基于ZigBee技術的光伏陣列監測方案
太陽能(也稱光伏)電站大多是由數以百計、千計的光伏電池板組成的。光伏電站工作的穩定性和輸出功率與光伏陣列是相關的，甚至與每一塊光伏電池板的工作狀 態相關。如何對龐大的光伏陣列進行監測和故障診斷是維持光伏電站正常工作的首要問題。目前，光伏陣列的主要問題是熱斑現象。所謂的熱斑現象就是光伏電池板 中部分光伏電池單體由于長時間被遮擋，導致其產生的電流小于其他沒被遮擋的光伏電池單體產生的電流，根據基爾霍夫電壓定律，這些被遮擋的光伏電池單體會帶 負電壓，成為電路中的負載，并以熱量形式消耗其他正常工作的光伏電池單體產生的功率，這種熱量的長時間積累會損壞光伏電池板的封裝材料，甚至破壞光伏電池 板的物理結構，并將造成永久損壞。
目前，光伏陣列的監測方法主要有直接法和間接法。直接法是直接測量每塊電池板的電壓和電流，用總線技術將數據送入計算機判斷。該方法存在規劃布線、預設接 口、線路檢測、線路擴容等一系列與傳輸路徑有關的問題。間接法是通過測量電池的溫差來判斷電池的工作狀態。然而此種方法存在一些缺陷，如不能區分溫度相差 不明顯的狀態，實時性差，故障檢測的精度和效率取決于檢測設備(紅外熱像儀)的等級，不易實現在線故障分析和報警等等。
對比上述兩種監測方法，利用無線傳感器網絡對光伏陣列進行監測具有無可比擬的優越性。無線傳感器網絡向三維空間傳送數據，中間無需導體介質，節省人力和維 護費。網絡自組織性和容錯性高，易于重新布網。監測數據無人為干擾，所獲數據資料原始準確，有利于科學研究及系統后續改進與優化。
該方案基于ZigBee技術的光伏陣列監測系統，采用四信ZigBee設備組網。
1 項目架構實施方案
1. 1 系統組成
整個系統架構劃分為三層：采集終端層、數據傳輸層和應用管理層。采集終端層起執行者的作用，包含監測節點和中心節點。監測節點將采集到的數據以多跳的形式 傳輸給中心節點。中心節點負責將ZigBee監測區域子網內的數據傳遞給數據傳輸層。數據傳輸層起代理人的作用，負責整合采集層上傳的數據并發送至應用管 理層。應用管理層主要是監控中心，起決策者的作用，負責數據的分析判斷和系統的管理維護，實現遠程實時監控查詢和預警。
1.1.1采集終端層設備
整個系統的正常運行需要實時監控多個參數的運行狀況，采集終端層設備就是用于實現各個監控節點的參數采集，例如，光伏組件電壓、電流采樣模塊負責采樣光伏 組件的電壓電流數值，判斷光伏組件是否發生故障，溫度、濕度、光照等傳感器負責采樣環境數據，為系統優化和光伏組件調整提供數據支持，采集終端層設備采集 到的數據通過串口發送給四信ZigBee傳輸設備，或者也可以通過四信ZigBee設備直接采集系統的模擬量數據。
1.1.2 ZigBee數據傳輸設備
ZigBee數據傳輸層用的是四信F8914和F8114設備，在整個系統中用于實現數據傳輸通道的建立，當ZigBee設備從采集終端層接收到數據或者 通過ZigBee采集到數據后，通過自組建的無線網絡傳輸發送到應用管理層，同時，應用管理層也可以通過ZigBee網絡對各個監控節點發出控制指令，從 而實現數據的雙向通信以達到遙測、遙控的目的。
該方案中我們所采用的ZigBee數據傳輸設備有兩種，一種是只有ZigBee的F8914，還有一種是帶ZigBee+GPRS的F8114，兩者的區 別在于F8914完全用ZigBee無線網來傳輸，而F8114可先通過ZigBee無線將數據傳輸到中心節點，中心節點使用F8114，然后F8114 再通過GPRS無線網絡發送到遠端應用管理層的監控中心。
1.1.3 應用管理層
應用管理層主要為中心監控系統，中心監控系統主要由服務器機組和平臺軟件主組成，當中心監控系統接收到傳輸層發送來的數據后，會對數據進行各種分析，并根據分析結果進行各種控制操作，如發出告警信息、向終端監控設備發出控制指令等。
1.2 網絡架構
根據應用管理層的監控中心與現場光伏電池板陣列的距離，我們提出兩種網絡實施架構，當監控中心就布設在光伏電池板陣列附近時，數據傳輸層采用ZigBee無線直接進行短距離數據傳輸接入，整個ZigBee無線網絡只采用F8914進行組建。
如下圖所示：
當中心監控與光伏電池板陣列的距離較遠時，終端數據通過ZigBee設備F8914傳輸到帶GPRS的中心節點F8114上，然后中心節點F8114將ZigBee數據轉化為TCP/IP網絡數據，然后通過GPRS運營商網傳輸到應用管理層的監控中心。
組網如下圖：
當傳輸層中心節點F8114通過GPRS網絡將數據傳送到應用管理層的監控中心時，數據監控中心網絡有多種網絡接入方式：
