CN114827776A - 一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，分为三个部分，底层无线采集节点，中间每个光伏区单元配置一个无线中继节点（可布置于箱变单元），无线中继节点与无线采集节点实现无线通信，用于接收该分单元下无线采集节点的数据，因为光伏电站占地面积较大且地形复杂考虑无线模块的通信能力可能不足所以无线中继节点相互间需要多跳通信，上层的基站与终端的无线中继节点实现无线通信，接收每个中继节点收集到的数据，整体处理打包后给服务器存储。本发明利用WSN技术应用于光伏发电环境下不仅将传统的有线模式变为无线模式，同时对本无线装置进行了相关优化设计，降低通信装置的能耗同时大大减少了数据传输的丢包率，提升无线网络通信的稳定性。

Description

一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体来讲涉及的是一种优化的无线数据采集网络通信装置在光伏发电系统中的应用；用WSN技术来代替传统的有线通讯方式同时优化传输模式降低装置能耗的同时提高光伏设备采集及无线传输的稳定性。
背景技术
本发明提供一种优化的无线数据采集网络通信装置在光伏发电系统中的应用，随着无线通信装置体积的减小、成本的降低，无线光伏设备网络也逐渐从理论研究转到现实应用，目前分布式项目已经基本实现逆变器的无线通信。本装置主要是利用无线技术采集、传输和存储光伏系统中所有设备数据，而且该装置可以在目前国家鼓励的大型光伏基地项目中得已应用。传统的无线光伏设备网络还存在节点配置受限、网络冗余度低、监测环境复杂等特点，这些特点要求该网络供电可靠性更强，能耗更低，传输稳定性更强，才能保证网络的监测质量。本装置将基于光伏项目的特点，设计一种优化的无线数据采集网络通信装置在光伏发电系统中的应用。本装置在传输模式上做了一些优化大大提升传输稳定性，将原本光伏设备的有线通信模式变为无线通信的同时进一步提升光伏设备无线通信的低能耗和稳定性起到重要作用。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有有线通讯技术和目前市面上只有逆变器设备可以无线通信中存在的不足，在此提供应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，利用WSN技术应用于无法布线的数据采集环境，同时比传统的有线方式成本更低，寿命期满足使用要求同时做了一些优化使无线通信能耗更低，稳定性更强。
本发明是这样实现的，构造一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；该系统分为三个部分,底层包含无线采集节点，用于采集光伏设备上的技术参数，中间每个采集单元配置一个无线中继节点，无线中继节点与无线采集节点实现无线通信，用于接收该单元下无线采集节点的数据，因为光伏电站占地面积较大且复杂无线中继节点相互间需要多跳通信，终端的无线中继节点与上层的基站实现无线通信，接收每个单元中继节点收集到的数据，整体处理打包后发送给服务器存储；
首先，在现场各采集节点就是用来采集光伏设备数据的无线通信节点，主要放置在需要的光伏设备中用来采集数据的，并通过无线模块A将采集的光伏设备数据发送给所属单元的中继节点；无线中继节点集成高低两种频率的无线模块，无线模块A与采集成员通信，实现收集其采集成员的光伏设备数据；无线模块B则负责将融合转换好的数据转发给基站，两种频率的无线模块提升了数据的稳定性及传输效率，避免相互之间的干扰；基站是无线光伏设备网络的主要控制者，负责建立新的网络、管理网络中的节点、接收中继节点发送的数据以及将数据存储于服务器数据库中。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；所述的无线采集节点主要完成中继节点对其光伏设备数据的收集任务。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；采集节点就是用来测量光伏设备数据的光伏设备节点，主要放置在需要检测条件下的光伏设备中用来采集数据的，并通过无线模块A将采集的光伏设备数据发送给所属单元的中继节点；其中，无线采集节点包括光伏设备数据采集模块、微控制器模块A、内节点无线通信模块A、液晶显示模块和电源模块A；电源模块A与微控制器模块A连接，用于对其供电，光伏设备数据采集模块通过信号转换模块连接微控制器模块A，内节点无线通信模块A连接微控制器模块A，微控制器模块A连接液晶显示模块。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；电源模块A为充电蓄电池供电及光伏组件供电模块；电源模块A为电池供电及光伏组件供电模块组成，利用光伏项目现场的光伏组件给模块及电池供电。