摘要：針對遠程運行的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，提出基于視頻監(jiān)控、射頻通信、GPRS傳輸、數(shù)據(jù)庫應用及圖形化LabVIEW編程的物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，重點介紹了系統(tǒng)各模塊的硬件設計、軟件設計，數(shù)據(jù)的傳輸流程以及服務器數(shù)據(jù)庫的配置、客戶端軟件的實現(xiàn)。該系統(tǒng)實際應用于風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，可實時同步測量顯示風光互補發(fā)電過程的各種數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)庫信息可以為日后的科學研究提供依據(jù)，為風光發(fā)電技術的改進與提高奠定了基礎。
關鍵詞：風光互補；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言
    隨著常規(guī)能源的逐步消耗，可再生能源日益引起人們的關注，風能與太陽能從眾多可再生能源中脫穎而出。風光發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出因周圍環(huán)境的變化而表現(xiàn)出較大的差異，對風光發(fā)電系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，可以獲得原始測量數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的改進與優(yōu)化提供有用數(shù)據(jù)，同時對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)本身的電氣性能進行監(jiān)測和分析是保證系統(tǒng)正常高效運行的前提，而且風光發(fā)電系統(tǒng)的運行一般是在偏遠地區(qū)或無人值守的情況下進行，對地面上很分散的風光系統(tǒng)進行監(jiān)測維護是十分困難繁瑣的，需要大量的時間和人力物力，因此在風光發(fā)電系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。
    物聯(lián)網(wǎng)，以其現(xiàn)有定義，即通過射頻識別裝置、攝像裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。從其定義中可看出，物聯(lián)網(wǎng)技術的本質在于“物物相連”，可以看作是利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)通過無線傳感等技術，使用戶的范圍拓展到物的領域，即達到人與物的相連，物與物的相連和物與人的相連。本文主要介紹基于視頻監(jiān)控、射頻通信、GPRS傳輸、數(shù)據(jù)庫應用及圖形化LabVIEW編程等技術實現(xiàn)的風光直補物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 工程背景
1．1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)總體布局
    風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由如下幾項構成：光伏組件(16塊)、風力發(fā)電機組(3臺)、蓄電池組(4臺)、控制器(3臺)和逆變器(1臺)，如圖1所示。其中光伏組件，風力發(fā)電機組分別將太陽能和風能轉化為電能，通過控制器對蓄電池充電；蓄電池組是由多個蓄電池經(jīng)串聯(lián)組成的儲存電能的裝置；控制器主要是對蓄電池的充放電進行管理，同時對系統(tǒng)輸入輸出功率起到調節(jié)和分配的作用；逆變器的作用是將風機和光伏組件發(fā)出的直流電轉換為交流電，對負載進行供電。
    圖1右側所示為獨立的視頻監(jiān)控設備及網(wǎng)絡，用以對現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控。

1．2 風光互補發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構
    風光互補發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

    在該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，首先將每組太陽能電池板與每臺風機的輸出電壓及電流經(jīng)信號調理后送到數(shù)據(jù)采集板，并按照通信協(xié)議打包，以無線傳輸方式發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器采集到所有數(shù)據(jù)和負載信息統(tǒng)一送至GPRS模塊，GPRS模塊通過中國移動的網(wǎng)絡將信息發(fā)送到服務器，服務器將獲取的信息處理后存儲至數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心或用戶通過客戶端軟件即可從服務器上調用數(shù)據(jù)實時顯示當前風光系統(tǒng)運行情況。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候，I／O控制板將自動切斷負載，并在現(xiàn)場和監(jiān)控中心顯示故障信息，同時用戶可在遠端監(jiān)控中心通過按鈕控制現(xiàn)場的負載的通斷操作。

2 風光互補物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)模塊設計
2．1 數(shù)據(jù)采集板軟硬件設計
2．1．1 數(shù)據(jù)采集板硬件設計
    數(shù)據(jù)采集板主要包括ATmega8單片機，霍爾電流、電壓傳感器。電源穩(wěn)壓模塊、串口通信模塊和無線收發(fā)模塊。其中ATmega8處理器的主要任務是對傳感器的輸入信號進行處理，并控制無線收發(fā)模塊的正常工作。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    數(shù)據(jù)采集板串口通信電路采用低功耗的MAX232芯片，完成了節(jié)點模塊與PC機的通信。
    數(shù)據(jù)采集模塊中ATmega8，無線模塊等器件的通用電源為+5 V，電壓霍爾傳感器的電源為±15 V，所以采用LM2576作為穩(wěn)壓模塊，將±15 V穩(wěn)定在+5 V。
    根據(jù)現(xiàn)場的風機和光伏組件的輸出電壓及輸出電流，選用的電流霍爾傳感器為ACS712，具有良好的線性度；霍爾電壓傳感器為HFV5 10／25A型。
    根據(jù)現(xiàn)場實際情況的要求，無線射頻模塊選用SRWF1028，如圖4所示。它具有低功耗，抗干擾能力強，傳輸距離遠，穿透能力強的特點。

