基于ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及用于光伏電站現(xiàn)場光照數(shù)據(jù)采集的遠距離傳輸系統(tǒng)，尤其涉及一種使用ZigBee和TD-LTE技術的遠距離光照數(shù)據(jù)和輸出功率采集傳輸系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]太陽能電池板的運行狀態(tài)是光伏電站穩(wěn)定運行的重要指標，而光照更是影響電池板運行效率的關鍵因素，功率是衡量電池板運行效率的評判標準?，F(xiàn)有的中小型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用光照傳感器結合WiFi (無線網(wǎng))、藍牙、以太網(wǎng)等方式組成局域網(wǎng)對光伏電站的光照數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，同時與GPRS技術相結合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)摹５菍τ诒O(jiān)控數(shù)量多、范圍廣的光伏電站，WiF1、藍牙、以太網(wǎng)等技術就顯示出缺陷:如WiFi，其安全性低，穩(wěn)定性差，不適合用來傳輸精確且重要的光照參數(shù)；如藍牙，其最多傳輸距離達100m，對于大型的光伏電站顯然覆蓋不全面；而以太網(wǎng)需要通過包括同軸纜、雙絞線和光纖在內(nèi)的有線介質(zhì)，對于大范圍的光伏電站布線，需要消耗大量的人力和物力，顯然增加了光伏電站的運行成本。利用GPRS遠程傳輸數(shù)據(jù)是一種經(jīng)濟的數(shù)據(jù)傳輸方法，但傳輸?shù)男畔⒘啃?，對于需要不斷地采集現(xiàn)場光照信息的較大光伏電站，利用GPRS會造成數(shù)據(jù)的丟失。
[0003]為了解決上述現(xiàn)有中小型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，提出了使用ZigBee和GPRS的組合來進行組網(wǎng)的適用于遠距離大型光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee-GPRS組網(wǎng)包括ZigBee網(wǎng)絡、ZigBee-GPRS網(wǎng)關、GPRS網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)絡、手機和遠程監(jiān)控中心，通過ZigBee無線網(wǎng)絡采集光伏電站現(xiàn)場光照數(shù)據(jù)，通過ZigBee-GPRS網(wǎng)關傳送到GPRS網(wǎng)絡，再通過GPRS網(wǎng)絡轉(zhuǎn)接到Internet網(wǎng)絡，然后再傳送到手機和遠程監(jiān)控中心。這種ZigBee-GPRS組網(wǎng)存在的問題是:首先，沒有充分考慮ZigBee網(wǎng)絡的有效組網(wǎng)，造成部分節(jié)點跳轉(zhuǎn)次數(shù)過多，導致信息的丟失；其次，選用GPRS來進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸不僅會因為GPRS技術本身出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，可靠性差，還會因為GPRS技術存在轉(zhuǎn)接延時，導致實時性差，在光伏電池存在黑點需要緊急處理時，GPRS的延時會造成巨大的損失。
[0004]目前，TD-LTE(4G)技術憑借其頻譜利用率高、網(wǎng)絡架構簡單、QoS (服務質(zhì)量)機制等優(yōu)點逐漸被使用。TD-LTE技術包括MMO (多輸入/多輸出)技術、正交頻分復用(OFDM)技術、正交頻分多址(OFDMA)技術以及載波聚合技術。MMO技術可以大幅提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率，從而獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率；0FDM技術可以盡量消除碼間干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠；0FDMA技術保證了頻譜資源用戶的正交性，保證用戶間的無干擾；載波聚合技術可以拓展系統(tǒng)帶寬，有利于提高數(shù)據(jù)傳輸率。如果將TD-LTE技術應用于光伏電站的遠程監(jiān)測可以有效傳輸光伏電站光照，溫度信息，實時性高，可靠性都到達最高水平。但是光伏電站占地面積廣，監(jiān)測點數(shù)量巨大，TD-LTE無法實現(xiàn)對電站現(xiàn)場的監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有ZigBee-GPRS組網(wǎng)對遠距離大型光伏電站的光照數(shù)據(jù)和輸出功率采集傳輸存在的問題，本實用新型提出一種基于ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)，結合TD-LTE技術，在ZigBee有效組網(wǎng)下利用ZigBee與TD-LTE網(wǎng)關進行協(xié)議轉(zhuǎn)換從而實現(xiàn)ZigBee與4G網(wǎng)絡的連接，實現(xiàn)大型光伏電站的光照、輸出功率的遠程智能監(jiān)控。