一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

摘要：针对远程运行的风光互补发电系统，提出基于视频监控、射频通信、GPRS传输、数据库应用及图形化LabVIEW编程的物联网远程监控系统，重点介绍了系统各模块的硬件设计、软件设计，数据的传输流程以及服务器数据库的配置、客户端软件的实现。该系统实际应用于风光互补发电系统中，可实时同步测量显示风光互补发电过程的各种数据，存储的数据库信息可以为日后的科学研究提供依据，为风光发电技术的改进与提高奠定了基础。
关键词：风光互补；物联网；监控系统；LabVIEW

0 引言
    随着常规能源的逐步消耗，可再生能源日益引起人们的关注，风能与太阳能从众多可再生能源中脱颖而出。风光发电系统的能量输出因周围环境的变化而表现出较大的差异，对风光发电系统进行实时监测，可以获得原始测量数据，为系统的改进与优化提供有用数据，同时对系统环境参数及其系统本身的电气性能进行监测和分析是保证系统正常高效运行的前提，而且风光发电系统的运行一般是在偏远地区或无人值守的情况下进行，对地面上很分散的风光系统进行监测维护是十分困难繁琐的，需要大量的时间和人力物力，因此在风光发电系统中采用物联网远程监控系统具有重要意义。
    物联网，以其现有定义，即通过射频识别装置、摄像装置、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从其定义中可看出，物联网技术的本质在于“物物相连”，可以看作是利用现有互联网通过无线传感等技术，使用户的范围拓展到物的领域，即达到人与物的相连，物与物的相连和物与人的相连。本文主要介绍基于视频监控、射频通信、GPRS传输、数据库应用及图形化LabVIEW编程等技术实现的风光直补物联网远程监控系统。

1 工程背景
1．1 风光互补发电系统总体布局
    风光互补发电系统主要由如下几项构成：光伏组件(16块)、风力发电机组(3台)、蓄电池组(4台)、控制器(3台)和逆变器(1台)，如图1所示。其中光伏组件，风力发电机组分别将太阳能和风能转化为电能，通过控制器对蓄电池充电；蓄电池组是由多个蓄电池经串联组成的储存电能的装置；控制器主要是对蓄电池的充放电进行管理，同时对系统输入输出功率起到调节和分配的作用；逆变器的作用是将风机和光伏组件发出的直流电转换为交流电，对负载进行供电。
    图1右侧所示为独立的视频监控设备及网络，用以对现场进行视频监控。

1．2 风光互补发电物联网监控系统总体架构
    风光互补发电物联网监控系统总体架构如图2所示。

    在该物联网监控系统中，首先将每组太阳能电池板与每台风机的输出电压及电流经信号调理后送到数据采集板，并按照通信协议打包，以无线传输方式发送至数据集中器，数据集中器采集到所有数据和负载信息统一送至GPRS模块，GPRS模块通过中国移动的网络将信息发送到服务器，服务器将获取的信息处理后存储至数据库中，监控中心或用户通过客户端软件即可从服务器上调用数据实时显示当前风光系统运行情况。当系统出现问题的时候，I／O控制板将自动切断负载，并在现场和监控中心显示故障信息，同时用户可在远端监控中心通过按钮控制现场的负载的通断操作。

2 风光互补物联网监控系统模块设计
2．1 数据采集板软硬件设计
2．1．1 数据采集板硬件设计
    数据采集板主要包括ATmega8单片机，霍尔电流、电压传感器。电源稳压模块、串口通信模块和无线收发模块。其中ATmega8处理器的主要任务是对传感器的输入信号进行处理，并控制无线收发模块的正常工作。系统框图如图3所示。

    数据采集板串口通信电路采用低功耗的MAX232芯片，完成了节点模块与PC机的通信。
    数据采集模块中ATmega8，无线模块等器件的通用电源为+5 V，电压霍尔传感器的电源为±15 V，所以采用LM2576作为稳压模块，将±15 V稳定在+5 V。
    根据现场的风机和光伏组件的输出电压及输出电流，选用的电流霍尔传感器为ACS712，具有良好的线性度；霍尔电压传感器为HFV5 10／25A型。
    根据现场实际情况的要求，无线射频模块选用SRWF1028，如图4所示。它具有低功耗，抗干扰能力强，传输距离远，穿透能力强的特点。

2．1．2 数据采集板软件设计
    (1)通信协议的设定
    在整个系统之中，具有无线射频模块的是数据采集板、数据集中器板和I／O控制板，在通信过程中，为保证通信的正确，需要对数据帧进行通信协议的设定，在数据帧结构中，数据统一设计成相同的组成部分，分别是起始位，地址位，数据位、校验位与结束位。
    (2)数据采集板程序的流程图
    控制系统要求做到数据实时的采集，并将采集到的现场信息按照通信协议进行打包，当接到集中器的上传命令并确认正确后，立即将现场采集到的打包后数据信息发到集中器中。采集板的控制程序流程图如图5所示。

