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“針對這個項目，我們采用LabVIEW來設定WSN節點、WSN網關、CompactRIO設備、服務器、網頁、kiosk與離線分析軟件。單種編程語言可用于項目的每一部分，這是史無前例的創舉。”
挑戰：
針對圣安東尼奧德州大學(UTSA) 校園附近多個地點，設計出高精度仿真的太陽能電場監測系統，進而以百分之百的穩定性高速測量轉換器(AC)、結合器(DC)、輻照、熱電偶與天氣數據。
解決方案：
采用NI CompactRIO、NI無線網關、NI無線傳感器網絡(WSN) 節點，打造出業界領先的高精度分布式監測系統，提供中央服務器數據采集與處理功能，以及網頁與Kiosk顯示器以便其他用戶進行操作。
VI Design Group是經驗證的NI聯盟伙伴，也是專業的NI技術系統集成商。 VI Design Group團隊成員都已獲得LabVIEW程序架構師認證，致力于提供最出色的系統開發品質。 VI Design Group開發即用型產品的經驗非常豐富，其中包含遠程數據記錄器、控制系統和自動化測試系統。它主要提供醫療、可再生能源、石油與天然氣，以及其他工業級產品。
鑒于系統本身的分布式特性與所需的高精度仿真，我們必須通過NI技術來開發自定制的太陽能電場監測系統。目前現成的解決方案都不能滿足我們的項目需求。此外，UTSA還希望未來能夠將控制邏輯整合在相同的系統內，以便控制電池存儲并追蹤太陽運行情況。 NI平臺的與眾不同之處，就在于能夠將控制元件整合至同一個監測系統，這一點是其他供應商無法企及的。
圖1. 3個配備相關設備 (包含1個313kW系統)的場地。
此項目參與了NI綠色能源工程獎金計劃。憑借創新的設計與出色的教學成果，該項目獲得殊榮。其資金來源于美國復蘇與再投資法案所屬的能源部門。
UTSA的研究助理Gerardo Trevino在領獎時發表了以下陳述：
VI Design Group能夠獲選成為該項目的系統集成商，是因為自身在監測系統方面的專業能力。該公司使用CompactRIO執行遠程監測的經驗非常豐富。此外還能穩定地將數據傳輸至中央服務器，進一步存儲信號并進行后續處理。 VI Design Group針對UTSA多個實體地點，以多重相位的方式開發出該系統并進行部署。
系統設計概述
該系統由3個主要部分組成 (如圖2與圖3所示)。紅色是系統進行數據采集的部分，許多地點都采用相同的架構。其中的構成要素包含CompactRIO設備，其采集數據的方式分為兩種：通過WSN網關無線采集，或通過直接連接的傳感器進行實際采集。 CompactRIO設備采集數據后便會將數據傳輸至中央服務器，以便執行存儲、后續處理、網絡代管等操作。運作中的服務器(以藍色標識)則會從CompactRIO系統采集數據，如果數據損壞或失去通信功能的話，會發出警示音。此外數據會存儲在數據庫內，并且發布到網上以便其他用戶監測。
最后，綠色的部分則是所有可用來系統交互的用戶界面。任何人皆可隨時瀏覽網頁。 Kiosk顯示器位于UTSA現場供學生操作，主機電腦還可提供原始數據的存取權限給教授，以便數據的下載或運用。
圖2.系統三大部分的重點
圖3.三大部分系統組件的詳細說明圖
有了NI硬件與NI LabVIEW系統設計軟件，此系統的設計流程不僅快速，也相當簡便。 NI協助開發了所有底層設計，并加以抽象化成為高層API。下列事項已由NI完成，VI Design Group不必再費心開發：
- ZigBee無線協議設計
- 嵌入式OS設計/微控制器操作
- 印刷電路板配置與24位的delta-sigma模數整合
- 熱能傳導分析與被動式冷卻系統設計
- TCP/IP或UDP網絡通信協議設計
- 安全套接字層(SSL)加密與安全功能
- 相對于C/C++更精密的記憶體管理功能
- VHSIC硬件描述語言FPGA編程設計
- Microsoft Silverlight網絡控制設計
- 搭配網絡服務的網絡服務器設定
基本上，所有的底層工作都已完成，只剩下高層工作。如要設計并實現該系統，用戶必須了解NI設備的高層設定與特殊的LabVIEW編程設計語言。 針對這個項目，我們采用LabVIEW來設定WSN節點、 WSN網關、 CompactRIO設備、服務器、網頁、kiosk與離線分析軟件。單種編程語言可用于項目的每一部分，這是史無前例的創舉。通過NI豐富的培訓課程，任何人都可以成為NI技術專家，設計出具有一定復雜度的監測系統。
系統部署與后續步驟
下列為系統部署圖片：
圖4.轉換器安裝與AC監測設備安裝
圖5.每個地點所部署的CompactRIO數據記錄器
圖6. NI WSN節點采集輻照與熱電偶數據
有些分析任務使用的是DIAdem軟件，可用于后續處理數據分析。 DIAdem可協助UTSA的教授針對采集過程中的信號來處理相關問題，進一步分析并呈現數據。 這些分析已用于執行太陽能預測比較。下圖為實際的太陽能光電(PV)輸出與預測的PV輸出之間的比較。
圖7.采集到的原始數據由DIAdem繪制而成，比較實際功率/預測功率
圖8.流暢的數據采集顯示出實際功率非常接近預測功率
該系統為UTSA提供了穩定的高精度分布式太陽能電場監測系統，并可達成每一項目標。現在UTSA正在進一步探索CompactRIO的開放式平臺與控制邏輯功能，開發更多潛在的系統功能以超越任何一種COTS系統，而且此系統還可協助UTSA執行有利于太陽能產業的先進研究。
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