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型基于ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術方案是:包括ZigBee無線網(wǎng)絡、ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關、4G網(wǎng)絡以及管理存儲端和移動端；ZigBee無線網(wǎng)絡連接ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關，ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關連接4G網(wǎng)絡，4G網(wǎng)絡分別連接管理存儲端和移動端；ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關由ZigBee模塊、過渡層和TD-LTE模塊構成，ZigBee模塊與ZigBee無線網(wǎng)絡通過無線通信傳輸光照與輸出功率信息，ZigBee模塊與過渡層通過串口連接，過渡層與TD-LTE模塊通過串口連接；過渡層對由ZigBee模塊處理后的數(shù)據(jù)進行拆分和重組，TD-LTE模塊對過渡層傳來的數(shù)據(jù)重新封裝，通過無線信號傳入4G網(wǎng)絡，4G網(wǎng)絡分別將光照和輸出功率數(shù)據(jù)傳送到管理存儲端和移動端。
[0007]ZigBee無線網(wǎng)絡由多個終端、多個路由和一個協(xié)調(diào)器構成，多個終端按照連續(xù)的正六邊形布置并且均裝在正六邊形的六個頂點處對應的光伏電池板上，相鄰六邊形上的兩個頂點處共用一條無線鏈路和一個終端；在最靠近ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關的一個正六邊形的中心處設協(xié)調(diào)器和控制器，協(xié)調(diào)器設在控制器上，在其余的每個正六邊形的中心處設有一個路由，路由設在對應的光伏電池板上；一個終端連接其所在的正六邊形中心處的一個路由，相鄰正六邊形上的兩個頂點處共用的終端隨機選擇連接其所在的正六邊形中心處的一個路由；每個路由都與周圍相鄰正六邊形中心處的路由相連，協(xié)調(diào)器除連接其所在的正六邊形頂點處的終端外還連接其周圍相鄰正六邊形中心處的路由。
[0008]ZigBee模塊由ZigBee物理層，ZigBee MAC層、ZigBee網(wǎng)絡層和ZigBee應用層組成，ZigBee物理層與過渡層通過串口進行連接JD-LTE模塊由TD-LTE物理層、TD-LTE數(shù)據(jù)鏈路層和TD-LTE網(wǎng)絡層組成，過渡層通過串口與TD-LTE物理層連接。
[0009]本實用新型采用上述技術方案后具有的優(yōu)點是:
[0010]1、本實用新型將TD-LTE技術與ZigBee網(wǎng)絡結合，利用ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量多的優(yōu)點監(jiān)測數(shù)據(jù)，再結合TD-LTE技術傳輸數(shù)據(jù)高可靠性、高實時性的優(yōu)點，較好地適應遠距離大型光伏電站的遠程監(jiān)控要求。相對于GPRS技術，TD-LTE采用扁平網(wǎng)絡架構，頻譜利用率高，對功控要求低，易于規(guī)劃。
[0011]2、本實用新型采用ZigBee與TD-LTE技術組建光伏電站遠程光照數(shù)據(jù)、電池板輸出功率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，按照光照、輸出功率數(shù)據(jù)傳輸要求實現(xiàn)光伏電站對光照、輸出功率連續(xù)記錄、存檔以及對異?，F(xiàn)象的及時處理功能。
[0012]3、本實用新型采用ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與4G網(wǎng)絡的對接，將由ZigBee網(wǎng)絡采集的光照和輸出功率數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡傳輸?shù)焦I(yè)機及移動端，提高了實時性，降低了成本。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型基于ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的結構連接框圖；
[0014]圖2是圖1中ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關結構放大圖。
[0015]圖中:1.終端；2.路由；3.協(xié)調(diào)器；4.控制器；5.ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關；6.ZigBee模塊；8.TD-LTE模塊；9.4G網(wǎng)絡；11.光伏電池板；12.管理存儲端；13.移動端；31.ZigBee無線網(wǎng)絡；50.過渡層；51.ZigBee物理層；52.ZigBee MAC層；53.ZigBee網(wǎng)絡層；54.ZigBee應用層；55.TD-LTE物理層；56.TD-LTE數(shù)據(jù)鏈路層；57.TD-LTE網(wǎng)絡層。
【具體實施方式】
