光伏并网的核心部分，将光伏阵列输出的直流电转化成交流电，逆变器能够智能换算出光伏电站不同时段的光伏发电量，通过RS485总线将发电量数据发送到上位机;

(3)上位机显示界面：上位机界面可以实时显示各种信息参数，包括温度、湿度、发电量，而且与后台数据库连接可以实现数据存储和查询功能;

(4)数据库：本设计中数据库与上位机相连，分类存储采集的实时温度、湿度以及发电量数据;

(5)LED点阵显示屏:本设计中LED点阵采用成本较低的双色点阵拼接(16×4)而成，显示的内容包括温度、湿度、发电量、减碳量等信息，旨在宏观上宣传“节能减排”的光伏理念，倡导“绿色能源，节能减排”。

2　系统硬件设计

节能减排显示平台硬件系统按照各模块功能的区别主要分为三个部分：ZigBee模块、逆变器总线接口模块、LED点阵显示模块。

2.1ZigBee模块设计

ZigBee模块主要包括ZigBee协议栈通信模块、温湿度传感器模块。本设计选用CC2530 ZigBee模块，CC2530是专门针对于IEEE802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗，是基于增强型8051的微控制器，利用TI公司Zig-Bee协议栈Z-Stack编程可以更方便高效地实现各种无线通信组网方式[6-7]。

2.1.1温湿度传感器模块

选用不锈钢封装的防水型DS18B20温度探头来测量环境温度，该传感器感温范围－55～+125℃，完全达到了本地区使用要求(本地区冬季最低温度－30℃)。该温度传感器独特的单总线接口节省了ZigBee模块的IO口，不仅避免了信号的过多损耗，并且提高了系统的抗干扰能力，适合测量恶劣环境中的温度，同时功耗很低[8]。

选用DHT11单总线数字温湿度传感器来测光伏电站环境湿度，DHT11是一款含有自校准功能、数字信号输出的温湿度复合传感器，具有超快响应、抗干扰能力强、成本低的优点[9]。单总线接口的设计，让它与ZigBee模块的终端连接更为简单。DHT11湿度测量范围是20%～90%RH，温度测量范围是0～50℃，本设计要测量光伏电站工作环境温度和湿度，本来使用DHT11即可满足要求测出温湿度，但由于本地冬季室外气温最低可达到－30℃，而DHT11的感温范围是0～+50℃，因此就无法满足测量要求。在本设计中使用DS18B20测量温度，DHT11测得的参数仅保留湿度部分。

2.1.2ZigBee通信模块

本设计选用2块CC2530 ZigBee模块，1块作为温湿度采集终端节点，1块作为协调器节点与上位机连接，终端节点和协调器节点采用简单的“点对点”通信即可满足设计要求。CC2530通过IO口与DS18B20温度传感器和DHT11湿度传感器的串行数据总线相连，实现温湿度数据的实时传输给终端节点ZigBee模块，然后经过“点对点”通信方式发送到协调器节点，最终在上位机界面实时显示。

2.2逆变器总线接口模块

本地1.5 kWp分布式光伏电站并网逆变器采用阳光有限公司SG1K5TL光伏逆变器，并网逆变效率可达95%，光伏逆变器RS485总线通过RS485/RS232转换器与上位机进行通信，实时传输不同时间段的发电量数据，显示到上位机界面。

2.3LED点阵显示驱动模块

本设计中LED点阵驱动采用行线作扫描线，列线作数据线的方式扫描，图3即为LED点阵显示驱动模块工作原理图。如图3所示，采用STC12C5A60S2单片机控制LED点阵行驱动器和列驱动器，再由驱动器驱动点阵屏的每一行每一列。STC12C5A602S单片机有36个通用I/O口，大部分是可位控的，节省了LED显示屏电路的端口，并且STC12C5A602S单片机有ISP串口和双UART，使用UART可很容易地实现控制程序下载。

图3　LED点阵显示驱动模块工作原理图

3　系统软件设计

显示平台系统的软件设计主要包括ZigBee模块软件设计、上位机界面软件设计和LED显示屏驱动软件设计。

3.1ZigBee模块软件设计

本设计中，以CC2530为核心板，在IAR Embedded Workbench(又称为EW)平台上采用C语言编程实现ZigBee终端节点传感器数据采集和基于Z-Stack协议栈的点对点通信。

3.1.1ZigBee点对点通信软件设计

利用TI Z-Stack协议栈提供的API进行代码修改，不用去研究ZigBee协议具体实现的细节，只要知道数据收发双方就可以。

修改协议栈函数SampleApp.c函数实现点对点通信关键代码如下：

3.1.2传感器数据采集程序设计

把DS18B20和DHT11程序移植到协议栈中，加到点播例程中从而实现采集的温湿度数据点播。

(1)读取传感器数据主要代码如下：

(2)协调器节点接收数据关键代码如下：

3.2上位机界面软件设计

上位机显示界面主要是显示环境参数、发电量，控制LED点阵实时刷新显示，并与后台数据库连接。采用VS2010软件开发平台，利用C#语言编程设计实时显示界面。

上位机实时显示界面工作流程如图4所示。

图4　上位机显示界面工作流程图

打开登录界面，输入用户名和密码就进入显示界面，在没有设置串口前，界面显示当前时间，设置串口信息后显示界面就显示环境参数和发电量。显示界面与数据库连接将信息实时存储到数据库中，并且与LED点阵显示屏串口连接，控制传输时间，自动刷新LED显示屏的内容，显示环境参数和发电情况。

