基于ZigBee和Android手机的分布式光伏电站监控系统

马 龙，汪 炜

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

我国有着丰富的太阳能资源。据估算，全国各地太阳年辐射总量达 3350MJ/m2～ 8370MJ/m2［1］。另一方面，作为一个光伏产业大国，我国对光伏的应用却不多，与德国相比，我国国土面积为德国的30倍，但光伏组件装机量却仅为德国的1/4。近年来，美欧相继对中国光伏产业发起“双反”，因此，国内发布相关扶持政策引导光伏产业在国内应用，对分布式光伏发电项目按电量给予补贴［2］。可以预见，诸如光伏屋顶一类的分布式光伏电站将会在家庭和企业中进一步普及，但这些小型电站存在管理、监控、维护等诸多问题亟待解决。与大型的光伏电站系统不同，分布式光伏电站分布较散，安装、监控费用受限［3-5］，因此，需要有一种专门针对小型光伏电站的监控系统，且该监控系统还必须满足操作简单、成本低、稳定等要求。

随着Android手机快速发展，其通讯模块成熟稳定，运算能力日益提高，与专业监控设备相比价格实惠、附加功能多，还拥有较大的挖掘潜能。因此，本文设计一种基于Android智能手机的分布式光伏电站智能监控系统，采用Android手机作为光伏组件数据采集、上传终端。同时该监控系统采用无线传感网络简化布线，方便无线监控。该监控系统用于家庭、小型企业用光伏电站的数据采集、监控，不仅能满足电站监控、维护智能化的要求，而且能减少监控系统安装、维护的开支。

1 智能监控系统总体结构设计

智能监控系统主要由无线传感网络单元、智能管理单元、网络数据处理单元等组成，其总体结构如图1所示。

无线传感器网络单元采集光伏组件各项数据，通过网关板上传数据，同时接收智能管理单元对光伏组件的控制指令。

智能管理单元主要完成3个功能:

(1)通过Android智能手机，获取电站周边环境信息和电站管理人员命令。

(2)处理无线传感器网络单元上传的数据，依据数据处理结果、电站外部环境和电站管理人员指令发送组件工作参数控制信号，发现组件工作异常情况进行通知并记录。

(3)保存光伏组件数据，通过GPRS或者WiFi上传数据至网络数据库。

网络数据处理单元接收智能管理单元上传的电站数据并存入数据库，为用户提供数据查询服务。

图1 基于Android智能手机监控系统示意图

2 无线传感器网络单元设计

无线传感器网络单元中的传感器节点使用CC2430芯片作为节点的数据处理中心。CC2430是TI公司推出的实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议。在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。其在工业控制和检测、低功率无线传感器网络方面应用尤其广泛。TinyOS操作系统是加州大学伯克利分校开发的开源操作系统，专门为嵌入式无线传感器网络设计，该操作系统基于组件的架构使得程序能快速更新，同时又减小了受传感器网络节点存储器限制的代码长度。

在本监控系统中，无线传感网通过网关与Android手机交互，其中数据的交互包括采集数据的汇集与手机指令的无线传输。具体传输过程需要无线传感器节点和网关板共同实现。

2.1 无线传感网络数据汇集和指令传输

如图2所示，光伏组件数据传递过程:智能接线盒采集光伏组件数据，通过无线节点向网关板发送，网关板收集和处理各个无线节点数据。最后，网关板将各个节点信息发送至Android智能手机。

控制信号传递过程:Android智能手机向智能接线盒发送命令是通过网关板和无线节点进行中继的，首先Android智能手机通过蓝牙向网关板发送控制命令，网关板将指令发送给各个无线节点，无线节点接收到指令之后，再与智能接线盒中的单片机通讯使智能接线盒完成指令对应的动作。

图2 无线传感网络数据及指令传输示意图

2.2 传感器节点软件流程设计

图3 传感器节点软件流程图

无线节点内置于智能接线盒中，用于采集光伏组件数据以及向智能接线盒发送指令。智能接线盒连接光伏组件和逆变器，用于组件最大功率点追踪。智能接线盒中采集光伏组件的输入电流、电压，输出电流、电压，组件温度，将采集到的模拟数据经过调理送入传感器节点内CC2430芯片，经由A/D转换器得到各项数据的数字信号，通过CC2430内的ZigBee无线单元将数据发送到网关板。智能接线盒通过UART与CC2430通讯，接收组件工作参数控制信号，其软件流程如图3所示。

