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、數據庫應用及圖形化LabVIEW編程的物聯(lián)網遠程監(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，數據的傳輸流程以及服務器數據庫的配置、客戶端軟件的實現。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)電過程的各種數據，存儲的數據庫信息可以為日后的科學研究提供依據，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；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據，為系統(tǒng)的改進與優(yōu)化提供有用數據，同時對系統(tǒng)環(huán)境參數及其系統(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)網遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。
    物聯(lián)網，以其現有定義，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)網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。從其定義中可看出，物聯(lián)網技術的本質在于“物物相連”，可以看作是利用現有互聯(lián)網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、數據庫應用及圖形化LabVIEW編程等技術實現的風光直補物聯(lián)網遠程監(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)控設備及網絡，用以對現場進行視頻監(jiān)控。

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

    在該物聯(lián)網監(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信號調理后送到數據采集板，并按照通信協(xié)議打包，以無線傳輸方式發(fā)送至數據集中器，數據集中器采集到所有數據和負載信息統(tǒng)一送至GPRS模塊，GPRS模塊通過中國移動的網絡將信息發(fā)送到服務器，服務器將獲取的信息處理后存儲至數據庫中，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據實時顯示當前風光系統(tǒng)運行情況。當系統(tǒng)出現問題的時候，I／O控制板將自動切斷負載，并在現場和監(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場的負載的通斷操作。

2 風光互補物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)模塊設計
2．1 數據采集板軟硬件設計
2．1．1 數據采集板硬件設計
    數據采集板主要包括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。

    數據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。
    數據采集模塊中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。
    根據現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。
    根據現場實際情況的要求，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 數據采集板軟件設計
    (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據采集板、數據集中器板和I／O控制板，在通信過程中，為保證通信的正確，需要對數據幀進行通信協(xié)議的設定，在數據幀結構中，數據統(tǒng)一設計成相同的組成部分，分別是起始位，地址位，數據位、校驗位與結束位。
    (2)數據采集板程序的流程圖
    控制系統(tǒng)要求做到數據實時的采集，并將采集到的現場信息按照通信協(xié)議進行打包，當接到集中器的上傳命令并確認正確后，立即將現場采集到的打包后數據信息發(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據采集板的設計相同，不再贅述。I／O控制板與數據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，控制現場繼電器的通斷和將自己現在的狀況回饋給監(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 數據集中器板的設計與GPRS板
2．3．1 數據集中器板的設計目的
    數據集中器要能夠依次接收數據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)送命令以控制現場情況。
2．3．2 數據集中器板的硬件設計
    數據集中器板的電源穩(wěn)壓電路、時鐘電路、射頻模塊及串口通信模塊與數據采集板電路相同，不再贅述。
    由于需要處理的信息更多，所以數據集中器板選用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模塊將數據集中器板集中打包的數據，通過中國移動網絡發(fā)送到服務器中，服務器軟件將信息提取存儲至數據庫中。GPRS板選用EP220P模塊。
    數據集中器板與GPRS板通過RS 232串口連接，由于EP220P模塊采用全透明的數據傳輸，只需要按照數據手冊設置好GPRS模塊的串口波特率，串口數據位，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 數據集中器的軟件設計
    數據集中器板采取輪循的方式，依次讀取數據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
    數據送至服務器后，通過“GPRS服務器”程序管理設備連接、客戶連接、日志管理，并將數據提取，存儲更新至數據庫GPRSServer各表格中。
3．2 客戶端軟件
    客戶端軟件由兩部分構成，第一部分為建立數據源，由于LabVIEW數據庫工具只能操作而不能創(chuàng)建數據庫，所以必須借助第三方數據庫管理系統(tǒng)，選用Microsoft公司的Access軟件來創(chuàng)建數據庫，建立一個名為GPRSDB．mdb的數據庫文件，利用編寫的“數據庫后臺連接”軟件，實時更新Access數據表格GPRSDB；第二部分為“新能源物聯(lián)網監(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連接數據庫，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、各數據采集板及集中器板連接狀態(tài)，并根據風機電壓、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)由室外無線網橋、路由器、ADSL組成，通過局域網、Internet網絡完成視頻數據傳輸；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，并直接提供以太網端口。攝像機生成JPEG或MPEG4數據文件，可供任何經授權客戶機從網絡中任何位置訪問、監(jiān)視、記錄。
    網絡攝像機通過經濟高效有線或無線以太網簡單連接到網絡，能夠利用現有局域網基礎設施。使用5類網絡線纜或無線網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、數據庫應用及圖形化LabVIEW編程的物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)。該風光互補發(fā)電系統(tǒng)及物聯(lián)網監(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)網監(jiān)控系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定，遠程數據及視頻監(jiān)控正常。但存在的問題是遠程數據監(jiān)控有滯后，主要影響因素為GPRS數據傳輸的速度及無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數據傳輸替代GPRS數據傳輸，提高數據傳輸速率，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。