CN207995038U - 一种基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统。该系统包括：主控制器模块、AD转换模块、温度采集模块、电流采集模块、报警模块、液晶显示模块、ZigBee模块以及电源模块。分布在光伏电池阵列中的路由节点将检测获得的光伏电池工作温度、电流和电压数据采集，利用无线通讯将数据传送给协调器节点，进而到主控制器。一旦光伏电池出现故障，现场立即报警，迅速定位到故障节点位置并通过液晶给予显示，便于现场维护。本系统的优点是：提供了一种通讯稳定、维护方便的基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统，实现对分布式光伏电池阵列中温度、电流和电压参数数据的自动化监测和实时故障预警。

Description

一种基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统

技术领域

本实用新型涉及智能监测技术领域，具体涉及一种应用传感器、单片机、ZigBee技术的光伏电池阵列性能监测系统。

背景技术

目前，全球范围内的煤、石油、天然气等传统资源逐步消耗殆尽，已经无法满足当代经济发展需求，同时严重污染了生态环境，给全人类的生存与发展带来严峻挑战。为此，世界各国开始实施节能减排等经济政策，提倡低碳经济。太阳能因其数量巨大、时间长久、分布最广以及干净清洁等优点，为可再生环保能源的发展领域中的研究主体。

光伏发电技术，利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能。这种技术的关键元件是光伏电池，其开路电压、短路电流、填充因子、转换效率等因数作为光伏发电系统的规模化与智能化的重要信息。因此对光伏电池的输出特性进行检测是光伏发电系统在运行过程中的必要环节。过去用于光伏电池监测的方法及工具的局限性逐渐凸显，不能进行实时监测，不具有自动报警或预警的功能，且现场布线麻烦。基于此，本实用新型提出一种于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统，用以解决光伏电池阵列的故障数据传输与现场维护的问题，并研究其具体系统的实现。

单片机因其集成度高、可靠性高、控制能力强、扩展灵活和应用简单的优点，广泛应用于自动化监测领域中，通过集成各种类型的传感器可以实现对多种测量物理量的信息转换和控制，是实现自动化不可或缺的一个部分。

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通讯技术。同时，ZigBee技术还有自组织网的能力。这些特点表明ZigBee技术非常适合大面积光伏电池阵列的监测，不仅能充分发挥自身优势，还有效弥补了传统工业现场有线设备存在安全隐患、有人监控系统耗时耗力的缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于解决光伏发电站现场环境复杂、布线繁琐、后期维护困难的问题，提供一种通讯稳定、维护方便的基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统和方法，利用无线传感数据通信网，结合先进的计算机信息技术，实现对光伏电池阵列中电压、电流、温度参数数据的自动化监测和实时故障预警。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统，其特征在于，其组成包括主控制器模块、AD转换模块、温度采集模块、电流采集模块、报警模块、液晶显示模块、ZigBee模块以及电源模块。

1)所述主控制器模块包括：单片机ATmegal16的引脚10的VCC、30的AVCC、32的AREF连接正极5V，引脚11、31的GND连接电源地端。

2)所述AD转换模块包括：芯片TLC2543的引脚15接路由节点JN5139的DIO10端口，进行片选，低电平时开通AD模块；引脚16、引脚17、引脚18分别接JN5139的DIO9、DIO8、DIO7端口；引脚14和引脚20连接电源模块；引脚10和引脚13直接接地。

3)所述温度采集模块包括：芯片DS18B20的引脚1直接接地，引脚3直接连接电源，引脚2接一个上拉电阻和路由节点JN5139的DIO0端口来完成对总线的上拉。

4)所述电流采集模块包括：芯片MAX471的引脚1直接接地使芯片处于工作状态；引脚2、3连接正极5V，引脚4、5连接电源地端；引脚6、7连接光伏电池两侧，用于检测电流；引脚8送给AD转换模块TLC2543的引脚1进行电流信号的AD转换，同时对地外接一个电阻，将取得的电压信号送给芯片TLC2543的引脚2进行AD转换。

5)所述报警模块包括：通过三极管基极串联一个电阻与单片机的PB0端口连接。

6)所述液晶显示模块包括：芯片OCMJ4X8的引脚1、3直接接地，引脚2、4连接正极5V；引脚13、14分别接单片机的PC0、PC1端口；引脚5到引脚12依次连接单片机的PA0到PA7端口；引脚17串联一个10K可调电阻连接到引脚18。

7)所述ZigBee模块包括：ZigBee网络由多个路由节点与一个协调器节点组成，采用星形结构网络，以便扩大系统测量范围。协调器节点JN5139的引脚36、引脚35通过MAX232接口分别与单片机的PD0端口和PD1端口连接。

