面向光伏电池组件测量节点的ZigBee网络设计

李新建

（国网怀化供电公司 怀化 361024）

1 引言

随着化石能源的不断锐减，能源紧缺已经成为制约现代社会持续发展的瓶颈之一［1］，而太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点并且对环境的破坏性极低，自然成为了各国重点发展的清洁能源。随着大量光伏电站装机数量的增加，其规模也越来越大，因此，电站管理和运行也必须向智能化、信息化迈进［2］。目前光伏电池组件监测主要采用电力线载波通信［3］、无线传感器网络［4］、电话线通信［5］、RS-485总线［6］、光纤通信［7］以及电缆通信［8］等通信技术进行数据传输。无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器，这些传感器形成一个多跳的移动自组织网络。ZigBee是一种工作在868/915MHz和2.4GHz频段的无线通信技术，通信速率能达到20KB/s～250KB/s，具有低功耗、低成本和中等传输距离的特性，在物联网领域应用非常广泛［9］。

本研究设计将ZigBee网络用于光伏电池组件运行参数的传输，从而克服现有电站监控方案布线复杂、成本较高并且难以在恶劣偏远环境中使用的弊端。光伏电池组件监测节点作为ZigBee网络的基本组成单元，其重要性不言而喻，所以设计一款能用于光伏电池组件监测并且支持ZigBee网络的节点具有较高的工程实践价值。

2 监测节点的硬件设计

2.1 总体结构设计

无线传感器网络节点作为整个无线传感网络的感知层，对系统所需要监测的物理量进行采集［10］，其主要包括处理器和无线通信模块、供电模块以及采集模块。为提高节点的可扩展性以及降低各模块间的信号干扰，本文设计的光伏电池组件监测节点由核心板和扩展板组成，核心板包含CC2530芯片及其外围电路、天线等，主要功能是实现同各模块的数据交互，而扩展板是针对特定的功能需求而设计的，其主要完成供电和电压、电流以及温湿度的采集等功能［11］。核心板和扩展板之间使用两个排针接口实现彼此的通讯，供电模块为处理器和无线通信模块以及采集模块提供电源功能，具体的节点系统结构框图如图1所示。

图1 节点系统结构框架图

2.2 核心板的硬件设计

光伏电池组件监测节点核心板主要包括处理器与无线通信模块，由CC2530芯片及其外围电路等组成。这里选择CC2530F256型号芯片，CC2530F256包括了性能优越的RF收发器、工业标准增强性8051MCU，可编程128KB的闪存、8KBRAM以及许多其他功能强大的特性并且能根据需要切换不同的运行模式，具备低能耗、较强的抗干扰性、较好的接收信号能力的优点［12］。CC2530工作需要两个晶振，第一个为32.068KHz，在节点休眠模式时作为CC2530芯片的时钟源；第二个为32MHz，该时钟在节点进行无线数据收发时使用。而对于其无线收发部分主要采用巴伦匹配电路［13］来优化射频部分性能，天线部分选择带SMA转接口的杆状天线，设计制作得到的实物图如下图2所示：

图2 节点核心板实物图

2.3 扩展板的硬件设计

2.3.1 供电模块的设计

由于考虑到光伏组件在逆变前可以提供稳定的直流电压，所以使用降压电路来对节点进行供电。节点芯片工作电压为3.3V，而电站提供的电压为5～40V左右，可以先利用LM2596-5.0降压到5V，再由AMS1117-3.3将电压稳定至3.3V，降压电源模块电路如图3所示。

图3 降压电源模块电路

2.3.2 采集模块电路的设计

单块光伏电池板最大输出电压为40V，而CC2530ADC参考电压为内部电压1.15V，所以采集电池板电压时应该对采集电压进行分压，考虑到ADC输入电压应该在该电压范围内，所以选择的分压比暂选为1/40，图中 R22取22kΩ，R33取18kΩ，R44和R55取1kΩ，P0_6为电压采样的通道，采样的电压由以下公式确定，若设Vso为采样电压，Vin为光伏电池组件瞬时输入电压：其输出电压由式（1）确定。

将上述取值带入式（1）可得Vout=Vin/40，这样便可保证P0_6口的采样电压在CC2530的参考电压范围之内，电流和电压采样电路图如图4所示。

图4 电压采样电路

而对于电流采样，通过将电流转化成电压进行测量，需选用合适的采样电阻。电池板工作的最大输出电流为6A左右，选用阻值为0.1Ω的康铜丝为采样电阻可满足条件［14］。R66为采样电阻，P0_7为电流采样IO口，其电压由式（2）确定：

代入上述数值可得Vio=0.1Iio，这样就可以保证采集的电压值在测量范围内。

对于温湿度的采集，通过P2_0口进行采集，本次设计采用DHT11温湿度传感器，其具备全部校准、数字输出的特性和卓越的长期稳定性，响应较快，抗干扰能力强，同时能耗较低。分析其测量范围、测量精度以及转换速率可知，DHT11能够满足节点的采集需求。

2.3.3 扩展板外围其它电路

扩展板外围电路还包括IO口扩展电路、USB转串口驱动电路、JTAGDeBug电路等。综合以上原理图电路并进行节点PCB设计后，加工得到的整个节点实物图如图5所示。

图5 节点实物图

3 监测节点的软件设计

在此次节点设计中，光伏电池组件监测节点的软件设计基于ZigBee协议栈（Z-Stack）进行开发［15］，简化了节点软件开发的流程，缩短了开发周期，也使节点网络更加稳定可靠。本设计中的协调器节点主要有两个任务：一是负责建立ZigBee网络并维护网络的正常工作；二是可以接收终端采集节点的数据，并且能够接收串口传过来的上位机控制命令并进行相对应的操作，最后在网络内进行广播或者发送到特定的节点，从而实现对网络功能的控制，协调器程序流程图如图6所示。