1、 中心采用APN專線，所有終端都采用內網固定IP，客戶中心通過一 條APN專線接入移動公司GPRS網絡，在GGSN與移動公司互聯路由器之間建立 GRE隧道。為客戶分配專用的APN，其他的用戶不得申請該APN。只有該專網內的SIM卡才能進入該APN，防止其他非法用戶的進入。用戶可以內部建立 RADIUS服務器，以保證用戶內部安全。用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。 此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下的最 佳組網方式。
2、控制中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商聯系開通 動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的 費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。
3、控制中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。
1.3 其他組網方式
四信ZigBee設備不僅可以使用數據透明傳輸，同時支持IO采集，在該方案中，我們也可以使用ZigBee設備當作終端IO采集和數據傳輸。四信 ZigBee設備提供5路IO，3路模擬量輸入、2路數字量、脈沖輸入輸出。模擬量輸入為電壓量和電流量，電壓的輸入量程為0-5V，電流的輸入量程為 0-20mA，數字量輸入輸出的量程為0-3.3V，采集精度為12位。
四信ZigBee設備IO口采集數據時，需要將設備應用模式設置為AT或者API模式才可以，這種應用模式與數據傳輸的透傳模式區別在于，透傳模式，主要 用于數據的透傳，中心發送的數據以廣播的方式發送，不能指定終端，除非每次修改透傳地址；AT模式，用于數據采集端和接收端監控模式，IO采集上報數據以 AT指令形式上報，同時AT模式下中心節點可使用AT+TXA=網絡地址，數值來指定發送給哪個ZigBee終端；API模式，與AT模式功能是一樣 的，API模式是采用16進制數發送的，而且發送的值都有校驗碼，異或和檢驗。
使用ZigBee設備IO口采集數據時，將設備應用模式設置為AT模式下，當IO口采集到數據時，有兩種上報數據模式，當上報時間設置為非0數值時，則為 主動上報，IO口采集的數據根據設置的每幾秒上報一次；當上報時間設置為0時，則為被動上報，需要上位機軟件發送指令AT+NVn=<網絡地址& gt; 來查看采集到的數據，模擬量采集需要根據公式換算之后才得到真正的值，
換算公式如下：
電壓 =（采集值）*3.3*20.16/(2047*12.1) (V)
3.3：電壓
20.16：電阻值 //內部用了兩個電阻 12.1（電阻1）+8.06（電阻2）
2047：ADC量程 2的11次方
12.1：電阻1
電流 =（采集值）*3.3*1000/(2047*150) （mA）
3.3：電壓
1000: mA單位轉換
2047：ADC量程 2的11次方
150：電阻值
同時，使用ZigBee設備IO采集時，上位機軟件需要根據四信的協議開發，也就是要根據說明書上的AT指令格式開發才可以。
2 方案特點
ZigBee以其靈活、可靠、易于布置等特點在許多領域得到了廣泛的應用。將其應用于光伏陣列監測系統的優點在于：
1、無線化，減少光伏陣列監測系統的連線的復雜度。
2、成本低，ZigBee協議簡單且免收專利費。
3、智能化，各ZigBee節點自動搜索建立連接。
4、支持星型，樹型，網型網絡等多種網絡拓撲結構，最大網絡連接能力強，可支持65000個節點。
5、傳輸模塊采用工業級設計，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V)；工作環境溫度 -25~+65ºC；儲存溫度 -40~+85ºC；相對濕度 95%(無凝結)；多重軟硬件看門狗設計，適用于油井野外工作。
6、ZigBee終端空曠視距離良好環境無線通信距離2000米。
7、ZigBee通訊不需要任何費，為整個項目節省大量的費用支出。
8、設備配置操作簡單，易懂 ，集成化程度高，技術成熟，安裝方便。
隨著需求的增長和技術的進一步成熟，ZigBee在各種遠程監測應用中會有更為廣闊的應用前景。
3 方案總結
ZigBee無線數據采集傳輸系統采集穩定、可靠、方便、實用。安裝費用低廉，維護簡單，無優升級，不需要租用公網，也無須巨額運行費用。這是現代數據采集遠傳系統的最優解決方案。
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