2淄博工业学校 山东淄博 255400）
摘要：根据太阳能电站监控系统的预实现功能设计了一套基于Zigbee无线传感网络的监控系统，它包括数据采集部分、无限数据传输网络部分、数据处理部分三个部分。根据Zigbee无线传感网络的特点，将整个网络的硬件部分划分为信息采集终端节点、路由节点、协调器节点、上位机节点四部分。软件方面：设计了整个传感网络的软件执行流程；并基于Z-Stack协议栈，设计系统的通讯协议；上位机软件，选用了NI公司的LABVIEW测控软件，进行了信息的处理设计。
关键词：数据采集；无线；节点；协议；流程
Design of solar power station monitoring system based on Zigbee
Li Jian[1，2]，Yang Shulian[1]
1School of Electric and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China
2 Zibo Industrial school，Shandong，Zibo 255400
Abstract：According to the monitoring system of solar power station to realize the function of pre designed a monitoring system based on Zigbee wireless sensor network，which includes the data acquisition part，unlimited data transfer network part，data processing part three.According to the characteristics of Zigbee wireless sensor network，the hardware part of the whole network is divided into four parts：information acquisition terminal node，routing node，coordinator node and host computer node.Software design：the whole sensor network software implementation process；and based on the Z-Stack protocol stack，the design of the communication protocol of the system；PC software，the LABVIEW software of NI company，the design of information processing.
Key Words：data acquisition wireless node protocol flow
1引言
近年来国家把绿色、安全的太阳能资源的开发列入国家层面的发展战略当中。太阳能发电得到了社会广泛的关注和发展。但是受制于太阳能采集的弊端（面积决定能源量采集量），一般都建立在远离人烟的偏远地区，所以一套完整的无人值守监视系统具有十分重要的实际应用价值。相较于基于传统的有线网络的监控系统布设复杂、花费巨大、维修困难，本文设计的基于Zigbee的无线传感网络的监控系统，组建简单、信号稳定、功耗少、花费少、维修方便，自组织、容量大。
2 Zigbee无线网络
2.1 太阳能电站需要布设的光伏板数量多，因此占地面积十分巨大。在网络的布置方面，相较于传统的布线式、蓝牙网络、WI-FI、GPRS网络来说，Zigbee无线传感网网络是一种信号稳定、功耗少、花费少、维修方便的无线通信技术。
2.2 Zigbee字面意思译为“紫蜂”，它与蓝牙通讯技术类似，是一种短距离的无线通讯技术，其主要的应用领域就是无线传感网络的组建。相较于其他的网络模式，Zigbee无线网络的突出特点：1、低功耗（芯片采用5号 干电池供电，2节电池一般可以满足2年左右）。2、低成本（Zigbee是免通讯协议费的，每块芯片平均下来在10块钱左右）。3、容量大（一个主节点可以管理254个子节点，主节点同时可以被上一层节点管理，最多可以组成65000个节点的大网）。4、自组织（Zigbee组装简单，使用方便，复杂程度低，用户完全可以按照自己的需求组建相应的传感网络）。
3 Zigbee无线监控系统的硬件结构
根据太阳能电站监控系统的预实现功能设计了一套基于Zigbee无线传感网络的监控系统，它包括数据采集部分、无线数据传输网络部分、数据处理部分三个部分。根据Zigbee无线传感网络的特点，将整个网络的硬件部分划分为信息采集终端节点、路由节点、协调器节点、上位机节点四部分。
图1太阳能电站监控系统的总体设计方案
Fig.1 Overall design scheme of solar power station monitoring system
3.1 终端节点
