1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.1背景

自二十世纪中叶以来，随着物联网的不断发展，物联网方面的研究项目：微电子学、非硅组件、能源获取技术、泛在定位、无线通信智能系统网络、语义学、隐私与安全、软件模拟人的推理以及新的应用等重要的技术领域都有着重大的进步。其中物联网的核心技术无线通信技术和射频识别技术（FRID）在进入21世纪以来在各个领域都起着举足轻重的作用。

无线通信是电磁波在自由空间传播以实现信息传输为目的的通信。无线通信的双方至少有一方以无线方式进行信息的交换和传输。无线通信可用来传输电报、电话、传真、图像数据和广播电视等通信业务。与有线通信相比，无线通信无须架设传输线路、不受通信距离限制、机动性能好、建立迅速且扩展性强、灵活性高。无线通信的诸多优点使得无线通信技术在工业、军事、民生等各个领域中都发挥着越来越重要的作用。

在这种物联网信息技术的高速发展之下，无线传感器技术及无线通信技术也应运发展有了巨大的市场，先是使许多传统的的工业生产中有线监控方式替代了传统的人员巡视记录方式，这种传统的有线监控方式主要采用现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)，采用的是”工作站-现场总线-智能仪器仪表”的机构，即使用一根总线来连接工业对象，通过各种变送器、传感器、执行器等器件来实现对工业对象的监测和控制。采用现场总线控制系统，不仅布线复杂，而且设备终端的可移动性差，每次设备移动之后，都需要重新布线，不但耗时耗力，而且在重新布线的过程中线路极其容易出现故障，并且在后期线路的维护中带来了许多的困难。基于以上的种种不便，使得采用无线传输技术取代有线传输技术，越来越成为许多工业监控的发展方向。在无线通讯过程中，使用不同的通讯方式和通讯协议都影响着整个工业现场各个网络节点的通讯效果和相关控制、执行策略，所以为了使相应的工业场地和与所采用的通讯协议相适应并达到场地需求，对实际应用场地进行通讯协议的优化设计变得很有必要。本课题也是出于这样的目的，主要研究光伏电场的无线通讯协议优化设计问题。

1.2应用现状

从上世纪中期起，无线通信技术的发展大致经历了四个阶段。第一，模拟蜂窝通信技术与频分多址技术阶段。此阶段的移动通信电话仅仅限制语音的模拟蜂窝标准，其中传输带宽在此阶段也受到一定的限制，长途漫游受限，仅仅职能进行区域性的无线移动通信。第二，GPRS 和GSM 技术阶段，此阶段采取了数字化信息技术，此时的无限通信技术频谱利用率非常高，具有加强的保密性，标准化程度也非常的高。第三，3G 技术阶段，3G 技术的诞生标志着无线移动通信技术进入了发展史上的第三个阶段，此阶段具有四个技术标准：WiMax 标准、CDMA2000 标准、TD-SCDMA 标准、WCDMA 标准，此阶段，这四个技术标准都非常成熟。第四，4G 技术阶段，国际电信联盟在二零一一年完成了4G 技术标准的编制，二零一二年初发布。每一个阶段都是信息科技的巨大进步，都得益于各种新兴技术的发展和融合。随之数据的传输速率也得到很大的提升，不论是上传和下载的速率，随着频谱宽带的逐渐加宽，传输速率可以从早期的kb/s 升级为Gb/s。

由于无线通信技术的诸多优势使其在各个领域都有举足轻重的作用，例如无线电力远程抄表系统、基于无线通讯网络的机器人遥操作、基于无线通讯网络的心电监护系统等。本课题主要研究无线通讯网络协议在光伏电场中的优化设计问题。

光伏电场作为新能源的典型应用在我国得到长足发展，单块光伏电板所产生的直流电通常是先汇总到汇流箱，再将汇总后的电流传输到场区分区中的小型逆变站转换为交流电。由于光伏电场占地广，光伏电板分布分散，因而需要在汇流箱中对各光伏电板的输出进行监控，即需要实时监测汇流箱中各支路电流、电压和温度参数。现有的技术是采用不同类型传感器获取电流、电压和温度值，再经RS-485总线与场区中的小型逆变站通讯主机通讯。铠装485总线价格较高，且安装时均为破土埋在地面以下，这就导致铺装485总线工程量较大，且发生故障时更换线缆麻烦，尤其是在我国北部地区，气温低时进行破土作业更加困难。

就目前而言，从通讯方式来区分，光伏电站远程监测技术可以大致分为无线远程监测和有线远程监测两种实现方式。有线远程监测技术是通过物理通信线缆来实现远距离信号传输，但受到传输距离限制，虽然可以通过中继手段来延长传输距离，但无疑增

加了生产成本，费时费力。而无线远程监测技术不会受到传输距离和地域的限制，而且成本低廉。当前应用比较广泛，技术比较成熟的有线远程监测实现方法有用485总线来实现下位机与监测主机间的通讯；有利用互联网来实现广域的、远距离的监测;还有利用公用电话网络，即采用调制解调技术来实现信号传输的。如图1. 1所示，该光伏电站远程监测系统采用RS-485工业总线和互联网相结合来实现的。

