CN106100956A - Rs485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种RS485总线架构的双无线通信光伏电站监控系统。本发明的光伏电站监控系统主要包括数据采集层、数据中转层和数据处理层。数据采集层的ZigBee无线网络将分布式光伏电站中重要电力设备的数据及时上传到数据中转层，数据中转层通过3G无线网络将数据发送到数据处理层的远程数据库服务器中，电站管理人员能够通过Internet访问远程数据库服务器及时查看现场的运行状况。本发明的优点是监控系统设计可以不受光伏电站距离限制，节省了人力维护成本；采用ZigBee和3G的双无线通讯方式可以在保证数据传输速率和准确性的同时避免在复杂电站现场进行布线，节约了建设成本。

Description

RS485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统
技术领域
本发明涉及光伏发电站的远程监控领域，具体涉及RS485总线架构的ZigBee和3G双无线通信的光伏电站远程监控系统。
背景技术
目前，太阳能光伏电站主要建设在一些偏远、落后的地区，现场的地理环境复杂、公共设施落后不适宜工作人员长期的现场职守，所以太阳能光伏电站大多是在无人职守的情况下运行的，此外，在同一地区，各个分布式的光伏电站之间的距离较远，要实现各个分散电站的集中管理与监控，就迫切的需要实现对光伏电站的远程数据监控。
现有的对光伏电站的监控系统一般采用有线的形式或者单一的无线形式，目前基于ZigBee和Web方式的电站监控系统，通过设计可视化界面，解决了独立光伏电站的数据监控问题。但是大规模的光伏电站系统通常由区域分散的多个分布式光伏电站组成，每个分散的光伏电站都是由一个个太阳能板方阵组成，每个方阵需要布置1到2台逆变器、1台箱变、十几个光伏汇流箱以及多个交流表、直流表等电力设备，整个光伏电场多达数十至上百个分散开的方阵，传输数据量大、传输距离远，适用于短距离传输的ZigBee显然无法满足系统的通信要求。针对该问题，光伏电站采用ZigBee技术和通用分组无线服务技术GPRS融合的双无线通信监控系统。但是GPRS的带宽相对较小，传输速率较低、数据易丢包、可延展性不够，当面对大规模分散的光伏电站时，GPRS显然无法满足日益增长的监测数据传输通信要求。
考虑到RS485总线技术是一种广泛应用于工业现场的通讯的总线技术，传输距离可达上千米，具有传输距离远、传输速率快、抗噪声干扰性强、价格低等优点。ZigBee技术是一种短距离的无线通信技术，具有功耗低、复杂度低、成本低等特点，适用于传输距离短、传输速率要求不高的各种电子设备的通讯中，被广泛应用于工控、民用领域。3G网络是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，以其通讯速率快、传输的数据量大、信号稳定等特点被广泛应用到远距离的通信系统中。因此本发明提出一种RS485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统。
发明内容
为解决光伏电站远程监控的布线繁琐、后期维护困难以及分散的电站距离较远等问题，本发明提供了一种传输距离远、通讯稳定、维护方便的RS485总线架构的双无线通讯光伏电站远程监控系统。
本发明通过以下技术方案来实现：一种RS485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统的特征包括：其组成包括传感器模块，电力设备，RS485总线模块，ZigBee接收和发送模块，主控制器模块，3G通讯模块，上位机系统；其中传感器模块和电力设备通过RS485总线模块与ZigBee发送模块相连，ZigBee发送模块通过ZigBee无线网络与ZigBee接收模块连接，ZigBee接收模块通过串口与主控制器相连，主控制器通过USB接口与3G通讯模块相连，3G模块通过无线电的方式将数据发送到上位机系统的数据库服务器中，PC机通过以太网访问数据库服务器。
1)所述传感器模块包括：HS-102WS温度传感器，HS-FS01风速传感器，HS-FX02风向传感器，HSTL-GZD光照辐射传感器，这些传感器都是基于Modbus的通讯协议，采用485的通讯接口。
2)所述电力设备包括：逆变器，汇流箱，交直流电表，都是基于Modbus的通讯协议，采用485的通讯接口。
3)所述RS485总线模块电路：采用ST485芯片通过光电耦合器与ZigBee发送器隔离通讯，在ST485的A、B引脚之间使用120欧的电阻用以构成总线终端匹配的结构。
4)所述ZigBee接收和发送模块包括：多个ZigBee发送器和若干个ZigBee接收器，采用星状ZigBee网络拓扑结构，一个ZigBee接收器连接多个ZigBee发送器，一个ZigBee发送器与现场一个采集点的多个电力设备或者传感器设备通过485总线的方式实现通讯。