2．2 I／O控制板的设计
2．2．1 I／O控制板的硬件设计
    现场开关信号通过光耦送至I／O控制板，当风机或光伏组件的电压或者电流过高的时候，可能会损害系统或者负载，I／O控制板将通过控制继电器来保护接入的负载。同时，I／O控制板可以将当前继电器的状态发送到控制中心并可以接收远方控制中心的指令，开关继电器，达到远端控制现场的目的。
    I／O控制板其单片机、串口通信模块、电源稳压模块、射频模块及时钟电路与数据采集板的设计相同，不再赘述。I／O控制板与数据采集板不同之处为继电器电路和光耦隔离输入电路。继电器电路选用的是欧姆龙公司的产品OMRON_G5Q-12VDC。输入电路采用光耦隔离，选用最为常用的光耦隔离芯片TIL113。
2．2．2 I／O控制板的软件设计
    根据I／O控制板的设计目的，I／O控制板要实时监控输入信号，当发生异常时，要主动切断与继电器相连的负载，以保证整个系统的安全。同时，还可以接收监测远端控制中心通过无线射频模块发送的控制信息，控制现场继电器的通断和将自己现在的状况回馈给监控中心。按照设计要求，控制板的程序流程图如图6所示。

2．3 数据集中器板的设计与GPRS板
2．3．1 数据集中器板的设计目的
    数据集中器要能够依次接收数据采集板采集得到的信息，并将所有的信息按照通信协议打包并通过串口将信息发送到GPRS模块，通过GPRS将信息发送到服务器。同时，集中器要能够接收远端控制中心的命令，并作出相应的动作，向控制器发送命令以控制现场情况。
2．3．2 数据集中器板的硬件设计
    数据集中器板的电源稳压电路、时钟电路、射频模块及串口通信模块与数据采集板电路相同，不再赘述。
    由于需要处理的信息更多，所以数据集中器板选用ATmega162作为核心芯片。ATmega162是高性能、低功耗，RISC架构的8位AVR微处理器。
2．3．3 GPRS模块
    GPRS模块将数据集中器板集中打包的数据，通过中国移动网络发送到服务器中，服务器软件将信息提取存储至数据库中。GPRS板选用EP220P模块。
    数据集中器板与GPRS板通过RS 232串口连接，由于EP220P模块采用全透明的数据传输，只需要按照数据手册设置好GPRS模块的串口波特率，串口数据位，串口校验位，短信中心号码，ID号，本地端口号，服务器IP地址，服务器端口号和通信协议TCP Client模式。
2．3．4 数据集中器的软件设计
    数据集中器板采取轮循的方式，依次读取数据采集板所采集的信息，当信息采集完毕之后，将所有信息打包，把信息送到GPRS模块之中，并随时检验远端收到的命令，校验正确之后，按照命令将命令发送到相应的下位机板中。其系统流程图如图7所示。

3 服务器配置与客户端软件
3．1 服务器配置
    数据送至服务器后，通过“GPRS服务器”程序管理设备连接、客户连接、日志管理，并将数据提取，存储更新至数据库GPRSServer各表格中。
3．2 客户端软件
    客户端软件由两部分构成，第一部分为建立数据源，由于LabVIEW数据库工具只能操作而不能创建数据库，所以必须借助第三方数据库管理系统，选用Microsoft公司的Access软件来创建数据库，建立一个名为GPRSDB．mdb的数据库文件，利用编写的“数据库后台连接”软件，实时更新Access数据表格GPRSDB；第二部分为“新能源物联网监控系统”，由LabVIEW编译，具有良好的界面效果，首先利用DBOperati ton子VI连接数据库，后可利用SQL Execute子VI执行SQL查询语句，从GPRSDB表格中查询数值，如图8所示。实时更新风机电压、光伏电池电压及电流、各数据采集板及集中器板连接状态，并根据风机电压、光伏电池电压及电流折算显示出风速及光强的大小，且在客户端软件中加载控件，调用视频监控界面，监测实际的运行状态，界面如图9所示。

4 视频监控系统
    视频监控系统如图10所示，采用全IP视频监控系统。系统分为前端部分、远程传输部分和中心控制部分。前端部分由摄像头、云台和视频处理设备3部分组成；远程传输系统由室外无线网桥、路由器、ADSL组成，通过局域网、Internet网络完成视频数据传输；中心控制部分负责系统的管理和控制工作，对信息进行存储、管理和分析。

    该系统优势是摄像机内置Web服务器，并直接提供以太网端口。摄像机生成JPEG或MPEG4数据文件，可供任何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视、记录。
    网络摄像机通过经济高效有线或无线以太网简单连接到网络，能够利用现有局域网基础设施。使用5类网络线缆或无线网络方式传输摄像机输出图像以及水平、垂直、变倍(PTZ)控制命令。
    同时任何经授权客户机都可直接访问任意摄像机，也可通过中央服务器访问监控图像。

5 结语
    本文针对远程运行的风光互补发电系统，提出基于视频监控、射频通信、GPRS传输、数据库应用及图形化LabVIEW编程的物联网监控系统。该风光互补发电系统及物联网监控系统已成功应用于无锡洛社新能源试验项目中，从运行的情况来看，基本实现了风光互补发电的效用，并提供电能应用于路灯照明，物联网监控系统传输稳定，远程数据及视频监控正常。但存在的问题是远程数据监控有滞后，主要影响因素为GPRS数据传输的速度及无线信号在传输过程中受遮蔽等。鉴于通信成本的下降，可考虑用3G数据传输替代GPRS数据传输，提高数据传输速率，无线射频模块采用传输更稳定，穿透能力更强的模块，增强整个系统的可靠性。实际证明，该系统具有良好的技术价值和市场价值，可更好的推广于生产生活中，为人们带来便利。