光伏發(fā)電通信基站電源遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊思俊

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，陜西 西安 710089）

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用上位機(jī)和下位機(jī)的主從工作方式。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、抗干擾能力好、溫限寬和面向控制等特點(diǎn)，所以下位機(jī)一般采用單片機(jī)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與對(duì)設(shè)備一級(jí)監(jiān)控；計(jì)算機(jī)的分析處理能力較強(qiáng)，有友好的人機(jī)界面和大容量的多種存儲(chǔ)方式，故上位機(jī)一般采用計(jì)算機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形顯示、分析以及管理。上位機(jī)與下位機(jī)通過串行接口實(shí)現(xiàn)通信，在本系統(tǒng)采用了Visual Basic 6．0開發(fā)串口通信程序。

1 數(shù)據(jù)傳輸

太陽能發(fā)電監(jiān)測分上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)對(duì)各個(gè)模塊的工作輸入電壓、電流，輸出電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。由于本設(shè)計(jì)的太陽能發(fā)電裝置用于通信基站的電源，其應(yīng)用的環(huán)境一般位于偏僻且交通欠發(fā)達(dá)的地區(qū)，所以下位機(jī)的數(shù)據(jù)需通過GPRS傳送到上位機(jī)，以便于監(jiān)測和故障排除[1-3]。

GPRS模塊（即MC35i）和外部設(shè)備之間的通信協(xié)議是通過AT指令集來完成的。AT指令集是從終端設(shè)備（Terminal Equipment，TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal Equipment，DTE）向終端適配器（Terminal Adapter，TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備 （Data Circuit Terminal Equipment，DCE） 發(fā)送的。AT+CMGC指令的功能為Send anSMS command（發(fā)出一條短消息）。對(duì)短消息的控制有3種模式，即Block Mode、基于AT命令的PDU Mode和Text Mode。目前，PDU Mode應(yīng)用最為廣泛，它不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信，其短消息正文經(jīng)過十六進(jìn)制編碼后作為一個(gè)二進(jìn)制字符串被傳輸。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCLL字符，8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。短信發(fā)送框圖如圖1所示（圖中XX表示第幾條短信）。

2 MC35i驅(qū)動(dòng)及AT指令的編寫

2.1 MC35i的開關(guān)機(jī)及初始化

圖1 短信發(fā)送框圖Fig．1 Sending SMS

目前市場上支持GPRS的模塊有很多種，綜合考慮后采用西門子的MC35i模塊，該模塊在支持GSM的基礎(chǔ)上增加了對(duì)GPRS的支持，上傳波特率可達(dá)21．4 kbps，下傳波特率最大為 85．6 kbps， 并支持 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 等 4 種編碼方案，是一個(gè)具有較高穩(wěn)定性的工業(yè)及模塊。MC35i的工作電壓范圍為 3．3～4．8 V， 傳輸功率在 GMS 1800時(shí)為 1W，休眠電流為3mA。MC35i提供一個(gè)40引腳的外部控制接口，其中包括了控制、數(shù)據(jù)傳輸、SIM卡、聲音以及電源接口。MC35i接口采用AT指令集，并支持部分西門子的擴(kuò)展AT指令。

MC35i的電源采用單個(gè) 3．3 V到 4．8 V的電源， 由于MC35i在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或通話過程中峰值電流可能達(dá)到2 A，所以電源必須能夠提供足夠的電流以保證在大電流時(shí)電源電壓不低于3．3 V。如果在工作工程中電源電壓下降到低于3．3 V或電壓下降幅度超過 400 mV時(shí)，MC35i將自動(dòng)關(guān)閉。比如，在峰值電流2 A時(shí)，在線路上的電壓損耗必須考慮，如果線路電阻為50m，那么電壓損耗為100mV，因此在布線時(shí)必須考慮這些問題。

MC35i的開關(guān)機(jī)需要在模塊的0N／OFF引腳上加上脈寬1 s以上的低電平。當(dāng)模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)檢測到0N／OFF引腳的下降沿并持續(xù)1 s以上的低電平時(shí)啟動(dòng)整個(gè)模塊，同理，當(dāng)模塊啟動(dòng)后檢測到持續(xù)1 s以上的低電平，則延時(shí)8 s關(guān)機(jī)。所有的AT指令操作都必須在開機(jī)狀態(tài)下才能執(zhí)行[4]。

