基于ZigBee技术的光伏阵列监测方案
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太阳能(也称光伏)电站大多是由数以百计、千计的光伏电池板组成的。光伏电站工作的稳定性和输出功率与光伏阵列是相关的，甚至与每一块光伏电池板的工作状 态相关。如何对庞大的光伏阵列进行监测和故障诊断是维持光伏电站正常工作的首要问题。目前，光伏阵列的主要问题是热斑现象。所谓的热斑现象就是光伏电池板 中部分光伏电池单体由于长时间被遮挡，导致其产生的电流小于其他没被遮挡的光伏电池单体产生的电流，根据基尔霍夫电压定律，这些被遮挡的光伏电池单体会带 负电压，成为电路中的负载，并以热量形式消耗其他正常工作的光伏电池单体产生的功率，这种热量的长时间积累会损坏光伏电池板的封装材料，甚至破坏光伏电池 板的物理结构，并将造成永久损坏。
目前，光伏阵列的监测方法主要有直接法和间接法。直接法是直接测量每块电池板的电压和电流，用总线技术将数据送入计算机判断。该方法存在规划布线、预设接 口、线路检测、线路扩容等一系列与传输路径有关的问题。间接法是通过测量电池的温差来判断电池的工作状态。然而此种方法存在一些缺陷，如不能区分温度相差 不明显的状态，实时性差，故障检测的精度和效率取决于检测设备(红外热像仪)的等级，不易实现在线故障分析和报警等等。
对比上述两种监测方法，利用无线传感器网络对光伏阵列进行监测具有无可比拟的优越性。无线传感器网络向三维空间传送数据，中间无需导体介质，节省人力和维 护费。网络自组织性和容错性高，易于重新布网。监测数据无人为干扰，所获数据资料原始准确，有利于科学研究及系统后续改进与优化。
该方案基于ZigBee技术的光伏阵列监测系统，采用四信ZigBee设备组网。
1 项目架构实施方案
1. 1 系统组成
整个系统架构划分为三层：采集终端层、数据传输层和应用管理层。采集终端层起执行者的作用，包含监测节点和中心节点。监测节点将采集到的数据以多跳的形式 传输给中心节点。中心节点负责将ZigBee监测区域子网内的数据传递给数据传输层。数据传输层起代理人的作用，负责整合采集层上传的数据并发送至应用管 理层。应用管理层主要是监控中心，起决策者的作用，负责数据的分析判断和系统的管理维护，实现远程实时监控查询和预警。
1.1.1采集终端层设备
整个系统的正常运行需要实时监控多个参数的运行状况，采集终端层设备就是用于实现各个监控节点的参数采集，例如，光伏组件电压、电流采样模块负责采样光伏 组件的电压电流数值，判断光伏组件是否发生故障，温度、湿度、光照等传感器负责采样环境数据，为系统优化和光伏组件调整提供数据支持，采集终端层设备采集 到的数据通过串口发送给四信ZigBee传输设备，或者也可以通过四信ZigBee设备直接采集系统的模拟量数据。
1.1.2 ZigBee数据传输设备
ZigBee数据传输层用的是四信F8914和F8114设备，在整个系统中用于实现数据传输通道的建立，当ZigBee设备从采集终端层接收到数据或者 通过ZigBee采集到数据后，通过自组建的无线网络传输发送到应用管理层，同时，应用管理层也可以通过ZigBee网络对各个监控节点发出控制指令，从 而实现数据的双向通信以达到遥测、遥控的目的。
该方案中我们所采用的ZigBee数据传输设备有两种，一种是只有ZigBee的F8914，还有一种是带ZigBee+GPRS的F8114，两者的区 别在于F8914完全用ZigBee无线网来传输，而F8114可先通过ZigBee无线将数据传输到中心节点，中心节点使用F8114，然后F8114 再通过GPRS无线网络发送到远端应用管理层的监控中心。
1.1.3 应用管理层
应用管理层主要为中心监控系统，中心监控系统主要由服务器机组和平台软件主组成，当中心监控系统接收到传输层发送来的数据后，会对数据进行各种分析，并根据分析结果进行各种控制操作，如发出告警信息、向终端监控设备发出控制指令等。
1.2 网络架构
根据应用管理层的监控中心与现场光伏电池板阵列的距离，我们提出两种网络实施架构，当监控中心就布设在光伏电池板阵列附近时，数据传输层采用ZigBee无线直接进行短距离数据传输接入，整个ZigBee无线网络只采用F8914进行组建。
如下图所示：
