一種基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對遠(yuǎn)程運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，提出基于視頻監(jiān)控、射頻通信、GPRS傳輸、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用及圖形化LabVIEW編程的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的傳輸流程以及服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的配置、客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)同步測量顯示風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電過程的各種數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)庫信息可以為日后的科學(xué)研究提供依據(jù)，為風(fēng)光發(fā)電技術(shù)的改進(jìn)與提高奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言
    隨著常規(guī)能源的逐步消耗，可再生能源日益引起人們的關(guān)注，風(fēng)能與太陽能從眾多可再生能源中脫穎而出。風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出因周圍環(huán)境的變化而表現(xiàn)出較大的差異，對風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以獲得原始測量數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化提供有用數(shù)據(jù)，同時(shí)對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)本身的電氣性能進(jìn)行監(jiān)測和分析是保證系統(tǒng)正常高效運(yùn)行的前提，而且風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行一般是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或無人值守的情況下進(jìn)行，對地面上很分散的風(fēng)光系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)是十分困難繁瑣的，需要大量的時(shí)間和人力物力，因此在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。
    物聯(lián)網(wǎng)，以其現(xiàn)有定義，即通過射頻識別裝置、攝像裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。從其定義中可看出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的本質(zhì)在于“物物相連”，可以看作是利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)通過無線傳感等技術(shù)，使用戶的范圍拓展到物的領(lǐng)域，即達(dá)到人與物的相連，物與物的相連和物與人的相連。本文主要介紹基于視頻監(jiān)控、射頻通信、GPRS傳輸、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用及圖形化LabVIEW編程等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的風(fēng)光直補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 工程背景
1．1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)總體布局
    風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由如下幾項(xiàng)構(gòu)成：光伏組件(16塊)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(3臺)、蓄電池組(4臺)、控制器(3臺)和逆變器(1臺)，如圖1所示。其中光伏組件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分別將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過控制器對蓄電池充電；蓄電池組是由多個蓄電池經(jīng)串聯(lián)組成的儲存電能的裝置；控制器主要是對蓄電池的充放電進(jìn)行管理，同時(shí)對系統(tǒng)輸入輸出功率起到調(diào)節(jié)和分配的作用；逆變器的作用是將風(fēng)機(jī)和光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，對負(fù)載進(jìn)行供電。
    圖1右側(cè)所示為獨(dú)立的視頻監(jiān)控設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，用以對現(xiàn)場進(jìn)行視頻監(jiān)控。

1．2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)
    風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

    在該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，首先將每組太陽能電池板與每臺風(fēng)機(jī)的輸出電壓及電流經(jīng)信號調(diào)理后送到數(shù)據(jù)采集板，并按照通信協(xié)議打包，以無線傳輸方式發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器采集到所有數(shù)據(jù)和負(fù)載信息統(tǒng)一送至GPRS模塊，GPRS模塊通過中國移動的網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將獲取的信息處理后存儲至數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心或用戶通過客戶端軟件即可從服務(wù)器上調(diào)用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前風(fēng)光系統(tǒng)運(yùn)行情況。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時(shí)候，I／O控制板將自動切斷負(fù)載，并在現(xiàn)場和監(jiān)控中心顯示故障信息，同時(shí)用戶可在遠(yuǎn)端監(jiān)控中心通過按鈕控制現(xiàn)場的負(fù)載的通斷操作。

2 風(fēng)光互補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集板軟硬件設(shè)計(jì)
2．1．1 數(shù)據(jù)采集板硬件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集板主要包括ATmega8單片機(jī)，霍爾電流、電壓傳感器。電源穩(wěn)壓模塊、串口通信模塊和無線收發(fā)模塊。其中ATmega8處理器的主要任務(wù)是對傳感器的輸入信號進(jìn)行處理，并控制無線收發(fā)模塊的正常工作。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    數(shù)據(jù)采集板串口通信電路采用低功耗的MAX232芯片，完成了節(jié)點(diǎn)模塊與PC機(jī)的通信。
    數(shù)據(jù)采集模塊中ATmega8，無線模塊等器件的通用電源為+5 V，電壓霍爾傳感器的電源為±15 V，所以采用LM2576作為穩(wěn)壓模塊，將±15 V穩(wěn)定在+5 V。
    根據(jù)現(xiàn)場的風(fēng)機(jī)和光伏組件的輸出電壓及輸出電流，選用的電流霍爾傳感器為ACS712，具有良好的線性度；霍爾電壓傳感器為HFV5 10／25A型。
    根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況的要求，無線射頻模塊選用SRWF1028，如圖4所示。它具有低功耗，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2．1．2 數(shù)據(jù)采集板軟件設(shè)計(jì)
    (1)通信協(xié)議的設(shè)定
    在整個系統(tǒng)之中，具有無線射頻模塊的是數(shù)據(jù)采集板、數(shù)據(jù)集中器板和I／O控制板，在通信過程中，為保證通信的正確，需要對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行通信協(xié)議的設(shè)定，在數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)統(tǒng)一設(shè)計(jì)成相同的組成部分，分別是起始位，地址位，數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位與結(jié)束位。
    (2)數(shù)據(jù)采集板程序的流程圖
    控制系統(tǒng)要求做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集，并將采集到的現(xiàn)場信息按照通信協(xié)議進(jìn)行打包，當(dāng)接到集中器的上傳命令并確認(rèn)正確后，立即將現(xiàn)場采集到的打包后數(shù)據(jù)信息發(fā)到集中器中。采集板的控制程序流程圖如圖5所示。

