基于光伏发电的智能监控平台设计

陈雪娇，杨文菊，向春艳，薛喜红

新疆职业大学机械电子工程学院，新疆乌鲁木齐，830013

0 引言

目前市面上太阳能—空气源热泵热水系统主要采用定温控制，将温度作为信号来控制系统的启停。通常将热水供应的温度设为55℃，当供热水箱的温度低于55℃时，开启热泵循环泵，空气源热泵加热子系统工作，将供热水箱中的水加热，当供热水箱中的水温超过55℃时，循环泵停止运行。这无法实现智能化控制，且太阳能系统由于长期工作在较高的温度下，造成太阳能的保证率较低，系统运行效率低下。此外，系统出现异常时，不能及时作出响应。

1 智能监控平台运转原理

该平台通过室外气象站采集天气情况数据、酒店客户端采集酒店实时客流量数据、流量计采集用户用水量数据。数据采集控制器负责收集数据，通过ZigBee无线发送给智能监控平台的监控服务器，监测到的数据通过互联网接入管理分析平台，对数据进行分析和挖掘后，给出预测函数，并给出改善建议；通过预测函数实现大数据的智能化控制。通过对监测数据的分析，还可实现对系统实时状态的判断。当系统需要预警提示时，不仅是监控中心提供预警信息，系统还可以通过手机或PC端的推送功能及时推送预警提示信息给管理人员，实现远距离的监控，可实现远程决策。

2 智能监控平台设计思路

智能监控平台主要包括：太阳能—空气源热泵热水系统、数据采集控制器、智能监控服务系统、移动终端和必要的连接。

太阳能—空气源热泵热水系统主要包括太阳能集热子系统、空气源热泵加热子系统、换热装置、热水储存装置、热水供应部分、控制部分。太阳能集热子系统由太阳能集热器、上下循环管、水泵、储热水箱等组成。空气源热泵加热子系统由空气源热泵热水机组和其他部件组成，包括蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀[1]。

数据采集控制器由系统主机和遥控器组成。它负责收集室外气象站监测到的天气数据、酒店客户端提供入住率的实时数据、太阳能集热器温度、储热水箱平均温度、供热水温度及流量数据。通过不同的天气状况和客人的用水需求对太阳能—空气源热泵热水系统的工作状态及时作出调整。

主机为长方形外壳，主机正面设有液晶显示屏，正面左上角设有红外接收器，主机上面左侧有太阳能光伏发电板，主机上面右侧有ZigBee天线，主机右侧面上方有六个传感器接口，从上向下依次为传感器接口a、传感器接口b、传感器接口c、传感器接口d、传感器接口e、传感器接口f。液晶显示屏可以实时显示传感器采集的太阳能集热器温度、储热水箱平均温度、供热水温度、流量、天气数据和酒店入住率等，但为了节约用电，在系统正常运行时此液晶显示屏是熄灭的，只有在通过遥控器接收到屏幕点亮信号后才点亮，并设置一定时间后自动关闭。红外接收器负责接收红外遥控器的遥控信号，对主机进行设置，并下达各种操作指令[2]。太阳能光伏发电板为此装置的动力装置[3]，负责接收太阳光发电，在太阳光充足的情况下，此电池板产生的电力供应整个装置运行的同时，还给装置内部的电池充电，当夜晚或阴雨天光照不足时，整个系统由电池供电，由于采用了低功耗设计，此太阳能光伏发电板和电池完全可以提供整个设备的长时间稳定运行，完全不需要铺设交流电。ZigBee天线负责发送Zigbee的无线信号，用于与主机进行通信。四个传感器接口用于连接集热器温度传感器、储热水箱温度传感器、流量计传感器及酒店终端数据传感器，这些传感器接口采用了485总线，可以一个接口同时连接多个传感器，也可以通过软件设置不同传感器协议，灵活配置传感器的连接，不需要某一个固定传感器对应一个固定传感器接口，极大地提高了系统的灵活性和可用性。主机采用OMAP3515主板通过串口控制传输数据给ZigBee模块，ZigBee模块通过串口取得传输数据后，通过射频电缆传送无线信号到ZigBee天线上，ZigBee天线负责发射和接收ZigBee信号。红外接收器通过I2C总线连接到OMAP3515主板上，接收来自遥控器的信号，并传送给OMAP3515。遥控器有若干按钮，通过红外线，在一定距离内实现对整个系统进行设置。

