基于LabVIEW的光伏电站远程监控系统设计

祝奔奔，万 舟

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

基于LabVIEW的光伏电站远程监控系统设计

祝奔奔，万 舟

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

针对光伏电站建设在偏僻地区，其管理监控难度大的问题上，本文设计了一种基于LabVIEW的光伏电站远程监控系统。将传感器测得的数据进行信号转换，将其用串口与CC2430芯片相连组成传感器数据采集模块，把采集的数据通过串口转WiFi模块进行传输，利用路由节点来接收WiFi信号，最后将所得信号在LabVIEW监控界面上显示。结果表明，光伏电站远程监控系统具有采集数据准确、传输数据迅速和实时监控等优点，实现了环境温度、风速、电压和电流的监控。

光伏电站；实时监控；传感器；传输数据

0 引言

光伏发电具有无污染、安全性高、能源质量高等优点，受到了世界各地发电公司的重视。随着国内关于光伏发电的相关扶持政策的发布，光伏电站在越来越多的地方开始建设并投入使用。由于光伏电站建在偏远地区，设备的运行情况和周围环境信息难以迅速得到反馈，造成工作人员工作量大大增加，增加了维护设备成本。实时监测光伏电站技术已成为推广光伏发电应用的关键技术之一[1]。

光伏电站建设在偏远地区，应用因特网接入成本太高，且偏远地区的有线接入难度太大，不利于小型光伏发电企业的进一步普及。因此本文设计了一种基于LabVIEW的光伏电站远程监控系统，对光伏电站的温度、风速、电压、电流等参数进行有的效采集方案，实现采集卡和上位机的联系。运用串口通信技术和ZigBee进行数据的无线传输。实现了对光伏电站的实时监控。该系统具有操作简单，响应快，成本低等特点。

1 光伏电站远程监控系统的总体设计

太阳能电池中把光能转化为电能的速率受到诸多因素的影响，如：光伏电站所处的地方环境、太阳光照的强度和当地的天气情况等。因此，要监控光伏电站的运行情况需要采集以下数据：环境温度、风速、电压和电流。监控系统的总体构架如图1所示。

光伏电站远程监控系统是由传感模块、信号转换模块、无线传输模块及PC和监控软件构成，最后由 LabVIEW 的开发环境设计出系统的监控界面。其中传感器通过A/D转换的方式将模拟信号变成数字信号，将其用串口与 CC2430芯片相连组成传感器数据采集模块，把采集的数据通过串口转WiFi模块进行传输，再用路由节点来接收 WiFi信号，通过WiFi在路由节点之间相互传输实现远程传输，之后传输到网关，最后通过串口将数据传输到电脑上进行显示。PC机将接受到的数据处理后保存并及时显示，实现对光伏发电系统各类参数的实时监测。

2 系统的硬件设计

2.1 各类传感器的选型

（1）温度传感器的选型

本文采用的是DS18B20数字温度传感器，它是由DALLAS公司生产的，具有3个引脚，具有体积小，封装形式好的特点；DS18B20的温度测量范围不是太大，为-55℃~＋125℃,但它却可以编程为 9位~12位A/D转换精度，DS18B20的测温分辨率很高，可以达到0.0625℃。DS18B20不仅可以引入它的工作电源，还可以用其他的方式产生。

DS18B20主要由4部分组成：温度传感器、64位 ROM、配置寄存器、非挥发的温度报警触发器TH和TL[2]，如图2所示。

（2）电压电流传感器的选型

本文选用的是霍尔电压电流传感器，它的工作原理是当固体导体在周围有磁场时，内部有电流通过，导体内会产生电压。霍尔电压产生的电场力可以与洛伦兹力相互抵消，从而使得导体中自由电子处于平衡状态。

霍尔电压电流传感器是通过三个元件组成,包括聚磁环、霍尔元件以及放大调理电路。其中，聚磁环是由磁性铁芯、一次侧线圈、二次侧线圈等组成[3]，如图3所示。

（3）风速传感器的选型

光伏电站建设在沙漠或偏远地区，因此风速是影响光伏电站的因素之一，本文采用的风速传感器是鍍热敏电阻器的风速传感器，可以在测量风速的同时测量风的温度。测量风速的范围为0.05~120m/s，风温的范围为0~50℃。