開機(jī)后還要對(duì)MC35i進(jìn)行初始化來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)模塊的控制：首先要測試模塊串口的連接狀況，通過發(fā)送AT指令，等待模塊的回復(fù)，返回OK則連接成功，沒有響應(yīng)則表示模塊連接存在問題；接著還要向模塊發(fā)送ATEO指令來關(guān)閉回顯?；仫@功能主要用于串口調(diào)試，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)關(guān)閉該功能，防止回顯字符和返回參數(shù)混合。

2.2 MC35i的AT控制指令

MC35i模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，采用AT指令集可以實(shí)現(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。AT指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令由ASCII字符組成，除“A／”、“+++”指令外，所有指令都是以”AT”開頭，以＜回車＞＜換行＞結(jié)束，絕大多數(shù)指令被執(zhí)行后都有返回參數(shù)。

常見的AT指令有：

設(shè)置通信波特率：使用AT+IPR=19200命令，把波特率設(shè)為 19 200 b／s。

設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)：通過 AT+CGD CONT=1，“IP”。 “CMNET”命令設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動(dòng)夢網(wǎng)。

設(shè)置移動(dòng)終端的類別：通過AT+CGCLASS=“B”設(shè)置移動(dòng)終端的類別為B類，即同時(shí)*多種業(yè)務(wù)，但只能運(yùn)行一種業(yè)務(wù)，即在同一時(shí)間只能使用GPRS上網(wǎng)，或者使用GSM的語音通信。

測試GPRS服務(wù)是否開通：使用AT+CGACT=1，1命令激活GPRS功能。如果返回OK，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗。中國移動(dòng)在GPRS與Internet網(wǎng)中間建立了許多的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），以連接GPRS網(wǎng)與外部的Internet網(wǎng)絡(luò)。GPRS模塊可以通過撥“*99***1#”登錄到GGSN上，并通過PPP協(xié)議獲取動(dòng)態(tài)分配到In—ternet網(wǎng)的IP地址。

3 上位機(jī)軟件

3.1 數(shù)據(jù)格式

由于Visual Basic 6．0引入了面向?qū)ο蟮木幊虣C(jī)制，巧妙地將Windows編程的復(fù)雜性封裝起來，只需使用窗體和控件等可視化界面設(shè)計(jì)程序，從而降低了程序設(shè)計(jì)的難度。本文就采用了VB來設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，以實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電監(jiān)測的功能 。

1）數(shù)據(jù)傳輸幀格式

下位機(jī)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)傳輸幀格式為：

地址碼（1）+功能碼（1）+數(shù)據(jù)數(shù)量（1）+數(shù)據(jù)域（）+CRC 校驗(yàn)（2）

2）上位機(jī)軟件功能碼分類

0x01讀取下位機(jī)歷史數(shù)據(jù)

0x02讀取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間

0x03設(shè)定時(shí)間

0x04讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

0x05報(bào)警指示

3.2 串口調(diào)試

VB6．0中，使用MSComm時(shí)，首先要在程序中打開相應(yīng)的串口，然后對(duì)相應(yīng)的串口通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[5]。串口通信時(shí)，無論發(fā)送還是接收，都要在通信程序中設(shè)置一個(gè)Variant類型變量做“中介”。程序設(shè)計(jì)如下：

RTHreshold=1’最小接收字符數(shù)為1，當(dāng)接收緩沖區(qū)達(dá)到1時(shí)，引發(fā)OnComm事件中的接收事件

MSComm1.Settings= “4800，n，8，1” ’ 設(shè)置通訊參數(shù)

MSComm1.PortOpen=True’打開串口

太陽能發(fā)電監(jiān)測主要是對(duì)太陽能電源工作時(shí)的各模塊的輸入電壓、電流，輸出電壓、電流以及環(huán)境溫度的計(jì)算與監(jiān)測。其測試界面如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面Fig.2 Interface of real-time data collection