当中心监控与光伏电池板阵列的距离较远时，终端数据通过ZigBee设备F8914传输到带GPRS的中心节点F8114上，然后中心节点F8114将ZigBee数据转化为TCP/IP网络数据，然后通过GPRS运营商网传输到应用管理层的监控中心。
组网如下图：
当传输层中心节点F8114通过GPRS网络将数据传送到应用管理层的监控中心时，数据监控中心网络有多种网络接入方式：
1、 中心采用APN专线，所有终端都采用内网固定IP，客户中心通过一 条APN专线接入移动公司GPRS网络，在GGSN与移动公司互联路由器之间建立 GRE隧道。为客户分配专用的APN，其他的用户不得申请该APN。只有该专网内的SIM卡才能进入该APN，防止其他非法用户的进入。用户可以内部建立 RADIUS服务器，以保证用户内部安全。用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。 此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下的最 佳组网方式。
2、控制中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通 动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的 费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
3、控制中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。
1.3 其他组网方式
四信ZigBee设备不仅可以使用数据透明传输，同时支持IO采集，在该方案中，我们也可以使用ZigBee设备当作终端IO采集和数据传输。四信 ZigBee设备提供5路IO，3路模拟量输入、2路数字量、脉冲输入输出。模拟量输入为电压量和电流量，电压的输入量程为0-5V，电流的输入量程为 0-20mA，数字量输入输出的量程为0-3.3V，采集精度为12位。
四信ZigBee设备IO口采集数据时，需要将设备应用模式设置为AT或者API模式才可以，这种应用模式与数据传输的透传模式区别在于，透传模式，主要 用于数据的透传，中心发送的数据以广播的方式发送，不能指定终端，除非每次修改透传地址；AT模式，用于数据采集端和接收端监控模式，IO采集上报数据以 AT指令形式上报，同时AT模式下中心节点可使用AT+TXA=网络地址，数值来指定发送给哪个ZigBee终端；API模式，与AT模式功能是一样 的，API模式是采用16进制数发送的，而且发送的值都有校验码，异或和检验。
使用ZigBee设备IO口采集数据时，将设备应用模式设置为AT模式下，当IO口采集到数据时，有两种上报数据模式，当上报时间设置为非0数值时，则为 主动上报，IO口采集的数据根据设置的每几秒上报一次；当上报时间设置为0时，则为被动上报，需要上位机软件发送指令AT+NVn=<网络地址& gt; 来查看采集到的数据，模拟量采集需要根据公式换算之后才得到真正的值，
换算公式如下：
电压 =（采集值）*3.3*20.16/(2047*12.1) (V)
3.3：电压
20.16：电阻值 //内部用了两个电阻 12.1（电阻1）+8.06（电阻2）
2047：ADC量程 2的11次方
12.1：电阻1
电流 =（采集值）*3.3*1000/(2047*150) （mA）
3.3：电压
1000: mA单位转换
2047：ADC量程 2的11次方
150：电阻值
同时，使用ZigBee设备IO采集时，上位机软件需要根据四信的协议开发，也就是要根据说明书上的AT指令格式开发才可以。
2 方案特点
ZigBee以其灵活、可靠、易于布置等特点在许多领域得到了广泛的应用。将其应用于光伏阵列监测系统的优点在于：
1、无线化，减少光伏阵列监测系统的连线的复杂度。
2、成本低，ZigBee协议简单且免收专利费。
3、智能化，各ZigBee节点自动搜索建立连接。
4、支持星型，树型，网型网络等多种网络拓扑结构，最大网络连接能力强，可支持65000个节点。
5、传输模块采用工业级设计，金属外壳，外接电源DC 12V/500mA；通信电流：<250mA (12V)；工作环境温度 -25~+65ºC；储存温度 -40~+85ºC；相对湿度 95%(无凝结)；多重软硬件看门狗设计，适用于油井野外工作。