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；无线中继节点是通讯过程中的中间环节，它主要是集成高低两种频率的无线模块，无线模块A与采集成员通信，实现收集其采集成员的光伏设备数据；无线模块B则负责将融合转换好的数据转发给基站；其中，无线中继节点包含微控制器模块B、电源模块B、节点射频模块A和节点射频模块B；电源模块B与微控制器模块B连接，用于对其供电，头节点射频模块A和头节点射频模块B分别与微控制器模块B连接。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；电源模块B为充电蓄电池供电及光伏组件供电模块；无线模块A和无线模块B为高低频两种模块，电源模块B为电池供电及光伏组件供电模块组成，利用现场的光伏组件给模块及电池供电。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；基站是网络的根节点，他是无线光伏设备网络的主要控制者，负责建立新的网络、管理网络中的节点、接收中继节点发送的数据以及将数据存储于服务器数据库中；其中，基站包括微控制器模块C、电源模块C、通信接口模块和远距离无线射频模块；电源模块C与微控制器模块C连接，微控制器模块C通过通信接口模块与服务器连接通信，微控制器模块C连接远距离无线射频模块。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；电源模块C为有源供电模块，从监控后台供电。
根据本发明所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统；按照如下方式运行；其中，无线采集节点和无线中继节点因为需要频繁的工作且数量较多；所以为了节约模块的能耗，当两类节点不进行数据的收发时，使其进入休眠模式，即只有低频晶振工作而数字核心模块关闭，同时设计休眠计数器初值，当休眠计数器溢出时唤醒节点，此时的所有节点在一个固定的时间内处于运行工作模式，在这段时间间隔内，保证了基站能够完成一轮完整的采集任务，之后再次进入休眠模式；在某轮的数据采集过程中，中继节点负责收集采集节点的数据并转发给基站；中继节点一方面要与其采集节点建立父子关系，接收来自采集节点传输的数据；另一方面，还要将收集好的采集数据转发给上一层的中继节点；为了降低系统的丢包率，避免由于数据包之间的相互碰撞而导致信道通信的拥塞，中继节点与采集节点之间采用轮询机制，即当中继节点需要数据时，以点对点的方式逐个向采集节点发送命令并接收数据，这样可以进一步减少数据之间的相互碰撞和干扰、提高传输效率；
其中，基站收到上位机的信息后开始组建网络，首先向所有中继节点发送广播消息，并等待回应，确保所有中继节点正常工作，然后根据上位机信息将每个中继节点所属的采集节点信息包（光伏设备号及数据等信息）发送给对应的中继节点，中继节点即可识别属于自己的采集成员；当基站分单元完成后，即可以对每个中继节点要求数据，直到收集完所有的数据传送给服务器数据库存储，等待下一轮数据采集。
本发明具有如下优点：本发明在此提供一种优化的无线数据采集网络通信装置在光伏发电系统中的应用，通过WSN技术实现对光伏区所有设备数据进行无线传输。本装置可以满足某些特定环境下光伏设备无法布线的情况，将原本光伏设备的有线通信模式变为无线通信的同时进一步提升光伏设备无线通信的低能耗和稳定性起到重要作用。该装置硬件部分包括低功耗的主控芯片和远距离无线射频模块。同时对该装置的软件做了设计，包括节点的驱动程序，并基于一种优化的无线通讯节点更加高效、安全、节能。该装置实现光伏设备数据的测量与无线数据传输、过程监视、数据存储与管理、数据分析、数据应用和产品信息反馈等。
本发明该装置应用先进的无线光伏设备网络技术，各无线采集节点可将光伏设备中各数据通过规约转换，通过无线传输将数据上传至基站 ,本通讯装置是一种超小型、供电可靠、低耗能、强性能、无线传输、高精度的数据采集及传输的产品，在光伏项目中完全可以发挥出无线通信的优势。不仅节省了传统的有线通讯成本，也降低了信号的失真和干扰，从而得到准确的测量结果。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为无线采集节点结构框图；
图3为无线中继节点结构框图；
图4为基站结构框图；
图5为本发明无线采集网络通信装置在光伏项目中的应用示意图。
具体实施方式
下面将结合附图1-图5对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，该装置分为三个部分,底层包含无线采集节点1，用于采集光伏设备上的技术参数，中间每个采集单元配置一个无线中继节点2，无线中继节点2与无线采集节点1实现无线通信，用于接收该单元下无线采集节点的数据，上层的基站3与无线中继节点2实现无线通信，接收每个单元中继节点收集到的数据，整体处理打包后发送给服务器存储。