智能监控服务系统由ZigBee网络、服务器和相应的酒店监控管理系统组成。ZigBee无线网络通过ZigBee协议与安装在酒店现场的ZigBee传感器通信[4]，接收ZigBee传感器发送的太阳能集热器温度、储热水箱平均温度、供热水温度、流量、天气数据和酒店入住率等供服务器使用。酒店监控管理系统按照功能不同分为物理层、数据链路层、智能分析层、用户应用层。物理层由ZigBee无线网卡、4G或5G无线网卡、有线网卡组成。ZigBee无线网卡负责接收传感器通过ZigBee网络发送的ZigBee无线数据。4G或5G无线网卡负责传送4G或5G信号，给远端的手机使用。有线网卡负责传送有线数据给水质控制主机。数据链路层由ZigBee网络协议解析模块、4G或5G通信协议解析模块、有线网络通信协议解析模块组成。ZigBee网络协议解析模块负责解析ZigBee网络协议，进而获得传感器发送的数据[5]。4G或5G通信协议模块负责解析4G或5G协议，用于与远端的手机通信。有线网络通信协议解析模块负责传送天气情况、酒店入住率及用户用热水量，数据进行分析和挖掘后，给出预测函数，并给出供热水改善建议。通过预测函数实现大数据的智能化控制。智能分析层由数据处理和数据挖掘模块构成。数据处理模块负责对远端传感器发送的太阳能集热器温度、储热水箱平均温度、供热水温度、流量、天气数据和酒店入住率等进行处理。数据挖掘模块通过对传感器数据进行长时间的积累，给出预测函数，并给出供热水改善建议。用户应用层由传感器信息显示模块、传感器信息设置模块、报警模块、用户登录模块组成。传感器信息显示模块显示整个监控系统中所有传感器所采集的数据信息，供监控人员及时了解整个太阳能—热泵热水系统的状况。传感器信息设置模块负责对远端传感器进行设置。紧急报警模块负责报警，一旦数据处理和数据挖掘模块检测到数据异常状况，此模块会发出声光信号报警，同时此模块直接与4G或5G通信协议解析模块联通，可以直接向4G或5G通信协议解析模块下达命令，直接通过4G或5G网络传输报警信息给远端的手机，远端手机收到此报警信号后，通过推送消息，提醒手机监控人员。用户登录模块实现监控人员登录访问智能监控系统。

移动终端由Android手机或平板和APP构成。移动终端APP按照功能不同分为物理层、数据链路层、用户应用层。物理层由4G或5G的Android手机的硬件物理层组成，负责4G或5G无线通信的接收与发射。数据链路层由4G或5G通信协议解析模块构成，通过APP程序调用Android手机内的Android操作系统API函数，实现4G或5G 通信协议解析。用户应用层由用户登录模块、传感器数据显示模块、报警推送模块组成[6]。用户登录模块用于连接智能监控服务平台的用户登录模块，实现在远程终端的用户登录。传感器数据显示模块用于连接智能监控平台的传感器信息显示模块，显示当前六个传感器采集到的实时信息。报警推送模块用于接收智能监控平台中紧急报警模块的推送信息，通过推送服务，将紧急报警信息通过声音提示和屏幕显示给出及时的提示报警信息。

3 智能监控平台的优点与效果

（1）本智能监控平台在数据采集端采用了ZigBee网络无线传输，避免复杂和高成本地铺设信号线。它避免了发生特殊状况，比如停电、传输线路损坏、极端恶劣天气下，传感器由于没有供电和传输路径无法发挥作用、无法将实时数据及时传输回监控中心的情况。ZigBee具有网络容量大、自组网、发送方式灵活、双向通信、抗干扰能力强的优点，即使一个节点发生问题也不会影响其他节点。在供电方面采用光伏发电和电池结合，并且采用了低功耗的ZigBee技术和低功耗的微处理器，无需铺设交流电，环境适应能力强。对传感器采集到的数据通过大数据分析和数据挖掘、数据预测，及时研判系统是否出现异常，并快速作出响应。通过有线网络，发送实时天气情况数据、酒店客流量数据、供热水量数据等提示信息至控制主机，及时开启或关闭热泵加热系统。通过各种移动终端，比如手机、平板，可以通过4G或5G网络远程查询太阳能—空气源热泵热水系统的实时状态。在需要预警提示时，不仅是监控中心提供预警信息，系统还可以通过手机的推送功能及时推送预警提示信息给管理人员，实现远距离的监控，可实现远程决策。

（2）本平台采用智能控制，改变当前太阳能—空气源热泵热水系统单一的温度控制模式。当在白天太阳辐射充足的情况下，空气源热泵加热子系统处于停机状态，太阳能集热子系统单独运行，利用集热器收集的太阳辐照量加热生活用水并输送到供热水箱，为客人提供充足的热水。当太阳辐射不足的情况下，如连续的雨雪天气或者夜间，此时太阳能集热子系统处于停机状态，由空气源热泵加热子系统单独运行为客人提供充足的热水。本平台可根据天气状况和前台提供的实际客流量，迅速对系统做出相应的调整。在保证客人热水的充足量的同时，提高太阳能的保证率，为酒店节省热水使用成本。根据不同的条件调整系统运行模式，既做到太阳能热水系统经济运行，又能满足使用要求，充分发挥其节能减排的作用。

（3）传感器的数据传输采用工业标准的ZigBee进行，节点数量多，网络自适应能力强，传输可靠。采用低功耗设计，并使用太阳能光伏发电板和电池供电，无需铺设电缆，易于施工安装，节省施工成本。

（4）远程智能监控服务平台通过大数据分析和数据挖掘，对传感器数据进行长时间的积累，给出预测函数，并给出供热水改善建议。

（5）移动终端通过4G或5G通信实现远程传输，可以使信息及时传递给不在酒店的工作人员，实现无人值守，降低人工成本，并提高平台使用灵活性。

4 结语

基于酒店的应用环境，节能环保是必须关注的重要因素，结合传统的太阳能—空气源热泵热水系统的需求和痛点，本文提出了基于光伏发电的智能监控平台的解决方案。借助光伏发电和智能化监控，通过对综合数据进行感知、处理和分析，形成智能决策平台。基于光伏发电的智能监控平台的建设和应用，能有效实现智能化控制，提高太阳能保证率，系统运行效率得到显著提升。