基于ZigBee/TD-LTE网关的光伏电站智能监控系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于光伏电站现场光照数据采集的远距离传输系统，尤其涉及一种使用ZigBee和TD-LTE技术的远距离光照数据和输出功率采集传输系统。
【背景技术】
[0002]太阳能电池板的运行状态是光伏电站稳定运行的重要指标，而光照更是影响电池板运行效率的关键因素，功率是衡量电池板运行效率的评判标准。现有的中小型光伏电站监控系统普遍采用光照传感器结合WiFi (无线网)、蓝牙、以太网等方式组成局域网对光伏电站的光照数据进行监控，同时与GPRS技术相结合实现数据的远程传输的。但是对于监控数量多、范围广的光伏电站，WiF1、蓝牙、以太网等技术就显示出缺陷:如WiFi，其安全性低，稳定性差，不适合用来传输精确且重要的光照参数；如蓝牙，其最多传输距离达100m，对于大型的光伏电站显然覆盖不全面；而以太网需要通过包括同轴缆、双绞线和光纤在内的有线介质，对于大范围的光伏电站布线，需要消耗大量的人力和物力，显然增加了光伏电站的运行成本。利用GPRS远程传输数据是一种经济的数据传输方法，但传输的信息量小，对于需要不断地采集现场光照信息的较大光伏电站，利用GPRS会造成数据的丢失。
[0003]为了解决上述现有中小型光伏电站监控系统存在的问题，提出了使用ZigBee和GPRS的组合来进行组网的适用于远距离大型光伏电站的监控系统。ZigBee-GPRS组网包括ZigBee网络、ZigBee-GPRS网关、GPRS网络、Internet网络、手机和远程监控中心，通过ZigBee无线网络采集光伏电站现场光照数据，通过ZigBee-GPRS网关传送到GPRS网络，再通过GPRS网络转接到Internet网络，然后再传送到手机和远程监控中心。这种ZigBee-GPRS组网存在的问题是:首先，没有充分考虑ZigBee网络的有效组网，造成部分节点跳转次数过多，导致信息的丢失；其次，选用GPRS来进行数据的远程传输不仅会因为GPRS技术本身出现数据包丢失的现象，可靠性差，还会因为GPRS技术存在转接延时，导致实时性差，在光伏电池存在黑点需要紧急处理时，GPRS的延时会造成巨大的损失。
[0004]目前，TD-LTE(4G)技术凭借其频谱利用率高、网络架构简单、QoS (服务质量)机制等优点逐渐被使用。TD-LTE技术包括MMO (多输入/多输出)技术、正交频分复用(OFDM)技术、正交频分多址(OFDMA)技术以及载波聚合技术。MMO技术可以大幅提高系统容量和频谱利用率，从而获得高数据传输速率；0FDM技术可以尽量消除码间干扰，保证数据传输可靠；0FDMA技术保证了频谱资源用户的正交性，保证用户间的无干扰；载波聚合技术可以拓展系统带宽，有利于提高数据传输率。如果将TD-LTE技术应用于光伏电站的远程监测可以有效传输光伏电站光照，温度信息，实时性高，可靠性都到达最高水平。但是光伏电站占地面积广，监测点数量巨大，TD-LTE无法实现对电站现场的监测与数据传输。
【发明内容】
[0005]针对现有ZigBee-GPRS组网对远距离大型光伏电站的光照数据和输出功率采集传输存在的问题，本发明提出一种基于ZigBee/TD-LTE网关的光伏电站智能监控系统，结合TD-LTE技术，在ZigBee有效组网下实现利用ZigBee与TD-LTE网关进行协议转换从而实现ZigBee与4G网络的连接的光伏电站监控系统，实现大型光伏电站的光照、输出功率的远程智能监控。
[0006]为实现上述目的，本发明基于ZigBee/TD-LTE网关的光伏电站智能监控系统采用的技术方案是:包括ZigBee无线网络、ZigBee/TD-LTE网关、4G网络以及管理存储端和移动端；ZigBee无线网络连接ZigBee/TD-LTE网关，ZigBee/TD-LTE网关连接4G网络，4G网络分别连接管理存储端和移动端；ZigBee/TD-LTE网关由ZigBee模块、过渡层和TD-LTE模块构成，ZigBee模块与ZigBee无线网络通过无线通信传输光照与输出功率信息，ZigBee模块与过渡层通过串口连接，过渡层与TD-LTE模块通过串口连接；过渡层对由ZigBee模块处理后的数据进行拆分和重组，TD-LTE模块对过渡层传来的数据重新封装，通过无线信号传入4G网络，4G网络分别将光照和输出功率数据传送到管理存储端和移动端。