8)所述电源模块包括：输出5V直流电压给整个系统供电。

本实用新型的有益效果是：

1)所述一种光伏电池输出特性检测系统，提供了一种通讯距离远、现场环境简单的自动化监测方式。

2)所述一种光伏电池输出特性检测系统，采用分模块设计方法，整个装置易于拆卸和组装。

3)所述一种光伏电池输出特性检测系统，采用传感器实时采集光伏电池的输出电压、电流、温度的方式对电池工作状态起到监测作用，有利于人们快速、准确获得电池的工作性能。

4)所述一种光伏电池输出特性检测系统，采用报警模块与无线通信结合的方式进行光伏阵列的监控，有利于现场及时处理异常工作的光伏电池，并通过协调器节点把数据收集，传输至主控制器，方便统计分析。

附图说明

图1为光伏电池输出特性检测系统的结构框图

图2为系统整体电路原理图

图3为主控制器模块原理图

图4为电流采集模块原理图

图5为AD转换模块原理图

图6为温度采集模块原理图

图7为报警模块原理图

图8为液晶显示模块原理图

图9为ZigBee组网结构图

图10为ZigBee路由节点原理图

图11为ZigBee协调器节点原理图

图12为电源模块原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1和图2所示，本实用新型所述电路包括：ATmegal16作为整个系统的主控制器模块、TLC2543AD转换模块、DS18B20温度采集模块、MAX471电流采集模块、报警模块、OCMJ4X8液晶显示模块、JN5139ZigBee模块以及电源模块。通过DS18B20温度传感器获得光伏电池运行过程中的电池温度、MAX471电流检测芯片获得电池的输出电压、输出电流。分布在光伏电池阵列中的JN5139路由节点将采集到的数据通过无线通讯的方式给协调器节点，进而与单片机ATmegal16通过串口通信。一旦电池工作出现故障，单片机控制蜂鸣器报警，并从拓扑结构记录表中自动查找出现故障节点的信息，并通过液晶给予显示，便能迅速定位到该节点位置，方便现场维护、提高效率。实现在无人监守的环境下实时掌握光伏电池阵列的工作特性，同时采集到的数据可以供工作人员分析，便于给出应对方案与优化改进。

如图3所示，主板的单片机最小系统包括单片机、复位电路和时钟电路构成。单片机最小系统中单片机为ATmegal16。ATmegal16单片机有着8位高性能、低功耗AVR处理器及先进的RISC结构，有独特的波特率发生器、独立的串口通信端口，提供了良好的硬件设计环境。其工作电压范围为4.5V-5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为单片机中的10脚VCC、30脚AVCC、32脚AREF接电源正极5V，而11脚GND、31脚GND接电源地端。单片机采用外部晶振，12脚、13脚外接8MHz晶振，其对地之间分别串联22Pf电容，提供整个单片机系统的时钟信号。同时在9脚也就是RST端外接了一个复位电路，目的是使单片机上电开始工作时，内部电路从初始状态开始工作。本系统采用的是外部手动按键复位电路，需要连接上拉电阻来提高输出高电平的值。

如图4所示，MAX471电压电流检测芯片是MAXIM公司生产的一种精密高端电流检测放大器.MAX471具有一个电流输出端，只需在电流输出端口上接上一个电阻，便可以将检测电流转换成检测电压，就可以组成电压、电流信号采集单元。芯片内部集成有检测电阻，其精确度为2％，具有并联使用时可扩大检测电流范围、使用外部检测电阻可任意扩展检测电流范围的优点，因此选用MAX471芯片来获取精准的光伏电池输出特性。芯片的1脚SHDN直接接地，使芯片处于工作状态；2脚、3脚RS+连接电源正极5V，为芯片供电；4脚GND连接电源地端；5脚SIGN通过一个上拉电阻接地，表示电流从RS+端流向RS-端；6脚、7脚连接光伏电池两侧，用于检测电流；引脚8将检测到的电流信号送给AD转换模块TLC2543的引脚1进行AD转换，同时对地外接一个电阻，将取得的电压信号送给TLC2543的引脚2进行AD转换。

如图5所示，TLC2543数模转换芯片在A/D转换过程中使用的是开关电容逐次逼近技术，是一款12位的串行A/D转换器，串行输入的结构可节省单片机的I/O口资源。引脚1、2用于接收MAX471输出的模拟信号，由控制字决定转换所需要的模拟量通道与输出数据格式，与单片机的接口有4条数据线，分别是CS、SDO、SDI、CLK。本系统将TLC2543模块通过引脚15连接路由节点JN5139的DIO10端口，进行片选，高电平开始转换工作周期；引脚16连接JN5139的DIO9端口，进行转换结果的输出；引脚17连接JN5139的DIO8端口，进行控制字的输入；引脚18连接JN5139的DIO7端口，当转换完成后，EOC为高电平，CS为低电平，CLK开始引入12个时钟信号，每个上升沿时通过SDI口将一位控制字引入，同时CS为低电平时通过SDO口移出第一位转换好的数据，其余的在下降沿输出。

如图6所示，DS18B20数字温度计提供9至12位摄氏温度测量，测温范围为-55℃至+125℃，并且在-10℃至+85℃精度为5℃。且只通过一个单线接口可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，因此温度采集模块和单片机之间只需要一跟连接线。本系统中DS18B20芯片的引脚1直接接地，引脚3直接连接电源，引脚2接一个上拉电阻和路由节点JN5139的DIO0端口来完成对总线的上拉。