[0016]參見圖1，光伏電站的光伏電池板11布置在連續(xù)的正六邊形的六個頂點處，且相鄰六邊形上的兩個頂點處共用一條無線鏈路和光伏電池板11。
[0017]本實用新型包括ZigBee無線網(wǎng)絡31、ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5、4G網(wǎng)絡9以及管理存儲端12和移動端13。其中，ZigBee無線網(wǎng)絡31連接ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5，ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5連接4G網(wǎng)絡9，4G網(wǎng)絡9分別連接管理存儲端12和移動端13。ZigBee無線網(wǎng)絡31由多個終端1、多個路由2和一個協(xié)調(diào)器3構成，多個終端I按照連續(xù)的正六邊形布置并且均安裝在正六邊形的六個頂點處對應的光伏電池板11上，相鄰六邊形上的兩個頂點處共用一條無線鏈路和一個終端I。
[0018]在最靠近ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5的一個正六邊形的中心處安裝協(xié)調(diào)器3和控制器4，協(xié)調(diào)器3安裝在控制器4上。在其余的每個正六邊形的中心處均安裝一個光伏電池板11和一個路由2，路由2安裝在對應的光伏電池板11上。一個終端I連接其所在的正六邊形中心處的一個路由2，相鄰正六邊形上的兩個頂點處共用的終端I可以隨機選擇連接其所在的正六邊形中心處的一個路由2。一個路由2同時連接其所在的正六邊形頂點處的幾個終端I。每個路由2都與周圍相鄰正六邊形中心處的路由2全部相連。協(xié)調(diào)器3除了連接其所在的正六邊形頂點處的終端I外，還連接其周圍相鄰正六邊形中心處的路由2。
[0019]終端I負責采集光伏電站現(xiàn)場的光照和輸出功率數(shù)據(jù)，路由2與周圍的路由2全部相連，負責傳輸由終端I采集的光照和輸出功率數(shù)據(jù)，這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在ZigBee無線網(wǎng)絡31中的有效傳輸。
[0020]協(xié)調(diào)器3負責組建ZigBee無線網(wǎng)絡31以及與外界進行光照和輸出功率數(shù)據(jù)交流。當協(xié)調(diào)器3接受來自ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5的指令時，先判斷指令中包含的是光照指令還是輸出功率指令，然后將信息傳送給控制器4，控制器4接受指令，對光伏電站現(xiàn)場的光伏電池板11的輸入?yún)?shù)進行調(diào)整，從而實現(xiàn)光伏電池板11的最大功率點追蹤即輸出功率保持最大。
[0021]ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5是ZigBee無線網(wǎng)絡31與4G網(wǎng)絡9之間的信息交換的轉(zhuǎn)換器。ZigBee/TD-LTE網(wǎng)關5由ZigBee模塊6、過渡層50和TD-LTE模塊8構成。ZigBee模塊6負責與ZigBee無線網(wǎng)絡31實現(xiàn)無線通信，傳輸光照與輸出功率信息。ZigBee模塊6與過渡層50通過串口連接，過渡層50與TD-LTE模塊8通過串口連接。過渡層50負責對由ZigBee模塊6處理后的數(shù)據(jù)進行拆分和重組，通過串口送到TD-LTE模塊8。TD-LTE模塊8負責將由過渡層50傳來的包含光照和輸出功率的數(shù)據(jù)進行重新封裝后，通過無線信號傳入4G網(wǎng)絡9。然后4G網(wǎng)絡9分別將光照和輸出功率數(shù)據(jù)傳送到管理存儲端12和移動端13。管理存儲端12負責由4G網(wǎng)絡9傳來的光照和輸出功率數(shù)據(jù)進行處理，查看和存儲。移動端13負責根據(jù)需要對由4G網(wǎng)絡9傳送的光照和輸出功率數(shù)據(jù)進行查看和對緊急情況進行處理。
[0022]參見圖2，ZigBee 模塊 6 由 ZigBee 物理層 51，ZigBee MAC 層 52、ZigBee 網(wǎng)絡層53和ZigBee應用層54組成。TD-LTE模塊8由TD-LTE物理層55、TD-LTE數(shù)據(jù)鏈路層56和TD-LTE網(wǎng)絡層57組成。ZigBee物理層51負責根據(jù)光照和輸出功率的數(shù)據(jù)傳輸方向?qū)邮艿臄?shù)據(jù)進行去除或添加ZigBee物理層分組頭；ZigBee MAC (媒體介入控制)層52負責根據(jù)光照和輸出功率數(shù)據(jù)傳輸方向?qū)邮艿臄?shù)據(jù)進行去除或添加ZIgBee MAC層分組頭；ZigBee網(wǎng)絡層53負責根據(jù)光照和輸出功率數(shù)據(jù)傳輸方向?qū)邮艿臄?shù)據(jù)進行去除或添加ZIgBee網(wǎng)絡層分組頭；ZigBee應用層54負責根據(jù)光照和輸出功率數(shù)據(jù)傳輸方向?qū)邮艿臄?shù)據(jù)進行去除或添加ZIgBee網(wǎng)絡層分組頭。然后ZigBee物理層51與過渡層50通過串口進行連接，過渡層50通過串口與TD-LTE物理層55進行連接。TD-LTE物理層55負責根據(jù)光照和輸出功率數(shù)據(jù)輸方向?qū)邮艿臄?shù)據(jù)進行去除或添加TD-