基于ZigBee的分布式楼宇光伏电站群控系统设计

2012-06-29姚仲敏柳希广

电视技术 2012年23期

姚仲敏，柳希广

(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006)

责任编辑:魏雨博

目前，太阳能发电技术在世界各国的应用，在一定程度上减少了人类对日益枯竭的化石能源的依赖［1－2］。我国为加快光伏屋顶电站的应用建设，推出了金太阳屋顶计划和财政补贴政策［3］。光伏楼宇电站目前主要分散地建在城市、企事业单位、场馆等建筑屋顶上，而对这些分布在屋顶上的分散的分布式楼宇光伏电站进行太阳光跟踪控制，可以提高分布式楼宇光伏电站的发电效率，达到充分利用太阳能资源的目的［4－5］。

随着分布式楼宇光伏电站的应用，采用Internet、485总线等有线网络方式对其跟踪控制［6－7］存在着布线复杂、设备灵活性差和成本高等问题，实现相对困难;借助GSM/GPRS无线移动通信技术来实现存在传输模块功耗大、灵活性差等问题［8－9］。本文针对城市里相对分散的屋顶分布式楼宇光伏电站的特点，设计了一种低成本、高效的基于ZigBee无线技术的分布式楼宇光伏电站自动群跟踪控制系统。系统根据光跟踪变送器采集的太阳光高度角和方位角变化分发跟踪控制命令，实现一点控制每个区域中的分布式楼宇光伏电站，进行太阳光自动群跟踪。该系统不仅解决了有线网络布线复杂、成本高等问题，而且大大降低了自动跟踪的成本和能耗，提高了分布式楼宇光伏电站系统群控的灵活性和效率。

1 系统的设计与实现

ZigBee技术是一种新兴的双向无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低成本和低功耗和低数据速率［10］。其组网灵活方便，且性价比高，适用于工业、智能楼宇及分布式光伏电站监控等领域。ZigBee技术不仅能够进行数据收发，还具有微处理器芯片所具有的数据处理及控制功能。目前，大多数应用研究集中在第1个功能，而对第2个功能的应用研究较少［11］。本文把ZigBee技术这两种功能结合起来应用在分布式楼宇光伏电站群控系统中，充分开发运用。

分布式楼宇光伏电站群控系统的整体结构设计如图1所示。分布式楼宇光伏电站群控系统主要是由光跟踪变送器、ZigBee终端控制节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器组成的。网状拓扑网络构成的光跟踪变送器进行光信号强度采集，并把其转变为控制步进电机转动跟踪控制命令，其利用4光敏传感器(横轴和纵轴各有2个，即步进电机横轴与纵轴的旋转的控制信息源)完成数据采集，经过阈值比较算法对数据判断处理，并由ZigBee协调器通过ZigBee网络把跟踪控制命令分发到其他ZigBee终端控制节点，实现一点控制每个区域中分布式光伏电站的目的，从而到达群跟踪控制。

图1 分布式楼宇光伏电站群控系统的整体结构设计

2 系统硬件设计

光跟踪变送器与ZigBee终端控制节点硬件结构框图如图2所示。由于光跟踪变送器和ZigBee终端控制节点结构相似，这里仅以光跟踪变送器硬件设计为例进行介绍。

光跟踪变送器主要有4个光敏传感器传送光强度信息，根据自动群跟踪控制程序算法实现群控，由光跟踪旋转平台和硬件电路组成智能自动跟踪装置。其中光跟踪旋转平台主要实现光强度信号采集、定位检测、光跟踪器随太阳光高度角和方位角变化进行跟踪旋转。硬件电路主要实现群自动跟踪控制程序算法、电机控制和群自动跟踪控制信号传输等。

光跟踪变送器的硬件电路设计主要包括电源电路、JN5139射频、TH6560步进电机驱动电路和光照强度采集电路等。

图2 光跟踪变送器与ZigBee终端控制节点电路硬件结构框图

1)JN5139射频微处理器集成了32 bit高性能微处理器、4路12位 ADC、2路 UART、2个应用计时器、21通用I/O和SPI端口、优越的2.4 GHz IEEE 802.15.4射频、192 kbyte的ROM和96 kbyte的RAM等，提供了低成本的无线网双向网络应用方案，用于完成光敏传感器信号的获取和传输、AD采样转换、双轴步进电机的控制、PWM脉冲和数据传输等功能。

2)TLP521－4隔离电路是对控制步进电机工作的CLK，CW，ENABLE 3个输入端信号采用输入端和负载完全隔离的方法，确保步进电机稳定和安全工作，不受滞后、畸变等干扰影响。

