一种墙体直流微网电源系统的监控系统 |
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| 申请号 | CN201510942617.X | 申请日 | 2015-12-16 | 公开(公告)号 | CN105553100A | 公开(公告)日 | 2016-05-04 |
| 申请人 | 华侨大学; | 发明人 | 杨冠鲁; 叶友泉; 姜庆飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种墙体直流微网电源系统的 监控系统 ，包括与主控计算机相连的协调器、若干个终端设备，协调器与终端设备间通过ZigBee进行通信；终端设备作为墙体 光伏发电 系统的各个墙上 光伏发电系统 的 传感器 节点 ，进行墙上光伏发电系统的 数据采集 ；协调器接收终端设备发送的数据，主控计算机对数据进行处理、分析显示、存储和共享。本发明将XBee应用于直流微网电源系统的监控系统，通过 硬件 及 软件 方面的设计，完成了一个基于XBee的监控系统的设计。本发明采用带协调器轮询的周期性唤醒工作方式，终端设备只需要很少的耗能，适合 电池 长期供电。根据实施需求，采用LabVIEW与Arduino配合使用，将复杂的 单片机 设计和软件设计变得简单化，缩短了开发周期。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种墙体直流微网电源系统的监控系统，其特征在于，包括与主控计算机相连的协调器、若干个终端设备，协调器与终端设备间通过ZigBee进行通信；终端设备作为墙体光伏发电系统的各个墙上光伏发电系统的传感器节点，进行墙上光伏发电系统的数据采集；协调器接收终端设备发送的数据，主控计算机对数据进行处理、分析显示、存储和共享。 |
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| 说明书全文 | 一种墙体直流微网电源系统的监控系统技术领域背景技术[0003] 目前国内外关于光伏直流微网的论文几乎是以屋顶光伏系统为研究对象，并无提及基于墙体光伏发电系统的直流微网。墙体直流微网系统是由东、南、西三面墙上光伏发电系统构成的。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于墙体光伏发电系统的直流微网的墙体直流微网电源系统的监控系统。 [0005] 本发明的技术方案如下： [0006] 一种墙体直流微网电源系统的监控系统，包括与主控计算机相连的协调器、若干个终端设备，协调器与终端设备间通过ZigBee进行通信；终端设备作为墙体光伏发电系统的各个墙上光伏发电系统的传感器节点，进行墙上光伏发电系统的数据采集；协调器接收终端设备发送的数据，主控计算机对数据进行处理、分析显示、存储和共享。 [0007] 作为优选，协调器扫描未使用的信道，通过所述的信道与终端设备进行通信。 [0008] 作为优选，协调器扫描未使用的局域网ID，并作为协调器所在局域网的ID。 [0009] 作为优选，终端设备包括终端XBee模块、终端控制器、测控设备；测控设备进行数据采集后，通过终端控制器收集，经终端XBee模块进行发送；终端XBee模块接收协调器发送的控制命令，经终端控制器控制测控设备进行数据采集。 [0011] 作为优选，协调器包括协调器XBee模块、协调器控制器，协调器XBee模块接收数据后，经协调器控制器，由主控计算机对数据进行处理、分析显示、存储和共享；主控计算机生成控制命令，经协调器控制器，由协调器XBee模块进行发送。 [0012] 作为优选，通过对同样的XBee模块进行不同工作模式配置，得到不同工作模式的终端设备的终端XBee模块与协调器的协调器XBee模块。 [0013] 作为优选，终端设备不进行数据采集与发送时，处于休眠模式，并进行周期性唤醒；当终端设备唤醒后，向协调器发送查询请求，如果协调器无命令或数据需要发送至终端设备，则反馈无数据应答；如果协调器有命令或数据需要发送至终端设备，协调器用一数据包做出响应，然后进行命令或数据的发送；终端设备接收到命令或数据后，反馈接收应答，协调器确认命令或数据已送达。 [0014] 作为优选，当终端设备接收到协调器发送的控制命令后，反馈采集的数据，协调器接收到所有终端设备反馈的数据后，逐一对各个终端设备反馈的数据进行错误检测，如果检测到错误，则输出错误信息；如果错误检测通过，则从反馈的数据中提取终端设备发送的原始数据。 [0015] 作为优选，主控计算机通过图形界面发送控制命令，显示数据。 [0016] 本发明的有益效果如下： [0017] 本发明在已建立的墙体直流微网电源系统基础上设计了一种墙体直流微网电源系统的监控系统，将XBee应用于直流微网电源系统的监控系统，通过硬件及软件方面的设计，完成了一个基于XBee的监控系统的设计。