2．2 I／O控制板的設(shè)計(jì)
2．2．1 I／O控制板的硬件設(shè)計(jì)
    現(xiàn)場開關(guān)信號通過光耦送至I／O控制板，當(dāng)風(fēng)機(jī)或光伏組件的電壓或者電流過高的時(shí)候，可能會損害系統(tǒng)或者負(fù)載，I／O控制板將通過控制繼電器來保護(hù)接入的負(fù)載。同時(shí)，I／O控制板可以將當(dāng)前繼電器的狀態(tài)發(fā)送到控制中心并可以接收遠(yuǎn)方控制中心的指令，開關(guān)繼電器，達(dá)到遠(yuǎn)端控制現(xiàn)場的目的。
    I／O控制板其單片機(jī)、串口通信模塊、電源穩(wěn)壓模塊、射頻模塊及時(shí)鐘電路與數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)相同，不再贅述。I／O控制板與數(shù)據(jù)采集板不同之處為繼電器電路和光耦隔離輸入電路。繼電器電路選用的是歐姆龍公司的產(chǎn)品OMRON_G5Q-12VDC。輸入電路采用光耦隔離，選用最為常用的光耦隔離芯片TIL113。
2．2．2 I／O控制板的軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)I／O控制板的設(shè)計(jì)目的，I／O控制板要實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入信號，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，要主動切斷與繼電器相連的負(fù)載，以保證整個系統(tǒng)的安全。同時(shí)，還可以接收監(jiān)測遠(yuǎn)端控制中心通過無線射頻模塊發(fā)送的控制信息，控制現(xiàn)場繼電器的通斷和將自己現(xiàn)在的狀況回饋給監(jiān)控中心。按照設(shè)計(jì)要求，控制板的程序流程圖如圖6所示。

2．3 數(shù)據(jù)集中器板的設(shè)計(jì)與GPRS板
2．3．1 數(shù)據(jù)集中器板的設(shè)計(jì)目的
    數(shù)據(jù)集中器要能夠依次接收數(shù)據(jù)采集板采集得到的信息，并將所有的信息按照通信協(xié)議打包并通過串口將信息發(fā)送到GPRS模塊，通過GPRS將信息發(fā)送到服務(wù)器。同時(shí)，集中器要能夠接收遠(yuǎn)端控制中心的命令，并作出相應(yīng)的動作，向控制器發(fā)送命令以控制現(xiàn)場情況。
2．3．2 數(shù)據(jù)集中器板的硬件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)集中器板的電源穩(wěn)壓電路、時(shí)鐘電路、射頻模塊及串口通信模塊與數(shù)據(jù)采集板電路相同，不再贅述。
    由于需要處理的信息更多，所以數(shù)據(jù)集中器板選用ATmega162作為核心芯片。ATmega162是高性能、低功耗，RISC架構(gòu)的8位AVR微處理器。
2．3．3 GPRS模塊
    GPRS模塊將數(shù)據(jù)集中器板集中打包的數(shù)據(jù)，通過中國移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器中，服務(wù)器軟件將信息提取存儲至數(shù)據(jù)庫中。GPRS板選用EP220P模塊。
    數(shù)據(jù)集中器板與GPRS板通過RS 232串口連接，由于EP220P模塊采用全透明的數(shù)據(jù)傳輸，只需要按照數(shù)據(jù)手冊設(shè)置好GPRS模塊的串口波特率，串口數(shù)據(jù)位，串口校驗(yàn)位，短信中心號碼，ID號，本地端口號，服務(wù)器IP地址，服務(wù)器端口號和通信協(xié)議TCP Client模式。
2．3．4 數(shù)據(jù)集中器的軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)集中器板采取輪循的方式，依次讀取數(shù)據(jù)采集板所采集的信息，當(dāng)信息采集完畢之后，將所有信息打包，把信息送到GPRS模塊之中，并隨時(shí)檢驗(yàn)遠(yuǎn)端收到的命令，校驗(yàn)正確之后，按照命令將命令發(fā)送到相應(yīng)的下位機(jī)板中。其系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