2.2 系统硬件的选型

（1）CC2430芯片

本论文采用的是 ZigBee技术中的射频芯片CC2430，它总共有四种复位方式：RESET_N强制复位、上电复位（保持在复位状态，直到电压正常）、电压不足复位（保持在复位状，直到电压恢复正常）、以及看门狗复位[4]，如图4所示。

（2）串行通信RS232

图2 温度传感器DS1820的内部图Fig.2 Internal diagram of temperature sensor DS1820

串行通信采用的是 RS232，在通信协议的设备中使用非常普遍，同时，采集远程设备的数据可用于串口通信协议的方式进行传输。串行通信 RS232的结构虽然简单，却能够实现远距离的通信，可达到一千多米。串行通信RS232具有易于集成、开发周期短、无需系统 RF测试、耗能低、稳定、快速等优点[5]。

图3 霍尔电压电流传感器结构图Fig.3 Structure of Holzer voltage and current sensor

图4 CC2430 芯片原理图Fig.4 CC2430 chip schematic

（3）Wi-Fi通信模块

本设计采用的是具备UART串口通信的超低功耗Wi-Fi模（USR-WIFI232-B）。该Wi-Fi通信模块通过FCC/CE标准认证，采用表贴封装，支持串口透明传输模式和协议传输模式，可以实现串口即插即用。一般首次使用时需要对该模块进行配置，需要通过计算机的无线网卡连接USR-WIFI232-B的AP端口，并且用 WEB管理页面进行配置。设置中包含模式选择选项，选择 USR-WIFI232-B模块工作模式为AP模式。打开上位机终端，选择客户机模式，输入自动分配给USRWIFI23-B的地址和服务器端口号，点击连接建立TCP连接，即可进行远程数据收发[5]。

3 Z igBee技术与系统的软件设计

3.1 Z igBee技术

ZigBee技术的基础是IEEE 802.15.4标准，进而延伸出的无线通讯技术。适用于传输距离短、能耗低的无线通信。ZigBee技术有许多的特点，如：结构简单、自组织、耗能低、数据的速率慢和制造成本低等。总的来说，ZigBee就是一种成本低廉，耗能低的近距离无线通讯技术[6]。

ZigBee网络虽然是短距离传输，但具有良好的扩展性。ZigBee网络中不同类型的节点具有两种，第一种是路由器节点，第二种是协调器节点。路由器之间可相互传输，使得ZigBee网络可以适用于远距离的数据传输。本论文使用的ZigBee网络远程传输原理如图5所示。

图5 Z igBee网络远程传输原理Fig.5 Z igBee network remote transmission principle

3.2 传感器数据采集节点设计

本论文采用的传感器数据采集节点框图是由CC2430芯片、温度传感器、风速传感器、电压/电流传感器、电源模块和串口通讯模块等器件组成。其结构框架如图6所示。

图6 传感器数据采集节点框图Fig.6 Block diagram of sensor data acquisition

3.3 网关节点的设计

网关节点的结构十分紧凑和复杂，其功能也是很强大。在传输数据领域，网关节点可以实现由传感器节点收集的信息和外部网络或终端用户的连接。网关节点是无线传感器网络中最重要的组成部分，负责无线传感器网络与有线设备之间的连接，可发送上层命令以及接收下面节点的请求和数据，网关电路原理如图7所示，由CC2430、SP3223E及FT232RL构成，SP3223E完成串口电平匹配，FT232RL完成串口转USB接口的功能，可以使得网关方便的连接到 PC或笔记本。本系统使用的网关主要具备三项功能：

（1）创建ZigBee网络，接收光伏电站中传感器模块各节点的数据；

（2）将接收到的数据通过 RS232接口上传到监控中心服务器中。

（3）接收监控中心下发的指令，转发给各控制节点。

3.4 串口RS232与WiFi连接系统设计

Zig Bee与Wi Fi转换选用SP3232，它是RS232收发器对于手持式应用的一种解决方案。工作电压为+ 3.0 ~ + 5.5 V，满载时最小数据速率为120 k B /s，电源低至+ 2.7V，ESD保护驱动程序使驱动器和接收器引脚承受15kV放电模式和IEC1000 4-2空气间隙放电模式。以此来实现Zig Bee数据到Wifi数据的转换[2]。其结构图如图8所示。