6、ZigBee终端空旷视距离良好环境无线通信距离2000米。
7、ZigBee通讯不需要任何费，为整个项目节省大量的费用支出。
8、设备配置操作简单，易懂 ，集成化程度高，技术成熟，安装方便。
随着需求的增长和技术的进一步成熟，ZigBee在各种远程监测应用中会有更为广阔的应用前景。
3 方案总结
ZigBee无线数据采集传输系统采集稳定、可靠、方便、实用。安装费用低廉，维护简单，无优升级，不需要租用公网，也无须巨额运行费用。这是现代数据采集远传系统的最优解决方案。
目前，光伏阵列的监测方法主要有直接法和间接法。直接法是直接测量每块电池板的电压和电流，用总线技术将数据送入计算机判断。该方法存在规划布线、预设接 口、线路检测、线路扩容等一系列与传输路径有关的问题。间接法是通过测量电池的温差来判断电池的工作状态。然而此种方法存在一些缺陷，如不能区分温度相差 不明显的状态，实时性差，故障检测的精度和效率取决于检测设备(红外热像仪)的等级，不易实现在线故障分析和报警等等。
对比上述两种监测方法，利用无线传感器网络对光伏阵列进行监测具有无可比拟的优越性。无线传感器网络向三维空间传送数据，中间无需导体介质，节省人力和维 护费。网络自组织性和容错性高，易于重新布网。监测数据无人为干扰，所获数据资料原始准确，有利于科学研究及系统后续改进与优化。
该方案基于ZigBee技术的光伏阵列监测系统，采用四信ZigBee设备组网。
1 项目架构实施方案
1. 1 系统组成
整个系统架构划分为三层：采集终端层、数据传输层和应用管理层。采集终端层起执行者的作用，包含监测节点和中心节点。监测节点将采集到的数据以多跳的形式 传输给中心节点。中心节点负责将ZigBee监测区域子网内的数据传递给数据传输层。数据传输层起代理人的作用，负责整合采集层上传的数据并发送至应用管 理层。应用管理层主要是监控中心，起决策者的作用，负责数据的分析判断和系统的管理维护，实现远程实时监控查询和预警。
1.1.1采集终端层设备
整个系统的正常运行需要实时监控多个参数的运行状况，采集终端层设备就是用于实现各个监控节点的参数采集，例如，光伏组件电压、电流采样模块负责采样光伏 组件的电压电流数值，判断光伏组件是否发生故障，温度、湿度、光照等传感器负责采样环境数据，为系统优化和光伏组件调整提供数据支持，采集终端层设备采集 到的数据通过串口发送给四信ZigBee传输设备，或者也可以通过四信ZigBee设备直接采集系统的模拟量数据。
1.1.2 ZigBee数据传输设备
ZigBee数据传输层用的是四信F8914和F8114设备，在整个系统中用于实现数据传输通道的建立，当ZigBee设备从采集终端层接收到数据或者 通过ZigBee采集到数据后，通过自组建的无线网络传输发送到应用管理层，同时，应用管理层也可以通过ZigBee网络对各个监控节点发出控制指令，从 而实现数据的双向通信以达到遥测、遥控的目的。
该方案中我们所采用的ZigBee数据传输设备有两种，一种是只有ZigBee的F8914，还有一种是带ZigBee+GPRS的F8114，两者的区 别在于F8914完全用ZigBee无线网来传输，而F8114可先通过ZigBee无线将数据传输到中心节点，中心节点使用F8114，然后F8114 再通过GPRS无线网络发送到远端应用管理层的监控中心。
1.1.3 应用管理层
应用管理层主要为中心监控系统，中心监控系统主要由服务器机组和平台软件主组成，当中心监控系统接收到传输层发送来的数据后，会对数据进行各种分析，并根据分析结果进行各种控制操作，如发出告警信息、向终端监控设备发出控制指令等。
1.2 网络架构
根据应用管理层的监控中心与现场光伏电池板阵列的距离，我们提出两种网络实施架构，当监控中心就布设在光伏电池板阵列附近时，数据传输层采用ZigBee无线直接进行短距离数据传输接入，整个ZigBee无线网络只采用F8914进行组建。
如下图所示：
组网如下图：
1、 中心采用APN专线，所有终端都采用内网固定IP，客户中心通过一 条APN专线接入移动公司GPRS网络，在GGSN与移动公司互联路由器之间建立 GRE隧道。为客户分配专用的APN，其他的用户不得申请该APN。只有该专网内的SIM卡才能进入该APN，防止其他非法用户的进入。用户可以内部建立 RADIUS服务器，以保证用户内部安全。用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。 此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下的最 佳组网方式。
