徐澤宇 申宏圖

摘 要：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是一種清潔環(huán)保，安全可靠的發(fā)電方式，應(yīng)用于道路攝像機(jī)除了減少能耗外，還具有無需鋪設(shè)外場電纜，有效防止電纜被盜，減少公路運(yùn)營成本的特點(diǎn)。針對(duì)目前道路攝像機(jī)運(yùn)行維護(hù)效率較低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)光互補(bǔ)道路攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攝像機(jī)的智能化管理與維護(hù)，有效的完善了道路攝像機(jī)的運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：道路攝像機(jī) 風(fēng)光互補(bǔ) ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)

一、引言

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將太陽能光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電有機(jī)結(jié)合，可發(fā)揮各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，最大限度的利用大自然的能源。太陽能和風(fēng)能在時(shí)間和季節(jié)上有較好的互補(bǔ)性。白天太陽光最強(qiáng)的時(shí)候，可能風(fēng)很小，當(dāng)夜晚來臨時(shí)，光照微弱，但風(fēng)能較強(qiáng)；夏季，太陽光強(qiáng)烈而風(fēng)速較小，冬季太陽光較弱而風(fēng)大。太陽能與風(fēng)能在時(shí)間和季節(jié)上的互補(bǔ)性使太陽能和風(fēng)能成為資源的絕佳匹配，充分利用自然資源，實(shí)現(xiàn)了晝夜發(fā)電，是一種節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可靠的發(fā)電方式。

目前，高速公路的道路攝像機(jī)大多數(shù)由傳統(tǒng)的市電電源供電，雖然消耗功率不大，但由于運(yùn)行時(shí)間長，數(shù)量多，也會(huì)消耗不少電能，不利于傳統(tǒng)電源的節(jié)能。且由于電纜有較大被盜的風(fēng)險(xiǎn)，造成運(yùn)營維護(hù)費(fèi)大大增加，加之隨著道路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的逐漸龐大，造成其維護(hù)人員的不斷增多，因此引入先進(jìn)科學(xué)的運(yùn)行維護(hù)方法和設(shè)備顯得至關(guān)重要。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置為道路攝像機(jī)供電，不用敷設(shè)電纜、不用耗費(fèi)電網(wǎng)電能、環(huán)境污染度低、節(jié)能環(huán)保，有效防盜，同時(shí)降低了相應(yīng)的維護(hù)和運(yùn)行成本。

由于風(fēng)力發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電的不穩(wěn)定與隨機(jī)性，加之道路攝像機(jī)的特殊性，如何提高其運(yùn)行維護(hù)效率至關(guān)重要。一線的監(jiān)控點(diǎn)從幾百個(gè)到幾千個(gè)不等，若發(fā)生故障，只能由工作人員通過現(xiàn)場巡邏、視頻監(jiān)看才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致無法確保維護(hù)的及時(shí)性和有效性，往往一個(gè)故障點(diǎn)需要多日才能解決故障問題。本系統(tǒng)以風(fēng)電互補(bǔ)裝置為能量供應(yīng)裝置，結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)攝像機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢測與控制。設(shè)計(jì)了一款實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測，故障發(fā)現(xiàn)、故障受理，在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警的道路攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，有效的保障視頻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，大大提高其運(yùn)行維護(hù)效率。

二、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊、控制模塊、逆變模塊、ZigBee監(jiān)控模塊、負(fù)載即道路攝像機(jī)等組成。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊作為電源提供裝置，為整個(gè)系統(tǒng)供電；儲(chǔ)能模塊即蓄電池，將多余的電能儲(chǔ)存起來，以備風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電組直接供電不足時(shí)使用；控制模塊主要部件是控制器，具有防止蓄電池過充電、過放電等作用；逆變模塊即通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，供負(fù)載使用；ZigBee監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制風(fēng)光互補(bǔ)道路攝像機(jī)的工作狀態(tài)，若攝像機(jī)出現(xiàn)任何問題，監(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)以報(bào)警的方式提醒工作人員及時(shí)處理問題，并遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心調(diào)控?cái)z像機(jī)的工作狀態(tài)。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊

