基于ZigBee的光伏板数据采集系统设计

薛彬， 韩如成， 刘利民

(太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)



基于ZigBee的光伏板数据采集系统设计

薛彬， 韩如成， 刘利民

(太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)

针对目前光伏板的应用越来越普及，但能量耗损大，成本高，采集方式繁琐等问题，设计一种基于ZigBee技术的数据采集系统，ARM处理器作为控制的核心，使用具有低功耗ZigBee模块的CC2530作为协调器来搭建无线网络，同时配合各种数据采集传感器来采集光伏板上的温度，电压，电流和光照强度等数据。通过实验可以验证设计有效解决了光伏板数据采集过程中有线网络复杂的布线，采集方式的繁琐，不易实现等问题，同时具有很强的扩展性，成本低，数据传输稳定，采集量大，速度快，有效实用，具有很好的实用价值。

数据采集；ZigBee；光伏板；传感器；自组网

0 引 言

随着新能源技术的不断进步，太阳能光伏发电系统的应用越来越广泛[1]。在一些电网覆盖不到的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高，工作强度很大，加之其工作环境的恶劣与多变复杂性，增加了光伏板出现故障的频率[2]。一旦发生故障不仅会耗费巨大的人力物力来维修设备，还可能破坏整个系统，甚至危及人身安全，带来巨大的经济损失。因此寻找一种可靠、经济、易实现的方法来实时在线监测光伏板的运行状态是很有必要的，这样可以有效采集其特定状态信息，为后期数据分析和诊断奠定坚实的基础，提高光伏板的寿命和工作效率。

文献[3]是通过DSP有线方式来采集光伏板数据，但是这种方式由于繁琐的布线而且采集方式繁琐，不适合在恶劣环境中作业。文献[4]的数据采集方式是基于无线WiFi，但是这种方法的能量耗损比较大，只能点对点传输的WiFi当有多路数据同时需要传输时，会造成严重的数据丢失。本文试验并设计了一套基于ZigBee的光伏板数据采集系统，该系统和之前的监测方法相比，加入的自组网思想将静态的无线传感器网络节点放到跟随太阳转动的光伏板上，更加适用于恶劣的工作环境，在数据采集的精度上都有明显的提升，同时可以准确捕捉到周边的环境信息，使采集的数据更加真实有效。

1 系统总体结构设计

本系统以ARM处理器s3c6410为核心，使用具有低功耗ZigBee模块的CC2530作为协调器来搭建无线网络，同时配合各类数据采集传感器来采集光伏板温度，电压，电流和光强等数据，通过串口传入s3c6410并显示出来。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计图

2 系统硬件设计

2.1 节点设计与传感器选择

一个光伏板上布置了若干个采集节点，分别采集光伏板的温度，电压电流数据。同时光强数据通过板载的2DU6光电池来采集。每一个采集模块对应一个采集节点，采集模块是由传感器和终端节点组成，该系统使用的是星形拓扑网络，形成多对一模式。设备选取TI公司的低功耗ZigBee模块CC2530，协调器与ARM处理器采用USB通信。

在光伏板的四个顶点各放置一个温度传感器DS18b20[5]用来测量板子表面受热的温度，同时可将数据进行对比，可预测光照不均，树荫遮蔽等情况。使用美国DALLAS半导体公司推出的DS18b20，测温范围-55 ℃～+125 ℃，测温误差1 ℃。工作电源3.0 V/DC～5.5 V/DC，可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可实现高精度测温，图2所示为DS18b20温度值格式表。

图2 DS18b20温度值格式表

电压传感器采用CHV-25P 闭环霍尔电压传感器，用来测量光伏板产生的电压瞬时值。该传感器采用闭环霍尔磁补偿原理，电压测量范围10 V～500 V，输出信号为电流输出，精度为±%1，响应时间10 μs，工作温度为-25 ℃～+70 ℃。电路原理图如图3所示。

图3 电压传感器电路连接图

图4 电流传感器电路连接图

电流传感器采用CHB-25NP 闭环霍尔电流传感器，用来测量光伏板产生的电流瞬时值。该传感器采用闭环霍尔磁补偿原理，用于测量5 A～25 A直流、交流及脉冲电流，输出信号为电流输出，精度为±%0.8，响应时间<1 μs，工作温度为-25 ℃～+70 ℃。电路原理图如图4所示。

2.2 网关设计

ZigBee网络和外界交互的桥梁就叫做网关,它的主要工作就是将收到的数据进行存储和处理，与此同时转换成另外一种格式发送出去。本系统采用ARM处理器s3c6410。网关的工作流程图如图5所示。