2．1．2 數(shù)據(jù)采集板軟件設計
    (1)通信協(xié)議的設定
    在整個系統(tǒng)之中，具有無線射頻模塊的是數(shù)據(jù)采集板、數(shù)據(jù)集中器板和I／O控制板，在通信過程中，為保證通信的正確，需要對數(shù)據(jù)幀進行通信協(xié)議的設定，在數(shù)據(jù)幀結構中，數(shù)據(jù)統(tǒng)一設計成相同的組成部分，分別是起始位，地址位，數(shù)據(jù)位、校驗位與結束位。
    (2)數(shù)據(jù)采集板程序的流程圖
    控制系統(tǒng)要求做到數(shù)據(jù)實時的采集，并將采集到的現(xiàn)場信息按照通信協(xié)議進行打包，當接到集中器的上傳命令并確認正確后，立即將現(xiàn)場采集到的打包后數(shù)據(jù)信息發(fā)到集中器中。采集板的控制程序流程圖如圖5所示。

2．2 I／O控制板的設計
2．2．1 I／O控制板的硬件設計
    現(xiàn)場開關信號通過光耦送至I／O控制板，當風機或光伏組件的電壓或者電流過高的時候，可能會損害系統(tǒng)或者負載，I／O控制板將通過控制繼電器來保護接入的負載。同時，I／O控制板可以將當前繼電器的狀態(tài)發(fā)送到控制中心并可以接收遠方控制中心的指令，開關繼電器，達到遠端控制現(xiàn)場的目的。
    I／O控制板其單片機、串口通信模塊、電源穩(wěn)壓模塊、射頻模塊及時鐘電路與數(shù)據(jù)采集板的設計相同，不再贅述。I／O控制板與數(shù)據(jù)采集板不同之處為繼電器電路和光耦隔離輸入電路。繼電器電路選用的是歐姆龍公司的產品OMRON_G5Q-12VDC。輸入電路采用光耦隔離，選用最為常用的光耦隔離芯片TIL113。
2．2．2 I／O控制板的軟件設計
    根據(jù)I／O控制板的設計目的，I／O控制板要實時監(jiān)控輸入信號，當發(fā)生異常時，要主動切斷與繼電器相連的負載，以保證整個系統(tǒng)的安全。同時，還可以接收監(jiān)測遠端控制中心通過無線射頻模塊發(fā)送的控制信息，控制現(xiàn)場繼電器的通斷和將自己現(xiàn)在的狀況回饋給監(jiān)控中心。按照設計要求，控制板的程序流程圖如圖6所示。

2．3 數(shù)據(jù)集中器板的設計與GPRS板
2．3．1 數(shù)據(jù)集中器板的設計目的
    數(shù)據(jù)集中器要能夠依次接收數(shù)據(jù)采集板采集得到的信息，并將所有的信息按照通信協(xié)議打包并通過串口將信息發(fā)送到GPRS模塊，通過GPRS將信息發(fā)送到服務器。同時，集中器要能夠接收遠端控制中心的命令，并作出相應的動作，向控制器發(fā)送命令以控制現(xiàn)場情況。
2．3．2 數(shù)據(jù)集中器板的硬件設計
    數(shù)據(jù)集中器板的電源穩(wěn)壓電路、時鐘電路、射頻模塊及串口通信模塊與數(shù)據(jù)采集板電路相同，不再贅述。
    由于需要處理的信息更多，所以數(shù)據(jù)集中器板選用ATmega162作為核心芯片。ATmega162是高性能、低功耗，RISC架構的8位AVR微處理器。
2．3．3 GPRS模塊
    GPRS模塊將數(shù)據(jù)集中器板集中打包的數(shù)據(jù)，通過中國移動網(wǎng)絡發(fā)送到服務器中，服務器軟件將信息提取存儲至數(shù)據(jù)庫中。GPRS板選用EP220P模塊。
    數(shù)據(jù)集中器板與GPRS板通過RS 232串口連接，由于EP220P模塊采用全透明的數(shù)據(jù)傳輸，只需要按照數(shù)據(jù)手冊設置好GPRS模塊的串口波特率，串口數(shù)據(jù)位，串口校驗位，短信中心號碼，ID號，本地端口號，服務器IP地址，服務器端口號和通信協(xié)議TCP Client模式。
2．3．4 數(shù)據(jù)集中器的軟件設計
    數(shù)據(jù)集中器板采取輪循的方式，依次讀取數(shù)據(jù)采集板所采集的信息，當信息采集完畢之后，將所有信息打包，把信息送到GPRS模塊之中，并隨時檢驗遠端收到的命令，校驗正確之后，按照命令將命令發(fā)送到相應的下位機板中。其系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