本发明采用带协调器轮询的周期性唤醒工作方式，终端设备只需要很少的耗能，适合电池长期供电。根据实施需求，采用LabVIEW与Arduino配合使用，将复杂的单片机设计和软件设计变得简单化，缩短了开发周期。附图说明 [0018] 图1是本发明的构架示意图； [0019] 图2是终端设备的原理框图； [0020] 图3是终端设备周期性唤醒并进行通信的示意图； [0021] 图4是控制终端设备发送数据的流程图； [0022] 图5是错误检测的流程图； [0023] 图6是LabVIEW的界面示意图。 具体实施方式[0024] 以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。 [0025] 本发明提供一种墙体直流微网电源系统的监控系统，如图1所示，包括与主控计算机相连的协调器、若干个终端设备，协调器与终端设备间通过ZigBee进行通信；终端设备作为墙体光伏发电系统的各个墙上光伏发电系统的传感器节点，进行墙上光伏发电系统的数据采集；协调器接收终端设备发送的数据，主控计算机对数据进行处理、分析显示、存储和共享。 [0026] 终端设备包括终端XBee模块、终端控制器、测控设备(包括电压传感器、电流传感器、温湿度传感器或继电器中的至少一种)；测控设备进行数据采集后，通过终端控制器收集，经终端XBee模块进行发送；终端XBee模块接收协调器发送的控制命令，经终端控制器控制测控设备进行数据采集。 [0027] 本实施例中，ArduinoMEGA2560开发板作为终端控制器，如图2所示，终端控制器负责收集测控设备的各种数据，通过终端XBee模块发送到协调器；根据设定控制或者上位机的控制命令控制现场的测控设备。终端设备采用电池供电，为了使生长电池的效力，只有需要进行数据采集和控制时，设备才处于工作状态，终端设备不进行数据采集与发送时，处于休眠模式，并进行周期性唤醒；以便节能。如图3所示，当终端设备处于带协调器轮询的周期性唤醒工作方式下时，当一个终端设备被周期性唤醒时，自动向协调器发送一个短查询消息的查询请求，如果协调器无命令或数据给终端设备，那么协调器回复一个无数据应答；当协调器有命令或数据给唤醒的终端设备时，协调器用一数据包做出响应，随后命令或数据以标准API数据包形式发送，终端设备接收到命令后，回复一条应答消息给协调器，标志着控制命令准确的到达。 [0028] 协调器包括协调器XBee模块、协调器控制器，协调器XBee模块接收数据后，经协调器控制器，由主控计算机对数据进行处理、分析显示、存储和共享；主控计算机生成控制命令，经协调器控制器，由协调器XBee模块进行发送。 [0029] 本实施例中，采用ArduinoMEGA2560作为协调器控制器，UART1接口控制终端XBee模块，UART0接口与主控计算机串口相连，上传接收到的传感器节点数据，进一步对数据进行处理、分析显示、存储和共享；分别在东、南、西墙上的终端设备直接负责数据的采集。 [0030] 终端XBee模块与协调器XBee模块的参数与性能相同，可以采用相同的XBee模块。XBee模块的设计满足IEEE802.15.4，是按照ZigBee协议来运行的，支持对低成本和低功耗有独特需求的无线传感器网络工程。只需要最小的功耗，就能够提供远程设备之间数据传输的可靠性。XBee模块的基本性能参数如下：发送功率1mW，接收灵敏度-92dBm，室内传输距离30m，室外传输距离100m；在3.3V电源下，发送电流45mA，接收电流50mA；在网络性能方面，具有DSSS(直接序列扩频)功能，12个软件可选的直接序列频道，每个信道具有65000个可用网络地址。本发明使用的XBee模块型号为XB24-AWI-001。 [0031] 本发明通过创建一个包含多个终端设备和一个协调器的网络，能避免模块与模块通信的干扰问题。本发明中，通过对同样的XBee模块进行不同工作模式配置，得到不同工作模式的终端设备的终端XBee模块与协调器的协调器XBee模块。一个被配置作为协调器的XBee模块能通过扫描来发现未使用的信道，通过所述的信道与终端设备进行通信。如果不具备自动扫描未使用的信道的功能，则就必须分配相同的无线信道给每个XBee模块，并需要排除附近没有网络使用这个信道。这种“手动保持交错”的方法更多用在实验室内。但现在许多设备工作在相同的频率范围内，让协调器寻求一个开放的信道，可以提供更好的服务。同样，协调器能够发现一个未用的个人局域网ID，并作为协调器所在局域网的ID，用此ID区分一个网络与附近的其他网络。 [0032] 本实施例中，采样迪进公司配套的X-CTU软件对协调器XBee模块和终端XBee模块进行如下配置。 [0033] 1)协调器XBee模块：发现未使用的无线信道，并让任何终端设备与之配对。 [0034] 1.1)在“网络与安全(Networking&Security)”标签下找到“MY-16-BitSourceAddress”，将其设置为任意4个十六进制值。 [0035] 1.2)“SC-ScanChannels(扫描信道)”设置为0x1FFE。 [0036] 1.3)“CE-CoordinatorEnable(协调器使能)”标签中选择1-COORDINATOR，使协调器具备发现未用无线信道并允许任意终端设备进行配对的功能。 [0037] 1.4)“A2-CoordinatorAssociation(协调器关联设置)”设置为6-110B，这个配置将建立如下连接场景：发现一个未使用的无线信道，并让所有终端设备与协调器配对。 [0038] 1.5)“NI-NodeIdentifier(节点标识)”，点击“设置(Set)”按钮输入模块的名称，这里输入为RCVR。 [0039] 1.6)“串行接口(SerialInterfacing)”，单击“AP-APIEnable(API使能)”标签，然后选择1-APIENABLED。 [0040] 1.7)最后，点击“写入(Write)”按钮保存设置，将协调器XBee模块命名为RCVR。 [0041] 2)终端XBee模块：与信道上关联的协调器配对，并尝试无限期地与协调器的功能配对。 [0042] 2.1)在“网络与安全(Networking&Security)”标签下找到“MY-16-BitSourceAddress”，将其设置为4个十六进制值(后面给出详细值)。 [0043] 2.2)确保“CE-CoordinatorEnable(协调器使能)”的值为0，“SC-ScanChannels(扫描信道)”的值为0x1FFE。 [0044] 2.3)对于“A1-EndDeviceAssociate(终端设备的关联设置)”，设置为6-0110B。这个配置将建立如下连接场景：与任意信道中的协调器配对，并不停地尝试与协调器发送配对请求。 [0045] 2.4)“NI-NodeIdentifier(节点标识)”，点击“设置(Set)”按钮输入模块的名称(后面给出详细名称)。 [0046] 2.5)“串行接口(SerialInterfacing)”，单击“AP-APIEnable(API使能)”标签，然后选择1-APIENABLED。 [0047] 2.6)每个终端设备模块的NI(名称)及其MY(16位源地址)、SH(目标地址高位)和SL(目标地址地位)信息如表1所示。 [0048] 表1：终端设备模块信息 [0049] [0050] [0051] 2.7)“I/O设置(I/OSetting)”，配置I/O功能，如表2所示： [0052] 表2：I/O功能配置信息 [0053]D0-DIO0Configuration(配置) 2-ADC 数模转换器 D1-DIO1Configuration(配置) 2-ADC 数模转换器 D2-DIO2Configuration(配置) 2-ADC 数模转换器 [0054] 2.8)最后点击“写入(Write)”按钮保存设置。 [0055] 给协调器和终端设备接上电源，进入X-CTU窗口，输入“+++”，并等待来自连接到主控计算机上的协调器回复“OK”，输入“ATND[Enter]”，ATND用于执行节点发现操作，查看所有关联的终端设备模块信息。 [0056] 至此，ZigBee网络建立完成。 [0057] 当终端设备接收到协调器发送的控制命令后，反馈采集的数据，协调器接收到所有终端设备反馈的数据后，逐一对各个终端设备反馈的数据进行错误检测，如果检测到错误，则输出错误信息；如果错误检测通过，则从反馈的数据中提取终端设备发送的原始数据。 [0058] 本实施例中，协调器控制器通过软件设计，设置Arduino MEGA2560向网络中的终端设备下发控制命令，以获取终端设备的模拟和数字输入数据，如图4所示，首先发送一个IS API命令包给dataND数组入口处被识别中的第一个终端设备。发送完数据包之后，MCU等待响应，并把它存储到另一个名为dataIS的数组中。一旦接收到所有已识别终端设备的回复，将以十六进制格式输出终端设备的数据并检测错误。如图5所示，如果检测到错误，输出错误信息，并跳到下一个终端设备的数据。如果终端设备的数据通过错误检测，检查每个终端设备的数据，并提取每个终端设备上D0到D2的数字输入和两路模拟输入信息。 [0059] 主控计算机通过图形界面发送控制命令，显示数据。本实施例中，采用LabVIEW作为上位机软件，负责数据采集和显示数据，如图6所示。LabVIEW与ArduinoMEGA2560的连接方式为串口控制方式，即使用USB to Serial电缆连接。通过串口给Arduino MEGA2560发送指令，一段时间后，Arduino MEGA2560将采集到的数据通过串口上传至LabVIEW，在LabVIEW前面板中显示出来。 |
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