图5 网关工作流程图

3 系统软件设计

该系统软件设计主要包含终端设计，协调器设计，采集设备设计等3部分。

3.1 协调器软件设计

在TI官方的Zstack协议栈基础上修改应用层来实现[6]。协调器是整个网络的开始，负责维护网络，建立绑定列表，接收各个enddevice的信息，同时通过串口发送给处理层。

3.2 终端软件设计

终端主要负责将采集到的传感器数据发送给协调器，加入ZigBee网络[7]。设备上电后，节点从休眠模式中醒来，通过扫描信道，看是否收到周围节点传来信标帧，如果没有则等待，如果收到信标帧之后，则监听信标帧，选择父节点加入网络，发送入网请求，收到入网请求响应，则加入网络成功，没收到说明父节点的短地址满了，寻找尚未申请的父节点，没有则入网失败，有则重新加入网络。入网成功后，看是否有无线数据，地址是否为本机短地址，如果不是则丢弃数据包，重新等待接收无线数据包，如果是，则解析数据命令帧，获取光强温度，电压和电流数据，光强数据经过AD转换成ZigBee协议的数据帧格式，P07口接收温度数据，P06口接收电压数据，P05口接收电流数据，发送到协调器。继续等待无线数据包发送。流程图如图6所示。

图6 ZigBee终端工作流程图

3.3 采集设备软件实现

设备上电后，初始化传感器，进入循环。对于DS18b20，CHV-25P和CHB-25NP采集的是数字量。获取任务ID后进行串口初始化，将传感器的输出数据IO口初始化为CC2530的P07，P06和P05口，在数据发送结构体函数中加入读取语句，将采集的数字量转换之后存放到设置好的字符串中。建立一个事件，初始化到操作系统中，专门用来读取与传输传感器数据。设置AF_DataRequest()函数，将数据包发送给目的地址协调器。

4 实验结果

为验证该系统的工作性能，对该系统进行实际测试实验。选用一个协调器节点，7个终端节点，每个节点各控制一个传感器，组成星型拓扑网络，对实验室自制光伏系统进行数据采集。将结果通过串口打印输出到文本文档中。结果如图7所示。

图7 实验结果

采集对象为1平米光伏板，每一秒串口打印输出一组数据包括光强、电压、电流、温度，实验结果分别显示的是中午13点和下午16点左右光伏板上的实时数据，中午的数据显示是光强1 000 W/m2，电压24 V，电流6 A，温度30 ℃左右，下午数据显示是光强600 W/m2，电压18 V，电流4 A左右，温度22 ℃。该采集系统运行状态良好，达到了预期的效果。

5 结束语

基于ZigBee的光伏板数据采集系统，很大程度上解决了光伏板数据采集过程中有线网络布线复杂，采集方式繁琐，不易实现等问题，同时具有很强的扩展性，成本低，数据传输稳定，采集量大，速度快，有效实用，具有较强的实用价值。

[1] 邓洲. 国内光伏应用市场存在的问题、障碍和发展前景[J]. 中国能源,2013,36(1):12-16，23.

[2] ZigBee Alliance Network specification (draft version 1.0)[P/OL].(2012)[2015] http://www.zigbee.org/.

[3] 梁祥莹,严辉,程华伟. 基于DSP的光伏数据采集系统的研究和设计[J]. 能源技术,2009,30(5):283-285.

[4] 宋新超．基于wifi技术的生产数据采集管理终端的设计与开发[D].江苏：南京理工大学，2013．

[5] dalsemi.DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer[D].Berkeley:Univ.of California,2005.

[6] 吕治安. ZigBee网络原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7] 瞿雷, 刘盛德, 胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

Design of a ZigBee-based Photovoltaic Panel Data Acquisition System

Xue Bin,Han Rucheng, Liu Limin

(School of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan Shanxi 030024，China)

In view of high energy consumption, high cost and tedious collection method for increasingly populated photovoltaic panels, a ZigBee-based data acquisition system is designed, using ARM processor as control core and CC2530 containing a ZigBee module of low power consumption as coordinator to set up a wireless network. Furthermore, temperature, voltage, current, light intensity and other data of the photovoltaic panel are collected with help of various data acquisition sensors. Experiment tests verify that this design can effectively solve such problems as complex wiring of the cable network, tedious collection method and difficult implementation in the process of photovoltaic panel data acquisition. Moreover, it has strong expandability, low cost, stable data transmission, big collection capacity, high speed, high efficiency and practicability. Therefore, it has good application value.

data acquisition; ZigBee; photovoltaic panel; sensor; ad-hoc network

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.012

TP393

A

1000-3886(2016)03-0035-03

薛彬(1989-)，男，山西人，硕士生，主要从事现代电力电子与新能源发电技术的研究。 韩如成(1959-)，男，教授，主要从事电气传动、智能控制的研究。

定稿日期: 2015-10-29