终端节点节点设计主要以CC2540芯片和各类传感器为核心。其中CC2540是一个超低功耗的无线收发微处理芯片，它内部包含一个性能优良的无线射频设备及一个符合工业标准的8051单片机。在传感器选型方面，根据其监测量对所需要的传感器进行了选型：太阳的光照度（辐照传感器HA-GST-520），光伏板把太阳能转化为电能的电压（霍尔电压传感器VSM025A）、电流（霍尔电流传感器CSM040GT）、光伏板温度（温度传感器DS18B20）。而地理环境的问题直接决定了设备的使用情况，因此当地环境的参数：环境温度（温度传感器DS18B20）、湿度（湿度传感器DHT11）。
图 2 终端节点的硬件连接原理图
Fig.2 circuit diagram of hardware connection of terminal node
图 3 霍尔电压传感器连接电路图
Fig.3 connection diagram of Holzer voltage sensor
图 4 霍尔电流传感器连接电路图
Fig.4 Holzer current sensor connection circuit
3.2 路由节点
路由（Router），是Zigbee无线传感网络中连接终端节点和协调器的设备。本传感网络路由节点以CC2540芯片作为核心。路由设备之间可以相互接收和发送信息，组成多跳、多级网络，最终所有的信息都传输到一个协调器的节点，这样即大大扩展了网络覆盖的距离，又最大限度的避免（由于设备损坏、距离、天气、干扰等原因）引起的信号丢失、通讯不稳定、信息采集传输不通畅的问题。
3.3协调器节点
协调器节点作为网络的主节点，管理其网络中的其他节点（路由和子节点），是网络的管理者。在硬件的选择方面：选择了满足Zigbee网络无线射频设备XBee PRO S2C，运算速度和处理速度都很快的控制核心LPC1114，以及H7710 DTU工业级GPRS模块。连接方面：协调器节点和GPRS互联网设备连接，协调器节点和上位机的连接，都选用选择RS232串口。
图5 协调器连接原理图
Fig.5 diagram of external circuit of coordinator and GPRS
4.监控系统的软件设计
在软件方面，为保证信息通讯的稳定性、正确性，以及与硬件的配套性，选择了基于TI公司设计的Z-Stack协议栈，并设计了满足太阳能监控系统运行的通讯协议，同时也完成了对软件执行流程的设计。
4.1 通讯协议
设计的基于ZigBeeZ-Stack协议栈的通讯协议，自下而上分为硬件层、信息采集存取层、数据传输通讯层、网络层、LABVIEW通讯规范层、LABVIEW软件组成（图6）.
图6 通讯协议
Fig.6 communication protocol
4.2软件执行流程
图7是太阳能电站的软件流程图。首先是系统的启动，启动之后所的模块进行初始化的操作，然后是协调器的启动，协调器启动之后，发出网络初始化的指令，整个Zigbee传感网络进行初始化，只有完成初始化则建网成功，如果不成功，再次返回到模块的初始化位置，直至建网完成，完成之后各个终端节点入网，且链接到上位机的LabVIEW软件进行监控，如LabVIEW没有接收到传感器信号则报警，而LabVIEW接收到传感器信号则根据处理转换的信息进行设备状态的判定，如果结果超出了设备的临界状态，则进行报警。如果正常，LabVIEW则继续进行后续的监控。
图7 太阳能电站的软件执行流程图
Fig.7 software flow chart of solar power station
图8 整个ZigBee传感网络的数据通讯流程
Figure 8 the data communication process of the whole ZigBee sensor network
4.3 LabVIEW
上位机的信息处理方面，NI公司的LabVIEW 2016虚拟仪器，是一款功能强大的数据收集和处理软件。其主要的特点是：１、功能强大、灵活易变的编程语言（G语言）。2、简单易用，灵活性大人机交互界面。（LABVIEW测控软件的人机交互界面可以实时的显示传感器的状态数据，并且在出现问题时进行声光报警。）
5 结束语
基于 ZigBee 技术的无线传感网络不仅能节约设备和人力成本。还可提高数据采集和传输的准确性、时效性，使电站的管理部门能够及时准确地获得数据信息，并采取相应的应对措施。因此，该系统在太阳能电站无人值守监控方面具有一定的实际价值。
参考文献：
[1]艾雨.基于单片机的太阳能电池数据采集系统研究[D].武汉：武汉理工大学2010.
[2]宋开峰.光伏电站的远程监控系统设计 [D].济南：山东大学，2011.
[3]王 颖 程建军 任锦峰 温华林，基于 ZigBee 的水环境监测系统设计科技广场 2015.10。f
论文作者:李健1，2,杨淑连1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/31
标签：节点论文; 网络论文; 监控系统论文; 太阳能论文; 电站论文; 传感器论文; 终端论文; 《电力设备》2018年第1期论文;