近年來，隨著煤炭、石油和天然氣等資源的枯竭以及環保要求的不斷提高，國際社會開始強烈關注能源危機和溫室氣體排放帶來的全球氣候變暖問題。風能和太陽能作為最為理想和最有潛力的清潔能源得到了越來越多的關注和研究，這兩種能源都是低密度能源，將兩者結合起來構成風光互補電站，按照合理的容量配置互補運行并安裝合適的蓄電池組進行能量存儲和負載的均衡，則能夠使二者的弱點得以均衡，得到電源輸出穩定、性價比高、應用靈活能源。但由于風能、太陽能存在能量密度低且隨機性強的特點，所以為了獲得更多的電能，風光互補發電站一般都架設在比較偏遠的開闊地帶，這就對電站的監控提出了新的要求，而GPRS無線通信技術的發展，為實現電站遠程監控提供了可能。

1 風光互補電站的工作原理

風光互補電站一般由多個子站組成，如圖1所示，每個子站主要由“機構設備”和“能量控制”兩部分組成。其中，風光互補發電機構設備由風力發電機、太陽能電池板和連接裝置等構成;風光互補發電能量控制部分由蓄電池組、DC/DC變換器、逆變器和控制器等組成。為了獲取更好的發電效果，需要根據光伏發電與風力發電系統實際運行狀態及負載和蓄電池電壓電流變化情況，實現對風光互補發電運行模式的調節，實時檢測系統各參數，當出現異常的情況時能及時發出報警信號。

2 監控系統系統工作原理

風光互補電站遠程監控系統如圖2所示，由ZigBee網絡、嵌入式網關、遠程PC訪問控制端和用戶手機客戶端組成，其中，ZigBee網絡由多個節點組成，包括電站所在地風速、風向、溫濕度等環境量測試節點，風力機發電電壓電流、太陽能電池板的電壓電流、蓄電池的電壓電流監測節點;以及風力機控制繼電器節點，這些節點與協調器構成Zig Bee網絡，實現數據的無線傳輸，同時與遠程計算機采用GPRS通訊方式。ZigBee網絡的協調器通過串口將數據上傳到嵌入式網關，嵌入式網關通過GPRS模塊和監控計算機以及用戶手機服務端通信。

3 風光互補監控系統硬件設計

3.1 ZigBee網絡節點

ZigBee網絡節點是監控系統的關鍵節點，網絡節點采用模塊化設計，主要由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊組成，其具體結構如圖3所示，電源模塊負責為節點供電，提供各部分運行所需的電量;傳感器模塊負責采集電站闡述信息并做一定的數據轉換;處理器模塊負責對整個節點進行控制和管理;無線通信模塊負責節點之間按一定的通信協議相互通信。

網絡節點的微處理器采用TI公司無線通信芯片CC2530，負責驅動傳感器以及數據的接收和發送。無線射頻模塊選用外接型鞭狀天線增強信號的強度。傳感器模塊對電站周圍環境的溫濕度、光照度、風速風向、電池板的電壓電流等狀態數據的采集，電源模塊將為系統提供系統所需電壓。協調器作為無線傳感網絡中最為特殊的節點，主要負責ZigBee網絡的建立維護、分配網內地址、控制終端節點加入等工作，硬件設計和網絡節點類似，也是選擇CC2530為控制芯片的無線射頻單元，通過Zigbee射頻模塊與其它節點構建成Zig bee網絡。

TI公司的CC2530芯片是一款完全兼容8051內核的單片機，支持IEEE802.15.4無線通信協議，最大擁有256 KB的可編程FLASH容量，12個10位精度的A/D轉換通道，21個雙向的I/O端口，該款單片機能滿足Z?Stack運行內存容量的要求。配合TI公司提供的Z—Stack協議棧軟件，能夠方便快捷地完成監控系統系統的開發。以CC2530芯片為核心構成的Zi gBee模塊，通過不同的軟件配置可以在ZigBee網絡中扮演不同的角色，成為協調器節點、終端節點。

3.2 嵌入式網關

嵌入式網關是監控系統另一關鍵節點，電站監控系統通過它可以與基于IP的骨干網絡進行通信，如圖4所示，既是網絡連接設備，也是無線傳感網絡中的匯聚點，能夠實現數據的轉發。一方面，通過串口通信的方式和協調器通信，獲取各節點采集到的電站參數并存儲到數據庫中，同時將控制命令發送到協調器，傳到各控制節點，實現對風機的控制。另一方面，嵌入式網關可以通過GPRS通訊模塊接入GPRS網絡，實現與遠程監控計算機通信。