3 服務器配置與客戶端軟件
3．1 服務器配置
    數(shù)據(jù)送至服務器后，通過“GPRS服務器”程序管理設備連接、客戶連接、日志管理，并將數(shù)據(jù)提取，存儲更新至數(shù)據(jù)庫GPRSServer各表格中。
3．2 客戶端軟件
    客戶端軟件由兩部分構成，第一部分為建立數(shù)據(jù)源，由于LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，選用Microsoft公司的Access軟件來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，建立一個名為GPRSDB．mdb的數(shù)據(jù)庫文件，利用編寫的“數(shù)據(jù)庫后臺連接”軟件，實時更新Access數(shù)據(jù)表格GPRSDB；第二部分為“新能源物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)”，由LabVIEW編譯，具有良好的界面效果，首先利用DBOperati ton子VI連接數(shù)據(jù)庫，后可利用SQL Execute子VI執(zhí)行SQL查詢語句，從GPRSDB表格中查詢數(shù)值，如圖8所示。實時更新風機電壓、光伏電池電壓及電流、各數(shù)據(jù)采集板及集中器板連接狀態(tài)，并根據(jù)風機電壓、光伏電池電壓及電流折算顯示出風速及光強的大小，且在客戶端軟件中加載控件，調用視頻監(jiān)控界面，監(jiān)測實際的運行狀態(tài)，界面如圖9所示。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖10所示，采用全IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為前端部分、遠程傳輸部分和中心控制部分。前端部分由攝像頭、云臺和視頻處理設備3部分組成；遠程傳輸系統(tǒng)由室外無線網(wǎng)橋、路由器、ADSL組成，通過局域網(wǎng)、Internet網(wǎng)絡完成視頻數(shù)據(jù)傳輸；中心控制部分負責系統(tǒng)的管理和控制工作，對信息進行存儲、管理和分析。

    該系統(tǒng)優(yōu)勢是攝像機內置Web服務器，并直接提供以太網(wǎng)端口。攝像機生成JPEG或MPEG4數(shù)據(jù)文件，可供任何經(jīng)授權客戶機從網(wǎng)絡中任何位置訪問、監(jiān)視、記錄。
    網(wǎng)絡攝像機通過經(jīng)濟高效有線或無線以太網(wǎng)簡單連接到網(wǎng)絡，能夠利用現(xiàn)有局域網(wǎng)基礎設施。使用5類網(wǎng)絡線纜或無線網(wǎng)絡方式傳輸攝像機輸出圖像以及水平、垂直、變倍(PTZ)控制命令。
    同時任何經(jīng)授權客戶機都可直接訪問任意攝像機，也可通過中央服務器訪問監(jiān)控圖像。

5 結語
    本文針對遠程運行的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，提出基于視頻監(jiān)控、射頻通信、GPRS傳輸、數(shù)據(jù)庫應用及圖形化LabVIEW編程的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該風光互補發(fā)電系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)已成功應用于無錫洛社新能源試驗項目中，從運行的情況來看，基本實現(xiàn)了風光互補發(fā)電的效用，并提供電能應用于路燈照明，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定，遠程數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控正常。但存在的問題是遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控有滯后，主要影響因素為GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣燃盁o線信號在傳輸過程中受遮蔽等。鑒于通信成本的下降，可考慮用3G數(shù)據(jù)傳輸替代GPRS數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，無線射頻模塊采用傳輸更穩(wěn)定，穿透能力更強的模塊，增強整個系統(tǒng)的可靠性。實際證明，該系統(tǒng)具有良好的技術價值和市場價值，可更好的推廣于生產生活中，為人們帶來便利。