作者：Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect - VI Design Group, Inc.

“針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目，我們采用LabVIEW來設(shè)定WSN節(jié)點(diǎn)、WSN網(wǎng)關(guān)、CompactRIO設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)頁、kiosk與離線分析軟件。 單種編程語言可用于項(xiàng)目的每一部分，這是史無前例的創(chuàng)舉。”

- Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect, VI Design Group, Inc.

挑戰(zhàn)：

針對(duì)圣安東尼奧德州大學(xué) (UTSA) 校園附近多個(gè)地點(diǎn)，設(shè)計(jì)出高精度仿真的太陽能電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而以百分之百的穩(wěn)定性高速測(cè)量轉(zhuǎn)換器 (AC)、結(jié)合器 (DC)、輻照、熱電偶與天氣數(shù)據(jù)。

解決方案：

采用NI CompactRIO、NI無線網(wǎng)關(guān)、NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 節(jié)點(diǎn)，打造出業(yè)界領(lǐng)先的高精度分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供中央服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與處理功能，以及網(wǎng)頁與Kiosk顯示器以便其他用戶進(jìn)行操作。

VI Design Group是經(jīng)驗(yàn)證的NI聯(lián)盟伙伴，也是專業(yè)的NI技術(shù)系統(tǒng)集成商。 VI Design Group團(tuán)隊(duì)成員都已獲得LabVIEW程序架構(gòu)師認(rèn)證，致力于提供最出色的系統(tǒng)開發(fā)品質(zhì)。 VI Design Group開發(fā)即用型產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)非常豐富，其中包含遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄器、控制系統(tǒng)和自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。 它主要提供醫(yī)療、可再生能源、石油與天然氣，以及其他工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

鑒于系統(tǒng)本身的分布式特性與所需的高精度仿真，我們必須通過NI技術(shù)來開發(fā)自定制的太陽能電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 目前現(xiàn)成的解決方案都不能滿足我們的項(xiàng)目需求。 此外，UTSA還希望未來能夠?qū)⒖刂七壿嬚显谙嗤南到y(tǒng)內(nèi)，以便控制電池存儲(chǔ)并追蹤太陽運(yùn)行情況。 NI平臺(tái)的與眾不同之處，就在于能夠?qū)⒖刂圃现镣粋€(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這一點(diǎn)是其他供應(yīng)商無法企及的。

圖1. 3個(gè)配備相關(guān)設(shè)備 (包含1個(gè)313kW系統(tǒng))的場(chǎng)地。

此項(xiàng)目參與了NI綠色能源工程獎(jiǎng)金計(jì)劃。 憑借創(chuàng)新的設(shè)計(jì)與出色的教學(xué)成果，該項(xiàng)目獲得殊榮。 其資金來源于美國復(fù)蘇與再投資法案所屬的能源部門。

UTSA的研究助理Gerardo Trevino在領(lǐng)獎(jiǎng)時(shí)發(fā)表了以下陳述：

VI Design Group能夠獲選成為該項(xiàng)目的系統(tǒng)集成商，是因?yàn)樽陨碓诒O(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的專業(yè)能力。 該公司使用CompactRIO執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)非常豐富。 此外還能穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)傳輸至中央服務(wù)器，進(jìn)一步存儲(chǔ)信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)處理。 VI Design Group針對(duì)UTSA多個(gè)實(shí)體地點(diǎn)，以多重相位的方式開發(fā)出該系統(tǒng)并進(jìn)行部署。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該系統(tǒng)由3個(gè)主要部分組成　(如圖2與圖3所示)。 紅色是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的部分，許多地點(diǎn)都采用相同的架構(gòu)。 其中的構(gòu)成要素包含CompactRIO設(shè)備，其采集數(shù)據(jù)的方式分為兩種：通過WSN網(wǎng)關(guān)無線采集，或通過直接連接的傳感器進(jìn)行實(shí)際采集。 CompactRIO設(shè)備采集數(shù)據(jù)后便會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸至中央服務(wù)器，以便執(zhí)行存儲(chǔ)、后續(xù)處理、網(wǎng)絡(luò)代管等操作。 運(yùn)作中的服務(wù)器(以藍(lán)色標(biāo)識(shí))則會(huì)從CompactRIO系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)損壞或失去通信功能的話，會(huì)發(fā)出警示音。 此外數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并且發(fā)布到網(wǎng)上以便其他用戶監(jiān)測(cè)。