传感器节点开机初始化后自动加入无线传感网络，通过中断事件唤醒节点进行数据的采集、处理和接收、处理无线指令，当事件处理完成后节点进入休眠状态以节省能源。

2.3 网关板软件流程设计

网关板是无线传感网络与Android智能手机实现数据交互的接口。网关板通过蓝牙串口模块和Android智能手机中蓝牙功能进行短距离无线通讯。

图4 网关节点软件中断处理软件流程图

网关板接受Android智能手机发送过来的指令，并通过无线传感网将命令发送到传感器节点，同时网关板需要处理无线节点采集的数据，处理流程如图4所示，当网关板收到无线节点采集的数据时，首先重置判断节点活动的计时器，然后判断数据是否出现异常(比如电流电压突然变小)，当出现异常时网关板便将该异常数据发送至手机。若没有异常信息，网关板则判断节点数据是否有变化，若变化超出规定的幅值，网关板则将该节点的数据上传到Android智能手机，否则放弃上传此次数据。节点的丢失用计时器超时判断，若网关板在计时器启动到超时这段时间内没有某节点的信号，网关板则判断该节点连接丢失，并发送表示节点超时异常的信息至Android智能手机。

3 智能管理单元

智能管理单元主要由Android手机实现，通过手机应用编程实现智能管理单元的功能。

Android手机作为分布式光伏电站的一个处理终端，具有处理和上传光伏电站数据、控制光伏组件的功能。为实现处理终端的功能(如图5所示)，Android手机中编写的应用程序分成了5个模块:数据传输模块、智能管理模块、命令解析模块、短信控制模块以及防盗模块。

图5 Android应用程序模块结构设计

(1)数据传输模块:数据传输模块是Android程序与无线网关进行通讯的模块，它将无线网关发送的各项数据解析，并将解析后的数据发送给智能管理模块，同时将组件控制命令传输到无线网关板。

(2)智能管理模块:智能管理模块处理组件数据信息以及组件异常处理。智能管理模块将组件的各项数据整理存入手机内部数据库，并通过网络将数据上传到云虚拟主机。当智能管理模块发现组件数据发生异常时，主动向管理人员发送短信，通知管理人员处理，若发现数据异常严重时(比如组件温度异常、电流过大等)，智能管理模块主动发送指令，关闭异常组件，防止组件损坏扩大。智能管理模块通过网络、GPS数据获取电站所在位置的时间、天气、季节、经纬度等外部环境信息，自动计算电站运行的最优参数并通过无线传感网调节组件参数。

(3)短信控制模块:短信控制模块实现管理员对手机和光伏组件的远程控制。管理员可以发送固定格式的加密短信，然后短信控制模块解析短信并根据短信内容控制手机或通过命令解析模块控制光伏组件。

(4)命令解析模块:负责将各模块通过智能接线盒对光伏组件的控制命令进行解析，按照无线传感网的通讯协议发送给无线网关板。

(5)防盗模块:在手机被偷盗时，该模块自动发送手机的位置信息及当前手机卡号码等内容给管理员，以追回被盗的设备。

4 网络数据处理单元

微信公众平台是腾讯公司在微信的基础上新增的功能模块，微信公众平台界面友好，使用方便，且不占用手机内存，根据其开放的API接口，任何机构都可以通过微信实现自己的第三方服务平台［14］。因此，本监控系统使用云虚拟主机，基于微信公众平台搭建自己的服务平台，如图6所示。

图6 监控系统服务平台界面

在本监控系统的网络数据处理单元中，云虚拟主机接收和处理智能管理单元上传的数据，并存入光伏电站网络数据库，同时云虚拟主机还作为微信公众平台的第三方服务接口服务器为用户提供服务。监控系统的公众平台实现原理如图7所示，用户点击界面菜单发送请求，请求消息经由微信公众平台转发至云虚拟主机，云虚拟主机根据系统用户的需求查询数据库中数据并计算，最终将用户所需的信息通过消息接口返回给用户。

图7 微信公众平台实现原理

5 智能监控系统监控测试

本文通过监控实际光伏电站对本监控系统进行了测试。本系统对单个光伏组件和光伏阵列的输出电压进行了连续监控，根据光伏组件输出电压的详细数据绘制了各自的电压-时间曲线，如图8和图9。光伏组件在早晨10点左右开始工作，11点30分左右输出电压最大，下午4点40分之后光伏组件停止工作。

图8 光伏组件电压时间曲线

图9 光伏阵列电压时间曲线

通过测试，本智能监控系统将无线传感网与Android智能手机结合实现了对分布式光伏电站的远程监控和数据的云端存储，并且用户可以通过手机微信随时对电站进行信息查询。

6 结束语

本智能监控系统融合传感器技术、网络通信技术、网络数据库技术，并使用容易获得的Android智能手机作为智能终端，使本光伏电站监控系统更适用于家用、小型企业等小型分布式光伏电站的监控维护。随着Android智能手机功能不断增加，对Android智能手机端程序进行修改即可实现监控系统软件升级。本智能监控系统具有智能化、自动化、查询方式简单友好等特点，拥有广泛的应用前景和推广价值。

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