5)所述主控制器模块包括：S3C2416处理器模块、MAX232的串口通信模块、CH340的USB模块、SD卡等，通过在S3C2416处理器上移植嵌入式的Linux操作系统，在Linux操作系统下，主控制器通过MAX232串口通信模块读取ZigBee接收器收集到的光伏电站现场设备的运行数据，进而将读取的光伏电站现场数据保存到SD卡中的同时通过USB模块将光伏电站的现场数据发送到3G模块。
6)所述3G通讯模块：采用华为EM770W，通过USB接口与主控制器通讯，将主控制器发送来的光伏电站的现场数据通过无线电波的形式发送到上位机系统的数据库服务器中。
7)所述上位机系统包括：数据库服务器、PC机、上位机软件；数据库服务器接收3G模块发送来的数据并将其和时间戳一同保存在数据库中，在PC机中安装上位机软件，上位机软件采用浏览器/服务器模式，通过浏览器调用API函数访问数据库，读取数据库中存放光伏电站的现场数据，通过图表形式显示在浏览器界面上以便管理者分析和决策。
与现有技术相比，本发明所述RS485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统通过基于RS485总线的现场数据采集，ZigBee+3G的双无线网络以及浏览器/服务器模式的上位机系统实现分布式光伏电站的远程监控。采用具有控制方便、成本低廉、传输速度较高、传输距离较远、噪声抑制较好等特点的RS485总线进行数据采集，采用ZigBee和3G结合的双无线通信方式，利用短距离通信的ZigBee网络采集一个光伏电站中短距离电力设备的数据，然后再利用长距离通信的3G网络传输各个分散开电站的电力设备的数据。在保证通信距离和通信质量的同时，大大减少了建设成本；采用浏览器/服务器模式的上位机系统，用户只需要一台可以上网的PC机，通过浏览器就可以直接登录到管理软件，使用户可以非常方便、直观、快捷的监测分布式光伏电站的电力设备的运行数据。
附图说明
图1为本发明所述光伏电站远程监控系统整体结构框图
图2为本发明所述RS485总线原理图
图3为本发明所述数据采集层结构图
图4为本发明所述数据中转层结构图
图5为本发明所述ZigBee发送器工作流程图
图6为本发明所述ZigBee接收器工作流程图
图7为本发明所述主控制器工作流程图
具体实施方式
为详尽说明本发明的内容、以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，本发明所述RS485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统包括三层结构：数据采集层，数据中转层、数据处理层。数据采集层由ZigBee终端节点、电力设备、传感器设备、485总线模块等组成。采用ZigBee终端节点作为主机，光伏电站现场的各个电力设备以及各传感器设备作为从机，通过RS485总线，分散在光伏电站各个位置的ZigBee终端节点将现场的重要设备的数据采集上来，并通过ZigBee无线网络发送到数据中转层的ZigBee协调器中；数据中转层由ZigBee协调器、主控制器组成，ZigBee协调器将数据采集层发送来的数据通过串口发送到移植了嵌入式的Linux操作系统的主控制器中，主控制器将现场发送来的数据保存在SD卡的同时通过USB接口将数据发送到3G网卡中，通过无线电的方式将数据最终发送到数据处理层的远端数据库服务器中；数据处理层由PC机、数据库服务器、上位机软件等组成，数据库服务器将数据中转层发送来的数据保存，上位机软件通过调用API函数读取数据库服务器中保存的现场数据，通过图形化的方式形象直观的展现给用户。
如图2所示，485总线原理图的硬件电路主控芯片选用ST485，通过光电耦合器与zigbee发送器隔离通讯，为了保证ZigBee终端节点与485总线上各从机之间的通讯速率，选用高频光电耦合芯片6N137实现ST485数据通讯的RX和TX引脚与ZigBee终端节点连接，选用普通光电耦合芯片P521实现ST485的片选的RE和DE引脚与ZigBee终端节点连接，在ST485的A、B引脚之间使用120欧的电阻用以构成总线终端匹配的结构，防止总线偏移。
如图3所示，数据采集层结构包括由CC2530、射频模块、JTAG接口组成的ZigBee终端节点，485接口，电源模块，以及电力设备和传感器设备。光伏电站中电力设备包括逆变器、汇流箱、交直流电表以及用于采集现场环境参数的温度传感器、风力传感器、风速传感器、光照幅度传感器。
如图4所示，数据中转层包括ZigBee协调器和主控制器两块，ZigBee协调器通过RS232串口与主控制器通讯，ZigBee协调器由CC2530单片机、射频模块以及JTAG模块组成。主控制器选用基于ARM9内核的S3C2416，外围电路模块包括：UART接口、DDRAM、以太网接口、Nandflash、LCD接口、JTAG接口、SD存储卡、USB接口。