網關核心處理器選擇三星公司的S3C2440A芯片，是一款基于ARM920T內核的高性能的16/32位RISC處理器，擁有獨立的16 kB指令緩存和16 kB數據緩存。S3C2440A處理器支持大/小端存儲模式，總共有8個BANK，每個BANK地址空間為128 MB，尋址空間達1 GB，并且支持NOR FLASH或NANDFLASH等引導方式，其性能穩定、功耗低、高速的數據處理能力使其非常適用于對功耗和成本比較敏感的應用場合。

GPRS模塊采用了SIMCOM公司的SIM900A，該模塊體積小巧，性能突出，內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠容易的使用TCP/IP協議，而且在數據傳輸方面應用廣泛，主串口和調試串口可以幫助用戶輕松地進行開發應用。GPRS模塊通過接口外接SIM卡卡座，接入GPRS網絡，實現點對點數據傳輸，與遠程監控PC通信，實現對電站的監控。

4 監控系統的軟件設計

監控系統軟件設計主要包括網絡節點程序設計、協調器程序設計、網關程序設計以及PC端監控軟件設計四部分。網絡節點負責采集風光互補電站的相關技術參數信息并將數據轉送給協調器，主要負責與協調器建立網絡、接收控制指令、發送數據參數，程序流程圖如圖5所示。協調器程序負責構建Zigbee網絡同時實現與網關的通信，接受嵌入式網關發來的指令并向相應的網絡節點通信，程序流程圖如圖6所示。

4.1 網關控制程序設計

由于μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統具有免費使用開放源代碼!內核代碼小等諸多優點，因此網關應用程序以μC/OS-Ⅱ操作系統為平臺進行相應軟件的開發。網關控制程序主要完成初始化系統及GPRS模塊，并依照通信協議接入GPRS網絡，與PC及通信握手，接收PC監控端或手機客戶端發來的信息，并分析信息內容。根據指令解析結果，將控制指令發送給ZigBee網絡協調器。

網關控制主程序流程圖如圖7所示，首先進行初始化，通過GPRS模塊接入GPRS網絡，然后啟動TCP連接，與PC機通信，接收來自PC監控端的指令并分析處理。網關分析處理指令的過程實際上就是處理字符串的過程，采用字符串函數對收到的指令進行比較，看看內容是不是符合某種格式，從而確定指令內容。在分析指令之后，對指令進行相關操作。

如是查看電站狀態參數指令，則調用子程序采集狀態參數信息，并通過AT指令發回給PC監控端，如是控制指令則將對應的指令代碼寫入到相應的文件中，等待網關的其他程序來讀取指令并將指令發送給ZigBee協調器，ZigBee協調器再把指令發給控制節點實現對電站的控制。

4.2 監控端程序設計

PC端監控軟件實現人機對話同時也實現與GPRS模塊建立通訊聯系，實現對電站運行監控。用戶界面部分采用MFC框架基于Dialog實現，監控程序在Visual BasiC6.0開發環境下編寫，采用Winsock控件接收遠程數據，無需了解TCP或底層winsock API函數，通過設置Winsock控件的屬性和調用該控件的方法，就可以連接到遠程計算機并進行雙向數據交換，并將數據存放在數據庫中。圖8為編號為FGDZ002風光互補電站的實時監控界面，監控軟件可以根據電站編碼查看各電站的實時數據，同時還可以發送遠程命令對電站進行控制，同時還可以查看歷史數據。

5 結論

根據風光互補電站的特點，提出了基于Zigbee和GPRS通信的風光互補電站遠程監控的方案，利用Zigbee構建現場監控網絡，采用TCP/IP協議實現基于GPRS網絡的無線數據的傳送，實現對電站的遠程監控，在實驗進行模擬實驗，從圖8監控數據可以看出，當前實驗狀態下，有日照，且風速達到風力發電機的啟動風速，風光互補電站發電，總發電功率略高于負載功率，在向負載供電的同時，還對蓄電池進行充電。由此可見，該監控系統能夠實時掌握電站運行狀態信息，而且還可以直觀顯示運行數據或曲線，并可及時采取相應的電站運行控制策略。實踐證明，該系統運行穩定，具有較強的推廣應用價值。