基于ZigBee技術的太陽能風力機監(jiān)測解決方案

一、目的:
近年來，包括歐洲各國以及日本，都已經(jīng)陸續(xù)推出許多太陽能建筑，透過太陽能板等裝置，在海邊興建風力發(fā)電機，將免費取得的太陽能及風能轉換為電力，而用剩的電，還能轉賣給電力公司，因此，如何監(jiān)測用戶端的再生能源發(fā)電量，及紀錄儲存這些資料，并透過網(wǎng)際網(wǎng)路將資料傳至電力公司，便成為相當重要的關鍵， 以了解實際的發(fā)電量及效益評估，甚至作為維護依據(jù)的參考，以下為各位做深入的介紹。
二、系統(tǒng)介紹:
因應全球暖化，除了限制溫室氣體排放量，全世界必須轉向不同的能源模式，這可以藉由全世界的能源系統(tǒng)都「去碳化」來做到。 「去碳化」意謂著大輻改用太陽光電、太陽熱能、風力發(fā)電、燃料電池、水力發(fā)電、 生質能利用等再生能源， 而這些能源當中目前以太陽光電及風力發(fā)電最為常見(太陽光電發(fā)電 (Photovolt aic，以下簡稱PV)。 大部份的太陽光電發(fā)電系統(tǒng)（PV system）及風力發(fā)電系統(tǒng)主要是由太陽電池組列、風力發(fā)電機、電力調節(jié)器（Power Conditioner， 即包括直/交流轉換器 （Inverter）、系統(tǒng)控制器及并聯(lián)保護裝置等）、配線箱、 蓄電池等所構成，系統(tǒng)中通常需要量測當?shù)氐沫h(huán)境參數(shù)(如:溫度、照度、風速、風向… 等)及太陽能或風能所發(fā)的電量(包含:電壓、電流、功率及發(fā)電量)， 這些資訊通常是由一資料擷取裝置將資料收集后， 透過RS485工業(yè)通訊協(xié)定將資料傳回中控電腦或是人機介面，而中控電腦通常會包含資料紀錄及可透過乙太網(wǎng)絡以網(wǎng)絡方式讓遠端電腦監(jiān)看。
隨著環(huán)保意識及電價的高漲，太陽能及風力發(fā)電的日漸需求，開始有一些中小型的再生能源系統(tǒng)走入一般家庭大眾及企業(yè)，結合市電并聯(lián)發(fā)電。然而，這樣的系統(tǒng)通常是在建筑物本體完成后才附加上去， 在布線上通常會有美觀及施工上的困難，因此， 若能透過ZigBee無線的方式將發(fā)電量及環(huán)境參數(shù)的資訊傳送至小型顯示器，顯示，則會帶來相當大的便利。 對大型的發(fā)電系統(tǒng)來說，透過ZigBee無線方式可同時監(jiān)測多個小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 再將資料匯整到中控電腦，中控電腦再將資料以乙太網(wǎng)路的方式傳送至遠方， 以利統(tǒng)計及觀察不同地區(qū)不同系統(tǒng)的發(fā)電情形，使用該無線技術有以下優(yōu)點:
1. 美觀、不需另外布訊號線
2. 降低施工成本及維護成本
3. 距離不受限制
4. 大型分散式系統(tǒng)多點應用
5. 可輕易將無線模組嵌入到Invertor或產(chǎn)品中(如: 太陽能路燈)
應用領域：本系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、成本低、易于彈性擴展等特點， 具有很強的競爭力。 主要應用于小型家用太陽能系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、大型發(fā)電站示范基地等。

三、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡介紹：
在工廠、建筑物、農(nóng)場溫室中需要量測多個訊號點，擷取速度不需很快，但訊號點分布相當分散且布線相當復雜，距離大約都在數(shù)十公尺左右， 目前市面上很難找到合適的硬體裝置，深圳旭昂電子科技有限公司日前推出ZigBee無線傳感器模組主要以 ZigBee無線方式的資料擷取器，以下是產(chǎn)品使用方式及相關資訊介紹提供給各位參考。
1.ZigBee 簡介：
IEEE802.15.4/ZigBee是目前一種相當先進的短距離傳輸技術標準，從家用無線通訊規(guī)格HomeRF聯(lián)盟中所分出來，ZigBee聯(lián)盟成立于2002年， 在不同區(qū)域有不同的定義的頻段(全球2.4GHz、美國915MHz、 歐洲868MH)，2.4GHz ~ 2.4835GHz 最為全球通用之頻段。 ZigBee聯(lián)盟成立于2002年， 目前全球已有不少廠商加入成為ZigBee 聯(lián)盟會員，其成員包括IC設計、家電、通訊設備及玩具等廠商。 就像ZigBee的標志(Logo)所呈現(xiàn)， ZigBee聯(lián)盟以監(jiān)測與控制為主要應用，而定義出簡單、成本低，又容易實現(xiàn)的無線通訊標準。
2.ZigBee主要特性:
(1)高資料傳輸可靠度
(2)低功耗
(3)低成本
(4)支持多樣性的網(wǎng)絡架構
(5)低功率長距離
(6)可加密提高資料安全性

