基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的太陽能板遠程監(jiān)控系統(tǒng)

李方梅（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的太陽能板遠程監(jiān)控系統(tǒng)

李方梅（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS實現(xiàn)了對多個太陽能板的數(shù)據(jù)采集于監(jiān)測功能，系統(tǒng)通過ZigBee子節(jié)點采集太陽能板的數(shù)據(jù)并由ZigBee協(xié)調(diào)器統(tǒng)一打包傳送到PC機，PC機上的監(jiān)控軟件可以實時的顯示接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷是否異常，并能通過RS-232串口操作GPRS模塊實現(xiàn)告警信息的短消息傳送。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有良好的人機交互界面，易于對其功能進行擴展，初步的實現(xiàn)了太陽能板的連續(xù)監(jiān)測，在節(jié)能減排、控制環(huán)境污染方面取得了初步成效。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) GPRS 太陽能 監(jiān)控

1 概述

隨著煤炭、石油等不可再生資源的巨大消耗，能源問題已經(jīng)成為國際社會經(jīng)濟、政治發(fā)展的主要瓶頸問題，另外，為了減緩全球變暖的速度，降低碳的排放量，越來越多的國家注重新能源的開發(fā)和利用。太陽能作為無污染的清潔新能源的一種，在解決能源危機方面有著不可忽視的作用和優(yōu)勢，特別是我國的光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和國家新能源戰(zhàn)略的實施，為太陽能發(fā)電在我國提供了廣闊的發(fā)展前景。太陽能發(fā)電在國內(nèi)外的油田中也同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。新疆油田、塔里木油田、江蘇油田等都已經(jīng)進行了太陽能發(fā)電在油田的推廣應(yīng)用工作，并且在節(jié)能減排、控制環(huán)境污染方面取得了初步的成效[1]。應(yīng)用領(lǐng)域包括油區(qū)偏遠的天然氣井口儀器儀表、抽油機、井口保溫、視頻監(jiān)測、空氣調(diào)溫、照明等油田生產(chǎn)生活等各個方面。由于這些油區(qū)較為偏遠，很多應(yīng)用太陽能發(fā)電設(shè)備都是無人值守的，因此對太陽能板發(fā)電情況進行遠程監(jiān)控是很有必要的[2,3]。

為實現(xiàn)上述目的，文中設(shè)計了一個采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)對小范圍內(nèi)集中的太陽能板的發(fā)電情況作程的連續(xù)測試，測試結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠傳到集中控制中心的主機，也可以短信息的形式傳輸?shù)街付ǖ囊苿与娫??？梢苑从诚到y(tǒng)優(yōu)劣的技術(shù)經(jīng)濟評價參數(shù),探討其實現(xiàn)的方法和途徑,以便為太陽能發(fā)電系統(tǒng)在油田的大面積推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

太陽能板遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用的框架如圖1所示。為了實現(xiàn)對太陽能板的遠程監(jiān)控，需要使用太陽能板ZigBee節(jié)點模塊、光照度ZigBee節(jié)點模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和PC機構(gòu)成。由ZigBee節(jié)點模塊采集太陽能板和光照度的監(jiān)控信息，再將其傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)通過USB與PC機通訊，傳輸監(jiān)控信息，PC機監(jiān)控軟件實時連續(xù)的顯示監(jiān)控信息，并在有異常發(fā)生的時候通過GPRS模塊向指定的手機發(fā)送警報短信。如此就實現(xiàn)了對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控[4,5]。

圖1 太陽能板遠程監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 遠程采集與監(jiān)控原理

1）使用光照度傳感器來測量遠程的光照度數(shù)據(jù)，以此了解現(xiàn)場光照度數(shù)值的變化情況。采用光電晶體管傳感器KPS-3227SP1C來測量光照度數(shù)值，此器件對于可見光光譜有相當好的靈敏度，集電極光電流與照度的線性度幾乎完全成正比關(guān)系。入射光能量與晶體管產(chǎn)生的集電極電流Ic成正比，而Ic的變化會影響到集電極負載Rc的電壓，因此集電極電壓Vce也會改變，所以只要測量Rc兩端的電壓或者Vce，就可以大致知道目前照射的光照度量為何值。

2）直接測量太陽能電池輸出電壓和電流來監(jiān)控太陽能電池的工作情況，并通過計算得出與光照度值之間的關(guān)系，當兩者不一致的時候自動產(chǎn)生報警信息在監(jiān)控軟件上提示，同時發(fā)送報警短信到指定的移動電話設(shè)備。

3）光照度和太陽能電池板的數(shù)據(jù)采集主要依靠兩種ZigBee節(jié)點來實現(xiàn)。ZigBee節(jié)點同時具有與ZigBee協(xié)調(diào)器通信的功能，可以將采集到的數(shù)據(jù)以預(yù)設(shè)的方式傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器通過USB接口傳送到PC機，PC機運行監(jiān)控軟件，可以顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲圖信息，ZigBee各個節(jié)點的工作情況，以及實時采集上來的監(jiān)控數(shù)據(jù)。同時還有一系列的系統(tǒng)設(shè)置管理功能。

4）為實現(xiàn)在無人值守的情況下對監(jiān)控信息的報警提示，系統(tǒng)引入了GPRS模塊，與PC機的串口連接，并在監(jiān)控軟件上增加響應(yīng)的設(shè)置功能、報警信息產(chǎn)生和短消息發(fā)送功能。圖1所示的ZigBee協(xié)調(diào)器和PC主機之間也可以再增加一個GPRS模塊，這樣就可以實現(xiàn)PC機和監(jiān)控現(xiàn)場的分離。實現(xiàn)更加遠程的監(jiān)控。

