基于ZigBee技术的太阳能风力机监测解决方案

一、目的:
    近年来，包括欧洲各国以及日本，都已经陆续推出许多太阳能建筑，透过太阳能板等装置，在海边兴建风力发电机，将免费取得的太阳能及风能转换为电力，而用剩的电，还能转卖给电力公司，因此，如何监测用户端的再生能源发电量，及纪录储存这些资料，并透过网际网路将资料传至电力公司，便成为相当重要的关键， 以了解实际的发电量及效益评估，甚至作为维护依据的参考，以下为各位做深入的介绍。
二、系统介绍:
    因应全球暖化，除了限制温室气体排放量，全世界必须转向不同的能源模式，这可以藉由全世界的能源系统都「去碳化」来做到。 「去碳化」意谓着大辐改用太阳光电、太阳热能、风力发电、燃料电池、水力发电、 生质能利用等再生能源， 而这些能源当中目前以太阳光电及风力发电最为常见(太阳光电发电 (Photovolt aic，以下简称PV)。 大部份的太阳光电发电系统（PV system）及风力发电系统主要是由太阳电池组列、风力发电机、电力调节器（Power Conditioner， 即包括直/交流转换器 （Inverter）、系统控制器及并联保护装置等）、配线箱、 蓄电池等所构成，系统中通常需要量测当地的环境参数(如:温度、照度、风速、风向… 等)及太阳能或风能所发的电量(包含:电压、电流、功率及发电量)， 这些资讯通常是由一资料撷取装置将资料收集后， 透过RS485工业通讯协定将资料传回中控电脑或是人机介面，而中控电脑通常会包含资料纪录及可透过乙太网络以网络方式让远端电脑监看。
    随着环保意识及电价的高涨，太阳能及风力发电的日渐需求，开始有一些中小型的再生能源系统走入一般家庭大众及企业，结合市电并联发电。然而，这样的系统通常是在建筑物本体完成后才附加上去， 在布线上通常会有美观及施工上的困难，因此， 若能透过ZigBee无线的方式将发电量及环境参数的资讯传送至小型显示器，显示，则会带来相当大的便利。 对大型的发电系统来说，透过ZigBee无线方式可同时监测多个小系统的数据， 再将资料汇整到中控电脑，中控电脑再将资料以乙太网路的方式传送至远方， 以利统计及观察不同地区不同系统的发电情形，使用该无线技术有以下优点:
1. 美观、不需另外布讯号线
2. 降低施工成本及维护成本
3. 距离不受限制
4. 大型分散式系统多点应用
5. 可轻易将无线模组嵌入到Invertor或产品中(如: 太阳能路灯)
    应用领域：本系统具有稳定、可靠、成本低、易于弹性扩展等特点， 具有很强的竞争力。 主要应用于小型家用太阳能系统、风力发电系统、大型发电站示范基地等。

三、ZigBee无线传感器网络介绍：
    在工厂、建筑物、农场温室中需要量测多个讯号点，撷取速度不需很快，但讯号点分布相当分散且布线相当复杂，距离大约都在数十公尺左右， 目前市面上很难找到合适的硬体装置，深圳旭昂电子科技有限公司日前推出ZigBee无线传感器模组主要以 ZigBee无线方式的资料撷取器，以下是产品使用方式及相关资讯介绍提供给各位参考。
1.ZigBee 简介：
    IEEE802.15.4/ZigBee是目前一种相当先进的短距离传输技术标准，从家用无线通讯规格HomeRF联盟中所分出来，ZigBee联盟成立于2002年， 在不同区域有不同的定义的频段(全球2.4GHz、美国915MHz、 欧洲868MH)，2.4GHz ~ 2.4835GHz 最为全球通用之频段。 ZigBee联盟成立于2002年， 目前全球已有不少厂商加入成为ZigBee 联盟会员，其成员包括IC设计、家电、通讯设备及玩具等厂商。 就像ZigBee的标志(Logo)所呈现， ZigBee联盟以监测与控制为主要应用，而定义出简单、成本低，又容易实现的无线通讯标准。
2.ZigBee主要特性:
(1)高资料传输可靠度
(2)低功耗
(3)低成本
(4)支持多样性的网络架构
(5)低功率长距离
(6)可加密提高资料安全性

3.ZigBee与其他通讯协定比较:
    Zigbee 是一种短距离的通讯技术， 理想中的传输距离是 300公尺，实际距离约150~200公尺， 资料传输速率从20Kbps 到250Kbps，而且会随着距离的增长而不同， 有人说它和蓝芽有重叠,不过从下面的表看起来还是有点差别, 因为蓝芽的传输速率是1Mbps,适合比较复杂的应用， 而ZigBee的应用定位主要是在一般的资料撷取，例如环境监测、家电自动化控制、个人医疗、工业厂房监控、商务 大楼自动化、保全监控...等。
4. ZigBee 标准现况
    ZigBee标准主要是 IEEE 802.15.4与ZigBee Alliance 这二个组织，分别制定硬体与软体标准。在实体层(PHY)、媒体储存控制层(MAC)、 资料链结层(Data Link)等发展由IEEE 主导， 而ZigBee Alliance 负责制定逻辑网路、资料传输加密机制、 应用介面规范及各系统产品之间互通规范。

5. ZigBee 基本规格标准现况

    ZigBee主要可使用的频段有三个， 分别是 2.4GHz 的ISM 频段、915MHz 频段以及868MHz 频段， 而不同频段可使用的通道分别是16、10、1个。 ZigBee 的传输速率介于20kbps - 250kbps 之间， 依使用频段不同而有所差异，并随着传输距离的延长而减慢，不过借着提高发射功率， 还是可以提高传输速率。
6. ZigBee 网路架构
    ZigBee网路层方面，ZigBee支援 Star、 Cluster Tree与Mesh三种网络架构，在各个节点之角色方面，可分为全功能（Full-Function Device； FFD）与精简功能设（Reduced-Function Device；RFD）。相较于 FFD，RFD之电路较为简单且记忆体较小。 FFD 之节点具备控制器（Controller）之功能提供资料交换， 而RFD则是只能传送资料给予 FFD或是从 FFD接受资料。 所课Full Mesh架构，整个网路设计上采取一个Master节点， 其他的Client 均是使用RN+的网路节点， Mesh 网路提供多条备份的通信路径， 如果一条路径因某种原因产生故障(包括干扰)，网路自动通过备用路径传送讯息。 这种 Mesh 拓扑增加了整个网路的可靠度，同时由于Mesh配置相当容易， 因为要增加新的装置或重新配置现有的设备是非常简单。

四、以ZigBee做为太阳能及风力发电系统无线数据传输
    基于前面对于太阳能及风力发电系统介绍，及 ZigBee的介绍， 透过 ZigBee 产品开发无线再生能源监控系统可轻易的在一般家庭及企业中安装，在大型发电站可以一台现场控制电脑同时监控多个量测及控制单元(如:太阳能、风力机、燃 料电池…等)，再将这些系统资讯以乙太网路的方式传送至远端中控中心， 充份运用ZigBee可多点量测的优势，在距离上因为采用Mesh 架构， 资料可透过其它传输点传回现场电脑，因此较不受距离上的限制，且具有下列几个特点:

1.采用Mesh网状网路结构， 保证资料传输可靠性
2.每个量测及控制单元设置一个ZigBee终端节点
3.一个温室设置一个ZigBee中心节点(安置在现场电脑或嵌入式系统)
4.ZigBee中心节点可透过TCP/ IP或GPRS/CDMA传送到远端监测中心。