3.ZigBee與其他通訊協(xié)定比較:
Zigbee 是一種短距離的通訊技術， 理想中的傳輸距離是 300公尺，實際距離約150~200公尺， 資料傳輸速率從20Kbps 到250Kbps，而且會隨著距離的增長而不同， 有人說它和藍芽有重疊,不過從下面的表看起來還是有點差別, 因為藍芽的傳輸速率是1Mbps,適合比較復雜的應用， 而ZigBee的應用定位主要是在一般的資料擷取，例如環(huán)境監(jiān)測、家電自動化控制、個人醫(yī)療、工業(yè)廠房監(jiān)控、商務 大樓自動化、保全監(jiān)控...等。
4. ZigBee 標準現(xiàn)況
ZigBee標準主要是 IEEE 802.15.4與ZigBee Alliance 這二個組織，分別制定硬體與軟體標準。在實體層(PHY)、媒體儲存控制層(MAC)、 資料鏈結層(Data Link)等發(fā)展由IEEE 主導， 而ZigBee Alliance 負責制定邏輯網(wǎng)路、資料傳輸加密機制、 應用介面規(guī)范及各系統(tǒng)產(chǎn)品之間互通規(guī)范。

5. ZigBee 基本規(guī)格標準現(xiàn)況

ZigBee主要可使用的頻段有三個， 分別是 2.4GHz 的ISM 頻段、915MHz 頻段以及868MHz 頻段， 而不同頻段可使用的通道分別是16、10、1個。 ZigBee 的傳輸速率介于20kbps - 250kbps 之間， 依使用頻段不同而有所差異，并隨著傳輸距離的延長而減慢，不過借著提高發(fā)射功率， 還是可以提高傳輸速率。
6. ZigBee 網(wǎng)路架構
ZigBee網(wǎng)路層方面，ZigBee支援 Star、 Cluster Tree與Mesh三種網(wǎng)絡架構，在各個節(jié)點之角色方面，可分為全功能（Full-Function Device； FFD）與精簡功能設（Reduced-Function Device；RFD）。相較于 FFD，RFD之電路較為簡單且記憶體較小。 FFD 之節(jié)點具備控制器（Controller）之功能提供資料交換， 而RFD則是只能傳送資料給予 FFD或是從 FFD接受資料。 所課Full Mesh架構，整個網(wǎng)路設計上采取一個Master節(jié)點， 其他的Client 均是使用RN+的網(wǎng)路節(jié)點， Mesh 網(wǎng)路提供多條備份的通信路徑， 如果一條路徑因某種原因產(chǎn)生故障(包括干擾)，網(wǎng)路自動通過備用路徑傳送訊息。 這種 Mesh 拓撲增加了整個網(wǎng)路的可靠度，同時由于Mesh配置相當容易， 因為要增加新的裝置或重新配置現(xiàn)有的設備是非常簡單。

四、以ZigBee做為太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸
基于前面對于太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)介紹，及 ZigBee的介紹， 透過 ZigBee 產(chǎn)品開發(fā)無線再生能源監(jiān)控系統(tǒng)可輕易的在一般家庭及企業(yè)中安裝，在大型發(fā)電站可以一臺現(xiàn)場控制電腦同時監(jiān)控多個量測及控制單元(如:太陽能、風力機、燃 料電池…等)，再將這些系統(tǒng)資訊以乙太網(wǎng)路的方式傳送至遠端中控中心， 充份運用ZigBee可多點量測的優(yōu)勢，在距離上因為采用Mesh 架構， 資料可透過其它傳輸點傳回現(xiàn)場電腦，因此較不受距離上的限制，且具有下列幾個特點:

1.采用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)路結構， 保證資料傳輸可靠性
2.每個量測及控制單元設置一個ZigBee終端節(jié)點
3.一個溫室設置一個ZigBee中心節(jié)點(安置在現(xiàn)場電腦或嵌入式系統(tǒng))
4.ZigBee中心節(jié)點可透過TCP/ IP或GPRS/CDMA傳送到遠端監(jiān)測中心。