基于ZigBee网络的风光互补道路摄像机监控系统

徐泽宇 申宏图

摘 要：风光互补发电是一种清洁环保，安全可靠的发电方式，应用于道路摄像机除了减少能耗外，还具有无需铺设外场电缆，有效防止电缆被盗，减少公路运营成本的特点。针对目前道路摄像机运行维护效率较低的问题，本文设计了一种基于ZigBee网络的风光互补道路摄像机监控系统，实现了对摄像机的智能化管理与维护，有效的完善了道路摄像机的运行维护系统。

关键词：道路摄像机 风光互补 ZigBee 监控系统

一、引言

风光互补发电系统将太阳能光伏发电与风力发电有机结合，可发挥各自的特点和优势，最大限度的利用大自然的能源。太阳能和风能在时间和季节上有较好的互补性。白天太阳光最强的时候，可能风很小，当夜晚来临时，光照微弱，但风能较强；夏季，太阳光强烈而风速较小，冬季太阳光较弱而风大。太阳能与风能在时间和季节上的互补性使太阳能和风能成为资源的绝佳匹配，充分利用自然资源，实现了昼夜发电，是一种节能环保、经济可靠的发电方式。

目前，高速公路的道路摄像机大多数由传统的市电电源供电，虽然消耗功率不大，但由于运行时间长，数量多，也会消耗不少电能，不利于传统电源的节能。且由于电缆有较大被盗的风险，造成运营维护费大大增加，加之随着道路视频监控系统的逐渐庞大，造成其维护人员的不断增多，因此引入先进科学的运行维护方法和设备显得至关重要。风光互补发电装置为道路摄像机供电，不用敷设电缆、不用耗费电网电能、环境污染度低、节能环保，有效防盗，同时降低了相应的维护和运行成本。

由于风力发电与太阳能光伏发电的不稳定与随机性，加之道路摄像机的特殊性，如何提高其运行维护效率至关重要。一线的监控点从几百个到几千个不等，若发生故障，只能由工作人员通过现场巡逻、视频监看才能发现，导致无法确保维护的及时性和有效性，往往一个故障点需要多日才能解决故障问题。本系统以风电互补装置为能量供应装置，结合ZigBee网络技术，对摄像机的状态进行检测与控制。设计了一款实现数据监测，故障发现、故障受理，在出现故障时自动报警的道路摄像机监控系统，有效的保障视频系统的正常运行，大大提高其运行维护效率。

二、系统整体结构

本系统由风光互补发电模块、储能模块、控制模块、逆变模块、ZigBee监控模块、负载即道路摄像机等组成。风光互补发电模块作为电源提供装置，为整个系统供电；储能模块即蓄电池，将多余的电能储存起来，以备风光互补发电组直接供电不足时使用；控制模块主要部件是控制器，具有防止蓄电池过充电、过放电等作用；逆变模块即通过逆变器将直流电转化为交流电，供负载使用；ZigBee监控模块负责监测和控制风光互补道路摄像机的工作状态，若摄像机出现任何问题，监控系统都会以报警的方式提醒工作人员及时处理问题，并远程监控管理中心调控摄像机的工作状态。

三、系统硬件设计

1.风光互补发电模块

1.1风力发电组。风力发电机组由风轮、机舱、塔架、基础等几大部分组成。利用风力机将风轮获得的空气动能转化为机械能，再通过风力发电机将机械能转化为电能，给负载供电或将电能储存在蓄电池中。

1.2太阳能电池方阵。太阳能电池方阵利用太阳能板的光伏效应将光能转化为电能，给负载供电或将电能储存在蓄电池中。目前，太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。本系统选用多晶硅电池，具有稳定性好，成本低，使用广泛的特点。

2.储能模块。储能模块大多由若干电压和容量相同的蓄电池串并联组成，将风力发电系统与光伏发电系统输出的电能以化学能的形式储存起来，以供负载使用，在系统中同时起着能量调节与平衡负载两大作用。蓄电池的性能直接影响风光互补工作系统的发电效率与可靠性，同时蓄电池作为发电系统寿命较短的部件，其性能将直接影响系统成本。

3.控制模块。控制器主要由继电器、开关、仪表、电子元器件等组成。控制器通过检测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令，实现保护蓄电池的作用。

4.逆变模块。逆变器将直流电转变为交流电，同时具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。风力发电与光伏发电系统可通用相同的控制器与逆变器，使系统造价较低，成本合理。

5.ZigBee监控模块。ZigBee是一种低功耗的新兴无线通信网络技术，其物理层和MAC层是 IEEE 802.15.4。每个 Zig Bee 网络节点可以支持多达 31 个传感器和受控设备，每个传感器和受控设备可以有 8 种不同的接口方式，可以采集和传输数字和模拟量。ZigBee技术有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、成本低、抗干扰能力强、应用场合广泛等特点。该模块由远程监控管理中心，网关，摄像机通信终端构成。摄像机通信终端的实现依赖于每个摄像机上安装的射频通信模块，本系统选择CC2430射频芯片，此芯片满足ZigBee网络对硬件的规定标准。

四、系统软件设计

摄像机通信终端采集风力发电机、太阳能电池组件、蓄电池、摄像机的电压和电流，将采集到的参数处理后通过ZigBee网络上传到网关，网关实现协议转化成GPRS数据格式传送到监控管理中心。当摄像机发生故障，如摄像机损坏，蓄电池欠压或过压、风力发电机或太阳能电池板损坏的时候，终端通信模块立即将故障信息传送到后台监控管理中心，并产生报警，提醒工作人员及时对摄像机及时进行维护。同时，网关也接受监控管理中心下达的各种控制命令，并将命令传送到摄像机通信终端，进而实现对各个参数的调控。网关广泛分布于城市的各个区域中，与附近的风光互补道路摄像机构成一个Zig Bee网络，实现与监控管理中心传输交换数据。远程监控管理中心与各风光互补道路摄像机监控子站互联，集中显示各摄像机运行状态，并可对控制每一个摄像机，设置各部分参数，实现对风光互补摄像机的大规模远程监控和数据采集。

五、结语

基于ZigBee网络的风光互补道路摄像机监控系统节能环保、运行维护效率高，同时有效防止电缆被盗，与现有道路摄像机系统相比优势显著，经济可靠，有较大的经济和环境效益。系统结构简单，易安装，养护运行要求低，同时符合环境可持续发展理念。

参考文献：

[1]罗先进，黄霞春，黄建华.新能源利用技术[M].合肥：合肥工业大学出版社，2014.10.

[2]何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京：化學工业出版社，2012.4.

[3]王少用.基于ZigBee网络的风光互补LED路灯监控系统的研究[D].华南理工大学硕士学位论文，2011.5.

作者简介：徐泽宇（1995—）女。民族：汉。研究方向：能源与动力工程。申宏图（1994—）男。民族：汉。研究方向：农业电气化。