无线远程监测技术大多采用卫星中继和微波通信等通讯技术，采用移动通讯的基站来现无线远程监测；有通过无线调制解调器和无线上网卡来接入互联网来实现无线远程监测的。随着移动通讯技术的发展，特别是3G、4G技术的成熟，此技术将能实现实时的视频数据通讯。光伏电场的各个节点与汇集点通讯时目前采用的短距离无线通讯技术有很多，包括ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth和RFID等。每种技术都有各自的特点和使用范围，所以在应用中必须考虑环境、通讯节点的容量、节点间的距离、所选取的通信硬件模块性能特点、其他干扰等诸多因素，然后依据具体情形来合理设计系统的通信方式和通信协议。

目前国内外对基于无线或有线通讯网络在光伏电场中的应用提出了许多研究方案，例如：基于CAN和GPRS的光伏电站远程监测系统研究、基于无线传感器网络在光伏监控系统中的应用与研究、光伏电站远程监控系统的设计与实现等文献中都提出了实用性很强的,能够实现光伏电场中各个光伏电板各项指标的实时、可靠监测方法。无线通讯网络在光伏电场中的应用具有很大的优点，但因为在光伏电场中集聚点和各个节点的距离是比较远的（200-250米），所以通信性能依然存在问题，如：数据传输的可靠性、实时性问题、数据碰撞、整个通讯网络的稳定性问题等。

1.3研究意义

可对光伏发电系统的运行状况进行实时监测，可以获得原始测量数据，为系统的改进和优化、以及科学研究提供有用的数据，从而达到最佳的系统运行效果，实现智能监测与控制；通信容量大，扩展性能好通信节点的增加和删除便利，可根据环境来改变；可有效地降低外界的干扰，使网络运行高效可靠，能够实现现实需求。因此光伏电场无线通讯网络协议优化设计具有理论意义和很高的实用价值。

参考文献

[1]马文方.物联网：欧盟在行动[J].中国计算机报，2010.

[2]单承赣、姚磊.射频识别（RFID）原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2008.

[3]许晓丽、赵明涛.无线通信原理.北京大学出版社，2014.

[4]李烨．现场总线技术及其应用研究[D]．湖南大学，2002．

[5]王占领.浅析无线通讯技术中近距离通讯技术的发展[J].科技创新与应用2014(10).

[6]郑宇.无线电力远程抄表系统.贵州大学，2008.

[7]王成友，樊玮虹，蔡宣平.基于无线通讯网络的机器人遥操作.《工程设计报》, 2004.

[8]许之敏.基于无线通讯网络的心电监护系统.复旦大学, 2008.

[9]赵英.基于双层无线通讯网络的路灯分层节能监控系统的研究.浙江大学，2011.

[10]张敬东.远程监控技术与监控系统[J].赤峰学院学报，2007(02): 14-15

[11]舒杰.太阳能光伏系统中的远程监控系统开发[D].华南理工大学, 2008.

[12]翟章.无线通信技术在电力通信中的应用[J].电力系统通信.2006(27): 163-165

[13]杨子江.无线通讯技术热点及发展趋势.赤峰学院学报（自然科学版）,2015.

[14]胡玉杰.基于无线传感器网络在光伏监控系统中的应用与研究.江南的大学，2012.

[15]王伟.系统研究光伏电站远程监控系统的设计与实现.北京交通大学，2015.

[16]李坤福.基于CAN和GPRS的光伏电站远程监测.武汉纺织大学，2013.

[17]王坤.嵌入式光伏电站监控系统的设计与实现.北京交通大学，2013.

[18]王静,盛磊. 基于后退式二进制搜索算法的有源RFID系统防碰撞算法[J]. 自动化技术与应用,2012,31(9):24-27.

[19] LIU Fu-Cai,GAO Xiu-wei.The design of the solar photovoltatic plant distant monitoring system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2011,25:118-119.

[20]Qi Wang,Weiming Wu,Yonghao Gu et aLThe Application of Lucene in Information

Leakage Monitoring and Querying System[C].//2010 2nd International

Conference on Information Engineering and Computer Science.

v.2.2010:1168-1171.

[21] Yi-Bing Lin,Herman C-H. Rao and Imrich Chlamtac.General Packet

Radio Service(GPRS):architecture, interfaces, deployment[M].Wireless

Communications and Mobile Computing,John Wileyamp;Sons, Ltd.2011(5):77-96.

[22] Moon，Sol、Kim,Seong-Jin Maximum power point tracking without current sensor for photovoltaic module integrated converter using Zigbee wireless network.International Journal of Electrical Power amp; Energy Systems. Mar2014, Vol. 56, p286-297. 12p.

[23] Ahmad,Tanveer 、Hasan ,Qadeer UI.Remote Monitoring for Solar Photovoltaic Systems in Rural Application Using GSM Network. International Journal of Emerging Electric Power Systems. Oct2015, Vol. 16 Issue 5, p413-419. 7p. 6 Color Photographs, 1 Chart, 2 Graphs.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1本课题要解决的问题

由于光伏电场需要在汇流箱中对各光伏电板的输出进行监控，子节点到汇聚点间的距离都在200-250米，而实际要求实时监测汇流箱中各支路电流、电压和温度参数，实现节点增加/删除方便，5秒内能完成不少于10个节点的数据更新的要求。

根据应用要求本课题要解决的问题是：通过对无线通讯网络结构和通信协议底层优化来提高数据交互的效率，并且提高可靠性达到上述通讯要求。