如图7所示，报警模块在光伏电池阵列监测系统运行中起到报警作用，当某个路由节点出现问题，人们在接收报警提示后借助网络查找路由表记录的相关信息，从拓扑结构记录表中查找出现故障节点的信息，便能迅速定位到该节点位置，方便现场维护、提高效率。蜂鸣器通过三极管基极串联一个电阻与单片机PB0端口连接，通过单片机处理各节点采集到的光伏电池的电流、电压、温度信息来判断运行中的光伏电池阵列是否处于正常工作状态，相应地给端口PB0高低电平来控制蜂鸣器是否报警。

如图8所示，本系统采用OCMJ4X8中文液晶显示模块，此模块含有中文字库，采用8位数据线及REQ/BUSY两线标准的用户硬件接口。该液晶采用+5V单电源供电，上电时可自动进行初始化，非常适用于显示出现故障的光伏电池的电流、电压、温度数据及具体位置，方便现场人员的维护工作。OCMJ4X8的引脚5～引脚12分别与单片机的PA0～PA7端口相连，用于数据的传输。引脚13的BUSY、引脚14的REQ分别接单片机的PC0、PC1端口，当光伏电池出现故障时，单片机把相应字节放到数据线上，发送高电平REQ信号给液晶显示模块，以通知模块处理当前数据线上的数据。模块在收到外部的REQ信号后，返回BUSY高电平信号，并立即读取数据线上的命令，内部处理完毕后BUSY信号为低。引脚17串联一个10K可调电阻连接到引脚18，用于LCD灰度的调整。

如图9、10、11所示，本系统采用的是JN5139ZigBee通信模块，它具有低功耗、低成本的无线微处理器，采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4GHZ，实现ZigBee协议栈的数据处理，与有限设备相比具有无需布线、网络节点多、传输距离远的优势。JN5139模块供电为3.3V，P1为该模块的编程/运行接口，其模式转换由按键SW2来控制，当启动时按下按键，进入编程模式，反之进入运行模式，由电阻、电容、二极管及按键组成复位电路，可直接外部复位。JN5139通过串口RXD1、TXD1经MAX232接口转换与单片机的PD0、PD1端口进行通信，并通过该模块进行ZigBee网络通信。

如图12所示，电源接口电路的主要功能是输出5V直流电压给整个系统供电，其中P1为电源接口。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于ZigBee的光伏电池阵列性能监测系统，其特征包括：其组成包括主控制器模块、AD转换模块、温度采集模块、电流采集模块、报警模块、液晶显示模块、ZigBee模块以及电源模块；通过DS18B20温度传感器获得光伏电池运行过程中的电池温度、MAX471电流检测芯片获得电池的输出电压、输出电流；分布在光伏电池阵列中的JN5139路由节点将采集到的数据通过无线通讯的方式给协调器节点，进而与单片机ATmegal16通过串口通信；一旦电池工作出现故障，单片机控制蜂鸣器报警，从拓扑结构记录表中自动查找出现故障节点的信息，迅速定位故障节点位置并通过液晶给予显示；

所述主控制器模块采用单片机ATmegal16；其引脚10的VCC、30的AVCC、32的AREF连接电源正极5V，引脚11、31的GND连接电源地端；

所述AD转换模块采用芯片TLC2543；其引脚15接路由节点JN5139的DIO10端口，进行片选，低电平时开通AD模块；引脚16、引脚17、引脚18分别接JN5139的DIO9、DIO8、DIO7端口；引脚14和引脚20连接电源模块；引脚10和引脚13直接接地；

所述温度采集模块采用芯片DS18B20；其引脚1直接接地，引脚3直接连接电源，引脚2接一个上拉电阻和路由节点JN5139的DIO0端口来完成对总线的上拉；

所述电流采集模块采用芯片MAX471；其引脚1直接接地使芯片处于工作状态；引脚2、3连接正极5V，引脚4、5连接电源地端；引脚6、7连接光伏电池两侧，用于检测电流；引脚8送给AD转换模块TLC2543的引脚1进行电流信号的AD转换，同时对地外接一个电阻，将取得的电压信号送给芯片TLC2543的引脚2进行AD转换；

所述报警模块通过三极管基极串联一个电阻与单片机的PB0端口连接；

所述液晶显示模块采用芯片OCMJ4X8；其引脚1、3直接接地，引脚2、4连接正极5V；引脚13、14分别接单片机的PC0、PC1端口；引脚5到引脚12依次连接单片机的PA0到PA7端口；引脚17串联一个10K可调电阻连接到引脚18；

所述ZigBee模块采用芯片JN5139；ZigBee网络由多个路由节点与一个协调器节点组成，采用星形结构网络，以便扩大系统测量范围；协调器节点JN5139 的引脚36、引脚35分别与单片机的PD0端口和PD1端口连接；

所述电源模块输出5V直流电压给整个系统供电。