图6 协调器节点流程

传感器节点主要负责数据的采集，并将采集的数据发送给协调器节点。采集节点上电复位后，进行节点初始化操作，扫描可用的信道来寻找协调器节点，如果发现可用网络，则发送加入网络申请［16］。在没有数据请求的时候，传感器节点处于睡眠状态，而一旦有了数据请求，传感器节点马上被唤醒，进行工作状态［17］。首先对数据请求命令解析并回应，然后再进行传感器的启动、数据的采集和发送等，发送完毕后节点进入睡眠状态，等待下一个数据请求命令。采集节点工作流程图如图7所示。

图7 采集节点流程图

4 节点的测试和分析

节点的测试主要分为三部分：第一是采集节点能否实现电池板自降压供电，第二是节点的组网测试以及通过组网采集到的光伏电池组件运行数据是否准确，第三是确定节点在无障碍和有障碍条件下的通信距离。通过自定义的请求关键字来实现对采集节点不同功能的控制，具体的自定义请求关键字定义如表1所示。

表1 自定义的请求关键字

上位机发送上述控制指令到协调器，协调器收到指令后，将其转换成采集节点能够识别的控制命令，采集节点收到命令并加以判断后，将采集到的数据按照自定义的通信包格式发送到协调器，再通过RS232串口上传至上位机，最后借助串口调试工具判断节点组网是否成功以及采集到的数据是否准确可靠，测试系统实物图如图8所示。

图8 测试系统实物图

考虑到直接利用光伏电池组件直接降压对节点进行供电，可以最大限度地规避功耗对节点寿命的影响并降低节点部署成本。为达到在电池组件电压的可能输出范围内，本次测试利用稳压源模拟光伏电池板对节点进行供电，其测试结果如表2所示。

表2 节点供电测试结果

由上表可知，节点在输入电压5V～40V能够实现供电正常，满足光伏电池组件的供电需求。约定协调器收到采集返回反馈关键字：（ZE30K），表明通信链路测试成功，同理，反复采集光伏电池组件的瞬时电压、瞬时电流以及温湿度，取其平均值作为测量值并同实际测量设备采集的数据进行对比，分析得到的数据采集结果如表3所示。

表3 节点数据采集结果

所以节点采集的光伏电池组件运行参数误差较小，可以满足实际需求。为方便之后网络中监测节点和光伏电池组件物理位置的间隔距离的设置，需确定节点的最大通信距离。以协调器为中心，设置好采样周期，采集节点向协调器节点发送用于测试的确认信息，并不断拉大采集节点和协调器节点的距离，反复测试协调器节点与采集节点在有障碍和无障碍情况下的通信情况。在开阔的道路上反复进行上述实验，得到其无障碍下的节点通信距离测试结果表，如表4所示。

表4 无障碍节点通信测距结果

为模拟有障碍下的节点通信距离测试，将协调器节点置于密闭的实验室内，而采集节点置于外面的走廊，然后重复上述经验，得到节点在有障碍条件下的测试结果，如表5所示。

表5 有障碍节点通信测距结果

由于实物的遮挡会对节点通信距离的测试产生一定的影响，造成节点在传输过程中的能量损耗，使得节点通信距离限制在50m以内。由调研可知，单块节点板间的距离不会超过40m，所以搭建的ZigBee网络的传输性能可以满足光伏电池组件监测的实际需求。

5 基于LabVIEW的上位机设计

LabVIEW是一种图形化编程语言，其内部集成了支持GPIO、RS232、RS485和TCP/IP等协议的库函数，可以非常方便地对特定数据进行采集、分析、传输以及存储等操作。根据太阳能光伏电池组件的监控需求，监控系统上位机主要实现以下几个功能：

1）数据采集。由上文的节点设计要求可知，光伏电池组件运行监测需要实时采集其瞬时电压、瞬时电流以及环境的温湿度等四个物理参数，并对采集到的数据进行显示。

2）组件运行状态监控。上位机监控系统需要对采集到的电池组件工作参数进行判断，如超出某个阈值即报警，并通知电站工作人员及时对问题组件进行维修更换。

3）组件运行数据的存储。电站工作人员需要对某一时间段的光伏电池组件进行分析，以优化电站运行效率，所以存储电池组件的相关运行参数是非常有必要的。

根据以上功能要求，基于LabVIEW实现的上位机界面如图9所示，主要用于对光伏电池组件运行参数进行实时的显示、数据的存储和查询以及对异常情况报警等。上述界面包括以下几个部分：界面选择、串口设置、电压和电流正常输入范围的设置、控制面板、实时时间显示以及各参数显示、存储以及查询等。

图9 监控系统上位机界面

6 结语

综上所述，针对当前光伏电站电池板存在的问题以及现有监控方案的局限性，本文设计并实现了一种基于ZigBee的无线光伏电池组件监测节点，并对其进行了自供电测试、节点间的无线组网测试、数据采集测试以及节点间的通信距离测试。实验证明，该节点能够稳定可靠地工作，而且采集的电池组件输出电压、电流以及温湿度误差较小，满足光伏电池组件监测节点的设计要求，可以用于对光伏电池组件进行监测，而基于LabVIEW和ZigBee网络构建的光伏电池组件监控系统也具有一定的现实意义和应用价值。