3)TH6560步进电机驱动的OUT_AP，OUT_AM，OUT_BP，OUT_BM4引脚为步进电机两相输出接口，直接控制步进电机的转动。引脚M1=0，M2=1实现步进电机的1/16细分方式运转。步进电机的3个输入控制信号CLK，CW，ENABLE通过光耦隔离芯片TLP521－4隔离后送到驱动芯片，保证步进电机运行的稳定性、可靠性和准确性。JN5139与TH6560驱动芯片电路引脚连接图如图3所示。

4)电源和光照强度采集电路。系统硬件电路工作电源为12 V，12 V电源为步进电机驱动芯片THB6560供电;12 V电源通过7805滤波和整流输出5 V直流电源，5 V直流电源可为隔离电路芯片、步进电机驱动芯片THB6560逻辑控制电路等供电;5 V电源再通过AS2830滤波和整流产生3.3 V电源，为JN5139射频微处理芯片供电。光照强度采集电路负责光照强度的检测，并把检测的光强度信号送到JN5139射频模块进行处理。

图3 JN5139与TH6560驱动芯片电路引脚连接图(截图)

3 系统软件设计

系统软件是实现自动群跟踪系统控制的关键，包括光强度采集处理、阈值比较判断和跟踪控制命令传输等。

1)光强度采集利用JN5139内部4路11位AD转换器来实现。4路AD通道函数设置通过PRIVATE void vAdc_Config(uint8 channel)来实现，初始化AD函数vAdc_Config(E_AHI_ADC_SRC_ADC_1/2/3/4)，数据转换函数sPresaSensor.u16PresaReading=(uint32)(u16Adc1Reading*586)/1000。

2)跟踪控制命令发送与接收。控制命令的发送利用函数PRIVATE void vSendData(void)通过定义数组AF_Transaction_sasTransaction［1］，asTransaction［0］.u8SequenceNum=u8AfGetTransactionSequence(TRUE)，asTransaction［0］.uFrame.sMsg.u8TransactionDataLen=10实现数据发送。PUBLICbool_t JZA_bAfMsgObject(void)是数据接收函数定义，uint16u16Presa，uint16 u16Presb，uint16 u16Presc和uint16 u16Presd为4路AD采集转换后的数据接收变量。

3)步进电机控制设置。函数vTimerConfig()产生PWM脉冲，vAHI_DioSetOutput(E_AHI_DIO8_INT，0)是正反转控制引脚CW 函数，vAHI_Dio SetOutput(E_AHI_DIO7_INT，0)控制步进电机的使能引脚ENABLE。

群控自动跟踪程序流程图如图4所示。群控程序算法先进行不同的天气情况判断，如果光强度数据大于阈值，则表示白天正常光照，比较横轴及纵轴光强度大小，直接通过ZigBee无线网络分发控制命令到其他ZigBee终端控制节点，进行步进电机的横轴和纵轴的旋转调整;如果小于阈值，则表示阴天、夜晚等情况，直接不分发控制命令，不进行电机调整，有利于减少能源损耗;如果为0，停止工作进入休眠状态。由于同一局部区域内太阳的入射角基本一致，所以完全可以做到同步群自动跟踪控制。程序算法的具体描述如下:

1)阴天、夜晚等光照强度弱的情况

(1)光跟踪变送器检测光强度并进行比较。

(2)光强度≤光强度阈值，不分发数据。

(3)判断光强度大小。

①如果大于阈值，则比较光强度大小，分发跟踪控制命令，进行群控;

②如果小于阈值，当其值不为0，等待，数据比较，否则，系统结束工作。

2)白天等光照正常的情况

(1)光跟踪变送器检测光强度并进行比较。

(2)光强度＞光强度阈值，则比较光跟踪变送器横轴及纵轴光强度数据，进而控制调整光跟踪变送器横轴及纵轴角度并分发群跟踪控制命令，直至所检测的光强度值趋于相等时，不再调整，进入保持状态。

(3)各光伏电站的ZigBee终端控制节点接收群跟踪控制命令后，群自动跟踪器进行横轴和纵轴自动调整。

(4)重复算法1)中的(3)步骤。

4 实验测试

图4 群控自动跟踪程序流程图

实验取光跟踪变送器自动跟踪装置、ZigBee协调器和2个ZigBee终端控制节点自动跟踪。光跟踪变送器负责采集光强度并发送步进电机旋转控制命令，由ZigBee协调器转发至ZigBee终端控制节点进行自动跟踪控制，实验结果达到预期跟踪控制的要求。同时对群跟踪控制的发电效率进行了实验，如图5所示，曲线2和曲线3分别记录了跟踪控制的两节点的发电效率和时间的关系，曲线1是不跟踪的情况下发电效率和时间的关系。结果是在跟踪的情况下发电效率提高30%以上，不但能够实现光伏电站群控跟踪，而且提高了光伏电站的发电效率。