1.1風(fēng)力發(fā)電組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架、基礎(chǔ)等幾大部分組成。利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)輪獲得的空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，給負(fù)載供電或?qū)㈦娔軆?chǔ)存在蓄電池中。

1.2太陽能電池方陣。太陽能電池方陣?yán)锰柲馨宓墓夥?yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，給負(fù)載供電或?qū)㈦娔軆?chǔ)存在蓄電池中。目前，太陽能電池主要是晶體硅電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等幾種。本系統(tǒng)選用多晶硅電池，具有穩(wěn)定性好，成本低，使用廣泛的特點(diǎn)。

2.儲(chǔ)能模塊。儲(chǔ)能模塊大多由若干電壓和容量相同的蓄電池串并聯(lián)組成，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來，以供負(fù)載使用，在系統(tǒng)中同時(shí)起著能量調(diào)節(jié)與平衡負(fù)載兩大作用。蓄電池的性能直接影響風(fēng)光互補(bǔ)工作系統(tǒng)的發(fā)電效率與可靠性，同時(shí)蓄電池作為發(fā)電系統(tǒng)壽命較短的部件，其性能將直接影響系統(tǒng)成本。

3.控制模塊。控制器主要由繼電器、開關(guān)、儀表、電子元器件等組成?？刂破魍ㄟ^檢測蓄電池的電壓或荷電狀態(tài)，判斷蓄電池是否已經(jīng)達(dá)到過充點(diǎn)或過放點(diǎn)，并根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)出繼續(xù)充、放電或終止充、放電的指令，實(shí)現(xiàn)保護(hù)蓄電池的作用。

4.逆變模塊。逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，同時(shí)具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電系統(tǒng)可通用相同的控制器與逆變器，使系統(tǒng)造價(jià)較低，成本合理。

5.ZigBee監(jiān)控模塊。ZigBee是一種低功耗的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其物理層和MAC層是 IEEE 802.15.4。每個(gè) Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持多達(dá) 31 個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每個(gè)傳感器和受控設(shè)備可以有 8 種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字和模擬量。ZigBee技術(shù)有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用場合廣泛等特點(diǎn)。該模塊由遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心，網(wǎng)關(guān)，攝像機(jī)通信終端構(gòu)成。攝像機(jī)通信終端的實(shí)現(xiàn)依賴于每個(gè)攝像機(jī)上安裝的射頻通信模塊，本系統(tǒng)選擇CC2430射頻芯片，此芯片滿足ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)硬件的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

攝像機(jī)通信終端采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池組件、蓄電池、攝像機(jī)的電壓和電流，將采集到的參數(shù)處理后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)化成GPRS數(shù)據(jù)格式傳送到監(jiān)控管理中心。當(dāng)攝像機(jī)發(fā)生故障，如攝像機(jī)損壞，蓄電池欠壓或過壓、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或太陽能電池板損壞的時(shí)候，終端通信模塊立即將故障信息傳送到后臺(tái)監(jiān)控管理中心，并產(chǎn)生報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)對(duì)攝像機(jī)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)也接受監(jiān)控管理中心下達(dá)的各種控制命令，并將命令傳送到攝像機(jī)通信終端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)的調(diào)控。網(wǎng)關(guān)廣泛分布于城市的各個(gè)區(qū)域中，與附近的風(fēng)光互補(bǔ)道路攝像機(jī)構(gòu)成一個(gè)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控管理中心傳輸交換數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心與各風(fēng)光互補(bǔ)道路攝像機(jī)監(jiān)控子站互聯(lián)，集中顯示各攝像機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)控制每一個(gè)攝像機(jī)，設(shè)置各部分參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)攝像機(jī)的大規(guī)模遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

五、結(jié)語

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)光互補(bǔ)道路攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行維護(hù)效率高，同時(shí)有效防止電纜被盜，與現(xiàn)有道路攝像機(jī)系統(tǒng)相比優(yōu)勢顯著，經(jīng)濟(jì)可靠，有較大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易安裝，養(yǎng)護(hù)運(yùn)行要求低，同時(shí)符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展理念。

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作者簡介：徐澤宇（1995—）女。民族：漢。研究方向：能源與動(dòng)力工程。申宏圖（1994—）男。民族：漢。研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化。