4 功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，上位機(jī)每五秒鐘發(fā)送命令，下位機(jī)接受到命令后即刻將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳。其讀取下位機(jī)歷史數(shù)據(jù)時(shí)需輸入要查詢的起始時(shí)間和終止時(shí)間，由于下位機(jī)每小時(shí)只采樣一個(gè)數(shù)據(jù)，所以上位機(jī)會(huì)顯示出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)[6]，功能界面如圖3所示。

圖3 歷史數(shù)據(jù)查詢界面Fig.3 Interface of historical data inquire

地址碼（1）+功能碼（1）+數(shù)據(jù)數(shù)量（1）+起始時(shí)間（4）+終止時(shí)間（4）+CRCH（1）+CRCL（1）的格式傳輸給下位機(jī)，例如：要讀取2007年12月8日9時(shí)至2008年2月20日5時(shí)的數(shù)據(jù)則幀內(nèi)容為

0x3a 0x01 0x08 0x09 0x08 0x12 0x08 0x05 0x20 0x02 0x09 0x10 0x81

注：終止時(shí)間不應(yīng)超過當(dāng)前時(shí)間，起始時(shí)間應(yīng)在終止時(shí)間之前，則歷史數(shù)據(jù)就會(huì)通過GPRS上傳。此外，監(jiān)測系統(tǒng)還具有校時(shí)和報(bào)警功能，監(jiān)測系統(tǒng)獲取系統(tǒng)時(shí)間，按照如下幀格式進(jìn)行對(duì)下位機(jī)的時(shí)間設(shè)定。

地址碼（1）+功能碼（1）+數(shù)據(jù)數(shù)量（1）+時(shí)間（7）+CRCH（1）+CRCL（1）

圖4 系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置界面Fig.4 Interface of system time setting

如果下位機(jī)中的各分機(jī)中出現(xiàn)斷路、短路或通信故障等異常情況時(shí)，下位機(jī)即時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)接受到信號(hào)后進(jìn)行報(bào)警提示。

5 系統(tǒng)檢測結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了提高發(fā)電效率，對(duì)于太陽能光電池轉(zhuǎn)換效率低的問題，引用了MPPT（最大功率跟蹤）技術(shù)來提高太陽能電池的利用率。分別采集了帶MPPT技術(shù)的太陽能基站電源的控制器與不帶MPPT技術(shù)的控制器的電壓、電流，并將發(fā)電功率進(jìn)行了比較，在設(shè)計(jì)中作了大量的實(shí)驗(yàn)，采集了輸出電壓、電流，并形成了圖表予以分析。以下是日光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)時(shí)的數(shù)據(jù)測試。實(shí)際采集過程是每5秒采集一次，這里將簡單將每隔1分鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行列表分析。

在同樣的外界條件下，日光逐漸升強(qiáng)時(shí)引入MPPT技術(shù)的太陽能發(fā)電技術(shù)和無MPPT技術(shù)的情況下，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，太陽能基站電源發(fā)電功率的比較如圖5曲線所示。

圖5 功率比較Fig.5 Power compared

由表1的數(shù)據(jù)可統(tǒng)計(jì)，在引入MPPT技術(shù)的太陽能發(fā)電技術(shù)后，發(fā)電功率增長了25.9%。

表1 日光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)時(shí)數(shù)據(jù)表Tab.1 Sunlight gradually increased data

太陽能發(fā)電監(jiān)測主要是對(duì)太陽能電源工作時(shí)的各模塊的輸入電壓、電流，輸出電壓、電流以及環(huán)境溫度的計(jì)算與監(jiān)測。上位機(jī)每五秒鐘發(fā)送命令，下位機(jī)接受到命令后即刻將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送。如果下位機(jī)中的各分機(jī)中出現(xiàn)斷路、短路或通信故障等異常情況時(shí)，下位機(jī)即時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)接受到信號(hào)后進(jìn)行報(bào)警提示。

6 結(jié)束語

文中通過采用GPRS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，結(jié)合上位機(jī)軟件的監(jiān)測，使整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用更為便捷，實(shí)驗(yàn)證明，其傳輸與監(jiān)測均具有高的可靠性，為新能源的普及提供了條件。

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