3.5 Z igBee网络拓扑结构

ZigBee网络拓扑结构大致分为三类，分别为网络拓扑、树形拓扑和星形拓扑。

（1）星形拓扑是三种形式中最简单的一种，由一个协调者节点和众多的终端节点组成。

（2）树形拓扑是由一个协调者、众多的路由器和终端节点组成。

（3）网状拓扑通过一个协调器和众多的路由器和终端组成。与网络拓扑这种形式类似的是树形拓扑的形式。但是，网状网络拓扑的信息路由规则是多变的、灵活。如图9、10、11所示。

图7 网关电路原理Fig.7 Gate way circuit principle

图8 串口RS232与Wifi连接系统Fig.8 Serial RS232 and Wifi connection system

图9 星形拓扑图Fig.9 S tar topology

图11 网状拓扑图Fig.11 Topological graph of mesh

4 监控界面设计

4.1 系统软件设计

LabVIEW的全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，它与其他的编程软件不同，其他的编程软件都是使用代码之类的，而它是用图形符号来取代代码来编写程序。LabVIEW的开发环境可以运用于许多系统，如：Windows这种非常普遍的系统、Mac和Linux等。除此之外，LabVIEW还可以运用于许多嵌入式平台，如 Microsoft Pocket PC、Microsoft Windows CE和 Palm OS等。LabVIEW中用来编程的语言叫做 G语言，该语言不仅在编程上十分简单、容易上手、节约时间，还有对系统进行仿真和对数据进行显示的功能[10]。

图10 树形拓扑图Fig.10 T ree topology

4.2 光伏电站远程监控系统界面设计

光伏电站需要对环境温度、风速、电压和电流进行监控。因此，本系统设计了与之对应的四种数据采集系统，用LabVIEW软件画出这些系统的程序框图，再将其组合在一起。光伏电站远程监控系统程序框图如图12所示，监控界面如图13所示。

5 结束语

本文设计的光伏电站远程监控系统给出了详细的硬件和软件设计方案，大大降低了光伏电场的管理及监控成本。本系统能够实现数据的精准采集、信号的实时输入和数据的无线传输。该系统操作界面友好简单，信息显示直观，可以实现对环境温度、风速、电压和电流等数据的采集、传输和监控。传输过程运用WiFi模块，使得监控距离远，节省成本，还可以对历史数据进行查询和调用，具有很强的实用性。

图12 远程监控光伏电站总体设计程序框Fig.12 Remote monitoring photovoltaic power station overall design program box

图13 远程监控光伏电站系统的监控界面Fig.13 Monitoring interface of remote monitoring photovoltaic power plant system

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Design of Remote Monitoring System for Photovoltaic Power Station Based on LabVIEW

ZHU Ben-ben, WAN Zhou
(Kunming University of Science and Technology, Institute of Information Engineering and Automation, Kunming, Yunnan 650500)

For the construction of photovoltaic power plants in remote areas, it is difficult to manage and monitor the photovoltaic power plants. This paper designed a photovoltaic power station remote monitoring system based on LabVIEW. Measured by the sensor data signal conversion, the serial port is connected with the CC2430 chip is composed of sensor data acquisition module, the data collected through the WiFi serial transmission module, using the routing node to receive the WiFi signal, the signal is displayed on the LabVIEW monitor interface. The results show that the remote monitoring system of photovoltaic power station has the advantages of accurate data acquisition, rapid transmission of data and real-time monitoring, and realizes the monitoring of ambient temperature, wind speed, voltage and current.

Photovoltaic power plant; Real-time monitoring; Sensors; Transmission of data

TM391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.009

本文著录格式：祝奔奔，万舟. 基于LabVIEW的光伏电站远程监控系统设计[J]. 软件，2017，38（11）：49-54

国家质检总局科技计划基金资助项目(2013QK104)；云南省质量技术监督局科技计划基金资助项目(2013ynzjkj102)

祝奔奔(1993-），男，江西上饶人，硕士研究生，主要研究方向：新型传感器技术；万舟(1960-），男，云南昆明人，副教授，硕士，主要从事有机材料PVDF力学传感器、特殊传感器和生产过程自动化系统研究。