如图2所示，采集节点就是用来测量光伏设备数据的光伏设备节点，主要放置在需要检测条件下的光伏设备中用来采集数据的，并通过无线模块A将采集的光伏设备数据发送给所属单元的中继节点。其中，无线采集节点1包括光伏设备模块11、微控制器模块A12、内节点无线通信模块A13、液晶显示模块14和电源模块A15；电源模块A15与微控制器模块A12连接，用于对其供电，模块11通过信号转换模块连接微控制器模块A12，节点无线通信模块A13连接微控制器模块A12，微控制器模块A12连接液晶显示模块14。电源模块A15为电池及光伏组件供电。
如图3所示，无线中继节点是通讯过程中的中间环节，它主要是集成高低两种频率的无线模块，无线模块A与采集成员通信，实现收集其采集成员的光伏设备数据；无线模块B则负责将融合转换好的数据转发给基站。其中，无线中继节点2包含微控制器模块B21、电源模块B22、头节点射频模块A23和头节点射频模块B24；电源模块B22与微控制器模块B21连接，用于对其供电，头节点射频模块A23和头节点射频模块B24分别与微控制器模块B21连接。电源模块B22均为电池及光伏组件供电。
如图4所示，基站是网络的根节点，他是无线光伏设备网络的主要控制者，负责建立新的网络、管理网络中的节点、接收中继节点发送的数据以及将数据存储于服务器数据库中。其中，基站3包括微控制器模块C31、电源模块C32、通信接口模块33和远距离无线射频模块34；电源模块C32与微控制器模块C31连接，微控制器模块C31通过通信接口模块33与服务器连接通信，微控制器模块C31连接远距离无线射频模块34。电源模块C32为有源供电模块。
如图5所示为该装置的总体设计方案，首先，在现场各采集节点就是用来采集光伏设备数据的无线通信节点，主要放置在需要的光伏设备中用来采集数据的，并通过无线模块A将采集的光伏设备数据发送给所属单元的中继节点。无线中继节点集成高低两种频率的无线模块，无线模块A与采集成员通信，实现收集其采集成员的光伏设备数据；无线模块B则负责将融合转换好的数据转发给基站，两种频率的无线模块提升了数据的稳定性及传输效率，避免相互之间的干扰。基站是无线光伏设备网络的主要控制者，负责建立新的网络、管理网络中的节点、接收中继节点发送的数据以及将数据存储于服务器数据库中。
本发明与有线通讯技术相比具有以下优点：本发明在此提供一种WSN分单元路由为基础的通讯装置，通过WSN技术实现对光伏设备数据进行无线传输。本装置可以满足某些特定环境下光伏设备无法布线的情况。该装置硬件部分包括低功耗的主控芯片和远距离无线射频模块。同时对该装置的软件做了设计，包括节点的驱动程序，并基于一种优化的通信协议使得无线通讯节点更加高效、安全、节能。该装置实现光伏设备数据的测量与无线数据传输、过程监视、数据存储与管理、数据分析、数据应用和产品信息反馈等。但是大部分的无线光伏设备网络还存在节点配置受限、网络冗余度低、监测环境复杂等特点，本装置的特点网络能耗更低，供电可靠性稳定，满足网络的监测质量。本发明该装置应用先进的无线网络技术，各无线采集节点可将光伏设备中各数据通过规约转换，通过无线传输将数据上传至基站 ,本通讯装置是一种超小型、供电可靠、低耗能、强性能、无线传输、高精度的数据采集及传输的产品。不仅节省了传统的有线通讯成本，也降低了信号的失真和干扰。同时也可以扩展在某些不能进行有源供电的情况下进行数据采集。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；该系统分为三个部分,底层包含无线采集节点（1），用于采集光伏设备上的技术参数，中间每个采集单元配置一个无线中继节点（2），无线中继节点（2）与无线采集节点（1）实现无线通信，用于接收该单元下无线采集节点的数据，因为光伏电站占地面积较大且复杂无线中继节点（2）相互间需要多跳通信，终端的无线中继节点（2）与上层的基站（3）实现无线通信，接收每个单元中继节点收集到的数据，整体处理打包后发送给服务器存储；
首先，在现场各采集节点（1）就是用来采集光伏设备数据的无线通信节点，主要放置在需要的光伏设备中用来采集数据的，并通过无线模块A将采集的光伏设备数据发送给所属单元的中继节点（2）；无线中继节点（2）集成高低两种频率的无线模块，无线模块A与采集成员通信，实现收集其采集成员的光伏设备数据；无线模块B则负责将融合转换好的数据转发给基站，两种频率的无线模块提升了数据的稳定性及传输效率，避免相互之间的干扰；基站（3）是无线光伏设备网络的主要控制者，负责建立新的网络、管理网络中的节点、接收中继节点发送的数据以及将数据存储于服务器数据库中。