3.3LED显示屏软件设计

LED显示屏显示的内容与上位机界面基本一致，时间，温湿度，光伏发电量情况和减碳量情况。基于STC12C5A60S2单片机在Keil4.0开发环境下采用C语言编写LED点阵屏驱动程序。LED点阵显示屏的工作流程如图5所示。

图5　LED点阵显示屏工作流程图

(1)点阵初始化的内容包括定时器0的初始化、锁存信号的初始化、屏幕缓冲区的初始化清零，以及定时器和SPI中断优先级和使能位的初始化。关键代码如下：

(2)UART接口负责与上位机通信，读取上位机发送的数据，UART接口的核心是一个中断服务程序，UART接口的头文件XIANSHI.h没有显示缓冲区的信息，需要调用初始化、发送和接收函数重新定义头文件，关键代码如下：

(3)首先，定时器0的中断服务程序扫描行增量进行取模运算，并将扫描行输出。然后，根据扫描结果取出屏幕缓冲区对应行的第一个字节，发送到SPI端口，同时列值加1。LED屏驱动代码如下：

4　显示平台系统软硬件调测试

在VS2010环境下运行编写好的上位机显示平台程序，正确输入密码和用户名之后，点击登陆按钮，进入显示界面，如图6所示。

图6　显示界面

图7为数据库的历史记录查询表，时间为1分钟改变1次，即每分钟添加1条记录，而时发电量，时减碳每小时更新1次，日发电量和日减碳每日更新1次，最后的总发电量和总减碳不断累积每日更新1次。

接下来的四张图片为LED点阵显示屏的实测图，内容刷新周期与数据库同步，每15 s刷新一次LED显示屏。图8为日期和当前的温度与湿度环境参量。

15 s之后，出现如图9的显示效果，在11点-12点之间，显示的都是如下时发电量和时减碳量信息，过了12点就会更新内容，显示11点-12点的时发电量与时减碳量。

每日从系统开始工作后每隔1小时更新一次累积到当前时间的发电量与减碳量信息，如图10所示。

累积每天的日发电量与减碳量信息，即总发电量与减碳量信息，每日累积刷新一次，如图11所示。

图7　数据库历史记录查询表

图8　日期与当前温湿度环境参量

图9　时发电量与时减碳量

图10　累计到当前时间的发电量与减碳量

图11　系统总发电量与减碳量

5　结论

基于ZigBee无线采集的光伏电站节能减排显示平台系统以本地1.5 kWp的分布式光伏电站为背景，完成了ZigBee环境参量采集系统的搭建，上位机实时显示平台的设计，后台数据库的构建以及具有“节能减排，保护环境”警示意义的LED点阵屏模块的设计，经过相关软硬件调测试实现了光伏电站环境参量温湿度数据和逆变器发电量数据的实时采集传输显示到上位机界面，并且存储到后台数据库中；同时将环境参量信息和发电量信息以及对应的减排量信息实时显示在LED点阵屏上，以实际客观的数据来提醒人们树立“节能减排”“绿色能源”的光伏理念，对推进我国倡导的“节能减排”政策以及推进光伏发电也具有长远的意义。

[1]贾晓龙.浅谈新能源及可再生能源发电[J].装备制造技术，2013，7：21-24.

[2]HAN C F,LIU J X,LIANG H W,et al.An innovative integrated system utilizing solar energy as power for the treatment of decen tralized wastewater[J].Journal of Environmental Science,2013,25 (2):274-279.

[3]罗承先.太阳能发电的普及与前景[J].中外能源，2010，11：33-39.

[4]陈树勇，鲍海，吴春洋，等.分布式光伏发电并网公路直接控制方法[J].中国电机工程学报，2011，31(10)：6-11.

[5]张金英.低碳经济政策就业效应的理论解析与实证研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[6]邓中华.ZigBee技术在无线温度采集系统中的应用研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[7]杨松，胡国荣，徐沛成.基于CC2530的ZigBee协议MAC层设计与实现[J].计算机工程与设计，2013，34(11)：3840-3844.

[8]汤锴杰，栗灿，王迪，等.基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计[J].传感器与微系统，2014，33(3)：99-102.

[9]李长有，王文华.基于DHT11温湿度测控系统设计[J].机床与液压，2013，41(13)：107-108.

Energy-saving and emission-reduction display platform design of PV power plant based on ZigBee wireless acquisition

YAO Zhong-min1,PAN Fei1,YU Xiao-hong2,WU Hong-xia1
(1.School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihar Heilongjiang 161006,China; 2.Institute of Computer Science and Information Engineering,Harbin Normal University,Harbin Heilongjiang 150025,China)

For the lack of data collection system and energy-saving and emission-reduction display platform with environmental cautionary for the local 1.5 kWp distributed PV power plant,temperature and humidity sensor and ZigBee module was adopted to lay environmental parameters acquisition nodes and achieve real-time collection of environmental parameters in PV power plant,which was transmitted to the monitoring center PC.PV inverter communicated with PC for real-time transmission of power generation data by RS485 bus.Real-time environmental parameters and power generation parameters were displayed in PC interface and stored in the background database. Meanwhile,PC controlled the driver module of LED dot matrix display to refresh the real-time environmental and power generation parameters and corresponding reductions information,advocating people to"Energy-saving and Emission-reduction and Environmental Protection".

distributed PV power plant;temperature and humidity sensor;ZigBee module;LED dot matrix

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1993-04

2016-03-24

智能教育与信息工程黑龙江省高校重点实验室(哈尔滨师范大学)开放课题(SEIE2014-05);齐齐哈尔市科技局工业攻关项目(GYGG-201106)

姚仲敏(1959—)，女，黑龙江省人，教授，主要研究方向为基于物联网的分布式太阳能光伏电站应用研究。