[0007]ZigBee无线网络由多个终端、多个路由和一个协调器构成，多个终端按照连续的正六边形布置并且均装在正六边形的六个顶点处对应的光伏电池板上，相邻六边形上的两个顶点处共用一条无线链路和一个终端；在最靠近ZigBee/TD-LTE网关的一个正六边形的中心处设协调器和控制器，协调器设在控制器上，在其余的每个正六边形的中心处设有一个路由，路由设在对应的光伏电池板上；一个终端连接其所在的正六边形中心处的一个路由，相邻正六边形上的两个顶点处共用的终端随机选择连接其所在的正六边形中心处的一个路由；每个路由都与周围相邻正六边形中心处的路由相连，协调器除连接其所在的正六边形顶点处的终端外还连接其周围相邻正六边形中心处的路由；终端采集光伏电站现场的光照和输出功率数据，路由传输由终端采集的光照和输出功率数据。
[0008]ZigBee模块由ZigBee物理层，ZigBee MAC层、ZigBee网络层和ZigBee应用层组成，ZigBee物理层根据光照和输出功率的数据传输方向对接受的数据进行去除或添加ZigBee物理层分组头，ZigBee MAC层根据光照和输出功率数据传输方向对接受的数据进行去除或添加ZIgBee MAC层分组头；ZigBee网络层根据光照和输出功率数据传输方向对接受的数据进行去除或添加ZIgBee网络层分组头；ZigBee应用层根据光照和输出功率数据传输方向对接受的数据进行去除或添加ZIgBee网络层分组头；ZigBee物理层与过渡层通过串口进行连接；TD-LTE模块由TD-LTE物理层、TD-LTE数据链路层和TD-LTE网络层组成，过渡层通过串口与TD-LTE物理层连接，TD-LTE物理层根据光照和输出功率数据输方向对接受的数据进行去除或添加TD-LTE物理层分组头；TD-LTE数据链路层根据光照和输出功率数据传输方向对接受的数据进行去除或添加TD-LTE数据链路层分组头；TD-LTE网络层根据光照和输出功率数据传输方向对接受的数据进行去除或添加TD-LTE网络层分组头O
[0009]本发明采用上述技术方案后具有的优点是:
1、本发明将TD-LTE技术与ZigBee网络结合，利用ZigBee网络节点数量多的优点监测数据，再结合TD-LTE技术传输数据高可靠性、高实时性的优点，较好地适应远距离大型光伏电站的远程监控要求。相对于GPRS技术，TD-LTE采用扁平网络架构，频谱利用率高，对功控要求低，易于规划。
[0010]2、本发明采用ZigBee与TD-LTE技术组建光伏电站远程光照数据、电池板输出功率数据传输系统，按照光照、输出功率数据传输要求实现光伏电站对光照、输出功率连续记录、存档以及对异常现象的及时处理功能。
[0011]3、本发明采用ZigBee/TD-LTE网关实现ZigBee网络与4G网络的对接，将由ZigBee网络采集的光照和输出功率数据通过4G网络传输到工业机及移动端，提高了实时性，降低了成本。
【附图说明】
[0012]图1是本发明基于ZigBee/TD-LTE网关的光伏电站智能监控系统的结构连接框图；
图2是图1中ZigBee/TD-LTE网关结构放大图。
[0013]图中:1.终端；2.路由；3.协调器；4.控制器；5.ZigBee/TD-LTE网关；6.ZigBee模块；8.TD-LTE模块；9.4G网络；11.光伏电池板；12.管理存储端；13.移动端；31.ZigBee无线网络；50.过渡层；51.ZigBee物理层；52.ZigBee MAC层；53.ZigBee网络层；54.ZigBee应用层；55.TD-LTE物理层；56.TD-LTE数据链路层；57.TD-LTE网络层。
【具体实施方式】
[0014]参见图1，光伏电站的光伏电池板11布置在连续的正六边形的六个顶点处，且相邻六边形上的两个顶点处共用一条无线链路和光伏电池板11。
[0015]本发明包括ZigBee无线网络31、ZigBee/TD_LTE网关5、4G网络9以及管理存储端12和移动端13。其中，ZigBee无线网络31连接ZigBee/TD-LTE网关5,ZigBee/TD-LTE网关5连接4G网络9，4G网络9分别连接管理存储端12和移动端13。ZigBee无线网络31由多个终端1、多个路由2和一个协调器3构成，多个终端I按照连续的正六边形布置并且均安装在正六边形的六个顶点处对应的光伏电池板11上，相邻六边形上的两个顶点处共用一条无线链路和一个终端I。
[0016]在最靠近ZigBee/TD-LTE网关5的一个正六边形的中心处安装协调器