2.根据权利要求1所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；所述的无线采集节点（2）主要完成中继节点对其光伏设备数据的收集任务。
3.根据权利要求1所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；采集节点（1）就是用来测量光伏设备数据的光伏设备节点，主要放置在需要检测条件下的光伏设备中用来采集数据的，并通过无线模块A将采集的光伏设备数据发送给所属单元的中继节点；其中，无线采集节点（1）包括光伏设备数据采集模块（11）、微控制器模块A（12）、内节点无线通信模块A（13）、液晶显示模块（14）和电源模块A（15）；电源模块A（15）与微控制器模块A（12）连接，用于对其供电，光伏设备数据采集模块（11）通过信号转换模块连接微控制器模块A（12），内节点无线通信模块A（13）连接微控制器模块A（12），微控制器模块A（12）连接液晶显示模块（14）。
4.根据权利要求3所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；电源模块A（15）为充电蓄电池供电及光伏组件供电模块；电源模块A（15）为电池供电及光伏组件供电模块组成，利用光伏项目现场的光伏组件给模块及电池供电。
5.根据权利要求1所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；无线中继节点（2）是通讯过程中的中间环节，它主要是集成高低两种频率的无线模块，无线模块A与采集成员通信，实现收集其采集成员的光伏设备数据；无线模块B则负责将融合转换好的数据转发给基站；其中，无线中继节点（2）包含微控制器模块B（21）、电源模块B（22）、节点射频模块A（23）和节点射频模块B（24）；电源模块B（22）与微控制器模块B（21）连接，用于对其供电，头节点射频模块A（23）和头节点射频模块B（24）分别与微控制器模块B（21）连接。
6.根据权利要求5所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；电源模块B（22）为充电蓄电池供电及光伏组件供电模块；无线模块A（23）和无线模块B（24）为高低频两种模块，电源模块B（24）为电池供电及光伏组件供电模块组成，利用现场的光伏组件给模块及电池供电。
7.根据权利要求1所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；基站（3）是网络的根节点，他是无线光伏设备网络的主要控制者，负责建立新的网络、管理网络中的节点、接收中继节点发送的数据以及将数据存储于服务器数据库中；其中，基站（3）包括微控制器模块C（31）、电源模块C（32）、通信接口模块（33）和远距离无线射频模块（34）；电源模块C（32）与微控制器模块C（31）连接，微控制器模块C（31）通过通信接口模块（33）与服务器连接通信，微控制器模块C（31）连接远距离无线射频模块（34）。
8.根据权利要求7所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统，其特征在于；电源模块C（32）为有源供电模块，从监控后台供电。
9.根据权利要求1所述一种应用在光伏发电中的无线数据采集网络通信系统；按照如下方式运行；
其中，无线采集节点和无线中继节点因为需要频繁的工作且数量较多；所以为了节约模块的能耗，当两类节点不进行数据的收发时，使其进入休眠模式，即只有低频晶振工作而数字核心模块关闭，同时设计休眠计数器初值，当休眠计数器溢出时唤醒节点，此时的所有节点在一个固定的时间内处于运行工作模式，在这段时间间隔内，保证了基站能够完成一轮完整的采集任务，之后再次进入休眠模式；在某轮的数据采集过程中，中继节点负责收集采集节点的数据并转发给基站；中继节点一方面要与其采集节点建立父子关系，接收来自采集节点传输的数据；另一方面，还要将收集好的采集数据转发给上一层的中继节点；为了降低系统的丢包率，避免由于数据包之间的相互碰撞而导致信道通信的拥塞，中继节点与采集节点之间采用轮询机制，即当中继节点需要数据时，以点对点的方式逐个向采集节点发送命令并接收数据，这样可以进一步减少数据之间的相互碰撞和干扰、提高传输效率；
其中，基站收到上位机的信息后开始组建网络，首先向所有中继节点发送广播消息，并等待回应，确保所有中继节点正常工作，然后根据上位机信息将每个中继节点所属的采集节点信息包（光伏设备号及数据等信息）发送给对应的中继节点，中继节点即可识别属于自己的采集成员；当基站分单元完成后，即可以对每个中继节点要求数据，直到收集完所有的数据传送给服务器数据库存储，等待下一轮数据采集。
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