3 服務(wù)器配置與客戶端軟件
3．1 服務(wù)器配置
    數(shù)據(jù)送至服務(wù)器后，通過“GPRS服務(wù)器”程序管理設(shè)備連接、客戶連接、日志管理，并將數(shù)據(jù)提取，存儲更新至數(shù)據(jù)庫GPRSServer各表格中。
3．2 客戶端軟件
    客戶端軟件由兩部分構(gòu)成，第一部分為建立數(shù)據(jù)源，由于LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，選用Microsoft公司的Access軟件來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，建立一個名為GPRSDB．mdb的數(shù)據(jù)庫文件，利用編寫的“數(shù)據(jù)庫后臺連接”軟件，實(shí)時(shí)更新Access數(shù)據(jù)表格GPRSDB；第二部分為“新能源物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)”，由LabVIEW編譯，具有良好的界面效果，首先利用DBOperati ton子VI連接數(shù)據(jù)庫，后可利用SQL Execute子VI執(zhí)行SQL查詢語句，從GPRSDB表格中查詢數(shù)值，如圖8所示。實(shí)時(shí)更新風(fēng)機(jī)電壓、光伏電池電壓及電流、各數(shù)據(jù)采集板及集中器板連接狀態(tài)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)電壓、光伏電池電壓及電流折算顯示出風(fēng)速及光強(qiáng)的大小，且在客戶端軟件中加載控件，調(diào)用視頻監(jiān)控界面，監(jiān)測實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，界面如圖9所示。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖10所示，采用全I(xiàn)P視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為前端部分、遠(yuǎn)程傳輸部分和中心控制部分。前端部分由攝像頭、云臺和視頻處理設(shè)備3部分組成；遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)由室外無線網(wǎng)橋、路由器、ADSL組成，通過局域網(wǎng)、Internet網(wǎng)絡(luò)完成視頻數(shù)據(jù)傳輸；中心控制部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和控制工作，對信息進(jìn)行存儲、管理和分析。

    該系統(tǒng)優(yōu)勢是攝像機(jī)內(nèi)置Web服務(wù)器，并直接提供以太網(wǎng)端口。攝像機(jī)生成JPEG或MPEG4數(shù)據(jù)文件，可供任何經(jīng)授權(quán)客戶機(jī)從網(wǎng)絡(luò)中任何位置訪問、監(jiān)視、記錄。
    網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過經(jīng)濟(jì)高效有線或無線以太網(wǎng)簡單連接到網(wǎng)絡(luò)，能夠利用現(xiàn)有局域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。使用5類網(wǎng)絡(luò)線纜或無線網(wǎng)絡(luò)方式傳輸攝像機(jī)輸出圖像以及水平、垂直、變倍(PTZ)控制命令。
    同時(shí)任何經(jīng)授權(quán)客戶機(jī)都可直接訪問任意攝像機(jī)，也可通過中央服務(wù)器訪問監(jiān)控圖像。

5 結(jié)語
    本文針對遠(yuǎn)程運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，提出基于視頻監(jiān)控、射頻通信、GPRS傳輸、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用及圖形化LabVIEW編程的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于無錫洛社新能源試驗(yàn)項(xiàng)目中，從運(yùn)行的情況來看，基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的效用，并提供電能應(yīng)用于路燈照明，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控正常。但存在的問題是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控有滯后，主要影響因素為GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣燃盁o線信號在傳輸過程中受遮蔽等。鑒于通信成本的下降，可考慮用3G數(shù)據(jù)傳輸替代GPRS數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，無線射頻模塊采用傳輸更穩(wěn)定，穿透能力更強(qiáng)的模塊，增強(qiáng)整個系統(tǒng)的可靠性。實(shí)際證明，該系統(tǒng)具有良好的技術(shù)價(jià)值和市場價(jià)值，可更好的推廣于生產(chǎn)生活中，為人們帶來便利。