3.2 軟件功能設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)框架的特點，系統(tǒng)監(jiān)控軟件主要有數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee管理模塊、GPRS管理模塊和監(jiān)控信息顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能軟件功能模塊圖見圖2。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。負責(zé)對ZigBee協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)進行接收和數(shù)據(jù)包分析，獲得各個節(jié)點的監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括太陽能板的電壓、電流以及即時的光照度信息。

2）網(wǎng)絡(luò)管理模塊。負責(zé)對ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲進行管理，實現(xiàn)拓撲圖和相關(guān)信息的顯示，包括各節(jié)點的位置、MAC地址、父節(jié)點子節(jié)點關(guān)系等。

3）GPRS管理模塊。通過AT命令實現(xiàn)對GPRS模塊的管理和操作。可以設(shè)置通訊端口號以及串口通訊配置，自動根據(jù)監(jiān)控信息生成報警短信，并能以短信息的形式發(fā)送到預(yù)設(shè)的移動電話上。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊圖

4）信息顯示模塊。實現(xiàn)各個節(jié)點的光照度和電壓電流數(shù)據(jù)的顯示，還可以查詢歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)。

5）故障檢測模塊。可以根據(jù)電壓電流數(shù)據(jù)計算出響應(yīng)的光照度值并與實測的值進行比較，如果二者出現(xiàn)較大的偏差則會生成報警信息。同時該模塊也會對歷史報警信息進行管理。

3.3 軟件工作流程

在此只詳細的說明從監(jiān)控信號采集到PC機以及進行處理和產(chǎn)生報警信息的工作流程。如圖3所示，首先各個ZigBee子節(jié)點采集太陽能板電壓電流和光照度數(shù)據(jù)，之后發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點對各個子節(jié)點發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)打包通過USB接口傳送到PC機，PC機監(jiān)控軟件解包并分析數(shù)據(jù)，判斷是否有異常，如果有異常，那么就會啟動故障檢測模塊顯示告警信息并存儲告警信息，同時啟動GPRS管理模塊向指定的移動電話發(fā)送短信息告警。否則調(diào)用信息顯示模塊，正常顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并將其存儲。無論是調(diào)用故障檢測模塊還是調(diào)用信息顯示模塊返回后都會開始新的數(shù)據(jù)采集過程[6]。

圖3 監(jiān)控軟件工作流程圖

4 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 GPRS短信息告警的實現(xiàn)

對GPRS串行模塊進行編程需要利用串行端口向其下達控制命令，因此程序中要建立起一個串行端口對象[7,8]。而傳送GPRS命令，后面需要加入具有數(shù)據(jù)結(jié)束符或歸位符，在ASCII碼表中其十進制為13，在VisualBasic程序中需將其轉(zhuǎn)換成ASCII碼，因此程序中開頭應(yīng)建立這個轉(zhuǎn)換聲明：

短信息發(fā)送程序需要經(jīng)過如下流程：

1）輸入”AT+CMGF=0”（設(shè)定為PDU模式）；

2）輸入”AT+CMGS=X”（X=總字符串長度）；

3）讀取輸入符號”>”；

4）送出PDU信息程序；

5）讀取返回信息”+CMGS”表示正確發(fā)送成功

圖4為系統(tǒng)的監(jiān)控軟件界面，共有6個面板按照軟件功能模塊分別實現(xiàn)不同的功能，圖中有6個ZigBee子節(jié)點，1個ZigBee協(xié)調(diào)器。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS實現(xiàn)了對多個太陽能板的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測功能。采用Visual Basic通過USB端口接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過RS-232串口操作GPRS模塊實現(xiàn)告警信息的短消息傳送，該系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，易于對其功能進行擴展，初步的實現(xiàn)了太陽能板的連續(xù)監(jiān)測，為太陽能發(fā)電應(yīng)用于油田地面工程的監(jiān)測技術(shù)提供了可借鑒的參考設(shè)計。

[1]范玉平.太陽能節(jié)能技術(shù)在油田的應(yīng)用[J],石油天然氣學(xué)報,2005,27(3):568-569.

[2]阮林華,張建江,吳永忠.太陽能照明在油田的應(yīng)用[J].節(jié)能與環(huán)保,2009(6):50.

[3]紀海玲.太陽能利用現(xiàn)狀及其在油田開發(fā)中的應(yīng)用前景[J].特種油氣藏,2002,9(5):97-98.

[4]張光南,佘乾順.便攜式溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].激光與紅外,2008,38(12):1229-1232.

[5]徐敬東,趙文耀,李淼,等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].計算機工程,2010,36(10):110-112.

[6]王榮存,唐翔,藺超文.基于多線程的太陽能熱力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù),2009,28(8):79-81.

[7]李江全,張麗,岑紅蕾.VisualBasic串口通信與測控[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[8]孫成,賈秋玲,閆建國,等.基于VC的無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件開發(fā)[J].計算機測量與控制,2010,18(3): 709-710.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.07.023

2012-05-28）

李方梅，1991年畢業(yè)于承德石油高等技術(shù)?？茖W(xué)校，工程師，主要從事暖通方面的設(shè)計工作，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所，163853。