如图5所示，ZigBee终端节点通过485总线采集电力设备和传感器设备数据的步骤包括：步骤S1首先初始化所述ZigBee终端节点的硬件及协议栈；步骤S2判断是否有ZigBee无线网络可以加入，若有则执行下一步，若无则继续判断是否有ZigBee无线网络；步骤S3设定ZigBee协议栈软件定时1秒；步骤S4的ZigBee终端节点向从机发送数据采集命令；步骤S5接收从机回传的数据；步骤S6的ZigBee终端节点将接收到从机回传的IEEE754标准的浮点数转换成10进制的小数；步骤S7的ZigBee终端节点将数据发送到ZigBee协调器，然后返回到步骤S3。上述1秒钟为预设的采集现场数据的时间间隔，可由技术人员依照现场实际情况重新设置
如图6所示，ZigBee协调器接收ZigBee终端节点发送的数据，并将数据发送到主控制器的程序设计步骤包括：步骤S8初始化所述ZigBee协调器的硬件及协议栈；步骤S9的ZigBee协调器建立ZigBee无线网络并设置PANID号；步骤S10判断是否有终端节点请求加入到ZigBee无线网络中，若有则执行下一步，若否则继续判断是否有终端节点请求加入ZigBee网络；步骤S11的ZigBee协调器为加入网络的终端节点分配地址；步骤S12开始接收ZigBee终端节点发送来的现场电力设备及传感器设备的数据；步骤S13的ZigBee协调器通过RS232串口将接收到的数据发送至主控制器，然后返回到步骤S12。
如图7所示，主控制器接收ZigBee协调器发送的数据并启动3G模块将数据发送到远端服务器的程序设计步骤包括：步骤S14的主控制器启动Linux操作系统的内核；步骤S15的Linux内核启动后开始初始化各应用程序；步骤S16在Linux操作系统下打开串口的设备文件；步骤S17在Linux操作系统中配置串口通讯的参数如端口号、波特率等；步骤S18将配置好的串口设备文件添加到Linux操作系统的文件描述符集中；步骤S19中系统调用Select监听串口；步骤S20判断串口的设备文件发送是否有变化，若是则表示有数据发送过来，执行下一步，若否则返回到步骤S19；步骤S21将通过RS232串口发送来的现场数据保存到主控制器的SD存储卡中，然后返回到步骤S19；步骤S22调用3G模块将通过RS232串口发送来的现场数据发送到远端的数据库服务器中，并返回到步骤S19。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的实施举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。

Claims (1)

1.一种RS485总线架构的双无线通信光伏电站远程监控系统的特征包括：其组成包括传感器模块，电力设备，RS485总线模块，ZigBee接收和发送模块，主控制器模块，3G通讯模块，上位机系统；其中传感器模块和电力设备通过RS485总线模块与ZigBee发送模块相连，ZigBee发送模块通过ZigBee无线网络与ZigBee接收模块连接，ZigBee接收模块通过串口与主控制器相连，主控制器通过USB接口与3G通讯模块相连，3G模块通过无线电的方式将数据发送到上位机系统的数据库服务器中，PC机通过以太网访问数据库服务器；
1)所述传感器模块包括：HS-102WS温度传感器，HS-FS01风速传感器，HS-FX02风向传感器，HSTL-GZD光照辐射传感器，这些传感器都是基于Modbus的通讯协议，采用485的通讯接口；
2)所述电力设备包括：逆变器，汇流箱，交直流电表，都是基于Modbus的通讯协议，采用485的通讯接口；
3)所述RS485总线模块电路：采用ST485芯片通过光电耦合器与ZigBee发送器隔离通讯，在ST485的A、B引脚之间使用120欧的电阻用以构成总线终端匹配的结构；
4)所述ZigBee接收和发送模块包括：多个ZigBee发送器和若干个ZigBee接收器，采用星状ZigBee网络拓扑结构，一个ZigBee接收器连接多个ZigBee发送器，一个ZigBee发送器与现场一个采集点的多个电力设备或者传感器设备通过485总线的方式实现通讯；
5)所述主控制器模块包括：S3C2416处理器模块、MAX232的串口通信模块、CH340的USB模块、SD卡等，通过在S3C2416处理器上移植嵌入式的Linux操作系统，在Linux操作系统下，主控制器通过MAX232串口通信模块读取ZigBee接收器收集到的光伏电站现场设备的运行数据，进而将读取的光伏电站现场数据保存到SD卡中的同时通过USB模块将光伏电站的现场数据发送到3G模块；
6)所述3G通讯模块：采用华为EM770W，通过USB接口与主控制器通讯，将主控制器发送来的光伏电站的现场数据通过无线电波的形式发送到上位机系统的数据库服务器中；
7)所述上位机系统包括：数据库服务器、PC机、上位机软件；数据库服务器接收3G模块发送来的数据并将其和时间戳一同保存在数据库中，在PC机中安装上位机软件，上位机软件采用浏览器/服务器模式，通过浏览器调用API函数访问数据库，读取数据库中存放光伏电站的现场数据，通过图表形式显示在浏览器界面上以便管理者分析和决策。
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