最后，綠色的部分則是所有可用來系統(tǒng)交互的用戶界面。 任何人皆可隨時(shí)瀏覽網(wǎng)頁。 Kiosk顯示器位于UTSA現(xiàn)場(chǎng)供學(xué)生操作，主機(jī)電腦還可提供原始數(shù)據(jù)的存取權(quán)限給教授，以便數(shù)據(jù)的下載或運(yùn)用。

圖2. 系統(tǒng)三大部分的重點(diǎn)

圖3. 三大部分系統(tǒng)組件的詳細(xì)說明圖

有了NI硬件與NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程不僅快速，也相當(dāng)簡(jiǎn)便。 NI協(xié)助開發(fā)了所有底層設(shè)計(jì)，并加以抽象化成為高層API。 下列事項(xiàng)已由NI完成，VI Design Group不必再費(fèi)心開發(fā)：

1. ZigBee無線協(xié)議設(shè)計(jì)
2. 嵌入式OS設(shè)計(jì)/微控制器操作
3. 印刷電路板配置與24位的delta-sigma模數(shù)整合
4. 熱能傳導(dǎo)分析與被動(dòng)式冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5. TCP/IP或UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)
6. 安全套接字層(SSL)加密與安全功能
7. 相對(duì)于C/C++更精密的記憶體管理功能
8. VHSIC硬件描述語言FPGA編程設(shè)計(jì)
9. Microsoft Silverlight網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)
10. 搭配網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)定

基本上，所有的底層工作都已完成，只剩下高層工作。 如要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，用戶必須了解NI設(shè)備的高層設(shè)定與特殊的LabVIEW編程設(shè)計(jì)語言。  針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目，我們采用LabVIEW來設(shè)定WSN節(jié)點(diǎn)、 WSN網(wǎng)關(guān)、 CompactRIO設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)頁、kiosk與離線分析軟件。 單種編程語言可用于項(xiàng)目的每一部分，這是史無前例的創(chuàng)舉。 通過NI豐富的培訓(xùn)課程，任何人都可以成為NI技術(shù)專家，設(shè)計(jì)出具有一定復(fù)雜度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)部署與后續(xù)步驟

下列為系統(tǒng)部署圖片：

圖4. 轉(zhuǎn)換器安裝與AC監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

圖5. 每個(gè)地點(diǎn)所部署的CompactRIO數(shù)據(jù)記錄器

圖6. NI WSN節(jié)點(diǎn)采集輻照與熱電偶數(shù)據(jù)

有些分析任務(wù)使用的是DIAdem軟件，可用于后續(xù)處理數(shù)據(jù)分析。 DIAdem可協(xié)助UTSA的教授針對(duì)采集過程中的信號(hào)來處理相關(guān)問題， 進(jìn)一步分析并呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。 這些分析已用于執(zhí)行太陽能預(yù)測(cè)比較。 下圖為實(shí)際的太陽能光電(PV)輸出與預(yù)測(cè)的PV輸出之間的比較。

圖7. 采集到的原始數(shù)據(jù)由DIAdem繪制而成，比較實(shí)際功率/預(yù)測(cè)功率

圖8. 流暢的數(shù)據(jù)采集顯示出實(shí)際功率非常接近預(yù)測(cè)功率

該系統(tǒng)為UTSA提供了穩(wěn)定的高精度分布式太陽能電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并可達(dá)成每一項(xiàng)目標(biāo)。 現(xiàn)在UTSA正在進(jìn)一步探索CompactRIO的開放式平臺(tái)與控制邏輯功能，開發(fā)更多潛在的系統(tǒng)功能以超越任何一種COTS系統(tǒng)，而且此系統(tǒng)還可協(xié)助UTSA執(zhí)行有利于太陽能產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)研究。