2、控制中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通 动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的 费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
3、控制中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。
1.3 其他组网方式
四信ZigBee设备不仅可以使用数据透明传输，同时支持IO采集，在该方案中，我们也可以使用ZigBee设备当作终端IO采集和数据传输。四信 ZigBee设备提供5路IO，3路模拟量输入、2路数字量、脉冲输入输出。模拟量输入为电压量和电流量，电压的输入量程为0-5V，电流的输入量程为 0-20mA，数字量输入输出的量程为0-3.3V，采集精度为12位。
四信ZigBee设备IO口采集数据时，需要将设备应用模式设置为AT或者API模式才可以，这种应用模式与数据传输的透传模式区别在于，透传模式，主要 用于数据的透传，中心发送的数据以广播的方式发送，不能指定终端，除非每次修改透传地址；AT模式，用于数据采集端和接收端监控模式，IO采集上报数据以 AT指令形式上报，同时AT模式下中心节点可使用AT+TXA=网络地址，数值来指定发送给哪个ZigBee终端；API模式，与AT模式功能是一样 的，API模式是采用16进制数发送的，而且发送的值都有校验码，异或和检验。
使用ZigBee设备IO口采集数据时，将设备应用模式设置为AT模式下，当IO口采集到数据时，有两种上报数据模式，当上报时间设置为非0数值时，则为 主动上报，IO口采集的数据根据设置的每几秒上报一次；当上报时间设置为0时，则为被动上报，需要上位机软件发送指令AT+NVn=<网络地址& gt; 来查看采集到的数据，模拟量采集需要根据公式换算之后才得到真正的值，
换算公式如下：
电压 =（采集值）*3.3*20.16/(2047*12.1) (V)
3.3：电压
20.16：电阻值 //内部用了两个电阻 12.1（电阻1）+8.06（电阻2）
2047：ADC量程 2的11次方
12.1：电阻1
电流 =（采集值）*3.3*1000/(2047*150) （mA）
3.3：电压
1000: mA单位转换
2047：ADC量程 2的11次方
150：电阻值
同时，使用ZigBee设备IO采集时，上位机软件需要根据四信的协议开发，也就是要根据说明书上的AT指令格式开发才可以。
2 方案特点
ZigBee以其灵活、可靠、易于布置等特点在许多领域得到了广泛的应用。将其应用于光伏阵列监测系统的优点在于：
1、无线化，减少光伏阵列监测系统的连线的复杂度。
2、成本低，ZigBee协议简单且免收专利费。
3、智能化，各ZigBee节点自动搜索建立连接。
4、支持星型，树型，网型网络等多种网络拓扑结构，最大网络连接能力强，可支持65000个节点。
5、传输模块采用工业级设计，金属外壳，外接电源DC 12V/500mA；通信电流：<250mA (12V)；工作环境温度 -25~+65ºC；储存温度 -40~+85ºC；相对湿度 95%(无凝结)；多重软硬件看门狗设计，适用于油井野外工作。
6、ZigBee终端空旷视距离良好环境无线通信距离2000米。
7、ZigBee通讯不需要任何费，为整个项目节省大量的费用支出。
8、设备配置操作简单，易懂 ，集成化程度高，技术成熟，安装方便。
随着需求的增长和技术的进一步成熟，ZigBee在各种远程监测应用中会有更为广阔的应用前景。
3 方案总结
ZigBee无线数据采集传输系统采集稳定、可靠、方便、实用。安装费用低廉，维护简单，无优升级，不需要租用公网，也无须巨额运行费用。这是现代数据采集远传系统的最优解决方案。
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