風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動態(tài)參數(shù)的無線通信

陳治國，韋文生，夏 鵬，金將溢

(溫州大學物理與電子信息工程學院，浙江溫州 325035)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動態(tài)參數(shù)的無線通信

陳治國，韋文生??，夏 鵬，金將溢

(溫州大學物理與電子信息工程學院，浙江溫州 325035)

給出了一種風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動態(tài)數(shù)據(jù)采集和無線通信的方法．針對蓄電池充放電的電壓、電流及溫度等參數(shù)，設計了硬件電路并編寫了上位機軟件，用NRF2401芯片進行實時數(shù)據(jù)采集與無線傳輸，分析了NRF2401芯片的無線通信工作程序和信號調(diào)制解調(diào)辦法，完成了風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動態(tài)參數(shù)的監(jiān)測和存儲．

風光互補發(fā)電系統(tǒng)；蓄電池；NRF2401芯片；無線數(shù)據(jù)通信

風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為獨立電源，架設調(diào)試簡單，可靠性好，成本較低，適合于邊遠通信基站、海島房屋等遠離大電網(wǎng)場所的電力供應．該系統(tǒng)利用風能和太陽能發(fā)電，通過控制蓄電池的充放電，再經(jīng)過逆變器給負載供電．風光互補發(fā)電系統(tǒng)一般采用性價比較高的鉛酸蓄電池作為儲能裝置，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，對蓄電池的充放電必須進行實時嚴格控制．因此，需要對蓄電池充放電的電壓、電流及溫度等參數(shù)進行實時采集并傳送到監(jiān)控中心進行處理分析，以掌握系統(tǒng)的實時運行情況，作出處置．通常使用RS485進行數(shù)據(jù)采集[1]，采用CAN總線方式將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，但是線路易老化，維護困難，不利于工業(yè)現(xiàn)場應用．也有的利用GPRS DTU進行數(shù)據(jù)傳輸[2]，它通信可靠穩(wěn)定、傳輸距離長、范圍廣，但成本昂貴，后期運作費用高．本文采用的基于NRF2401的無線監(jiān)測傳輸[3-4]，通信距離達50米，原則上NRF2401的接收頻道地址40位，可以支持240個發(fā)射模塊，但考慮到數(shù)據(jù)采集的實時性，現(xiàn)場風光互補系統(tǒng)數(shù)量有限，本系統(tǒng)可最多同時支持10個發(fā)射模塊，與有線傳輸監(jiān)測相比，省去了大量的布線，且具有在短距離范圍內(nèi)信號傳輸速率快且穩(wěn)定、組網(wǎng)方式靈活、通信協(xié)議簡單、易于拓展、維護管理方便、成本較低等優(yōu)點．

本課題主要研究離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控，以保障邊遠地區(qū)、海島等通信基站、房屋的電力供應．通過NRF2401數(shù)據(jù)采集與無線傳輸方案，將室外的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的實時運行參數(shù)傳回到室內(nèi)的接收端，在上位機監(jiān)測軟件顯示及后臺存儲．該無線監(jiān)測系統(tǒng)依附于通信基站，可將多個分散的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡匯集到數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠程監(jiān)控．

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充放電動態(tài)參數(shù)采集與無線傳輸方案

如圖1所示，風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，信號的采集與接收裝置主要包括兩個部分：信號采集與無線發(fā)射部分，無線接收與監(jiān)測部分[3]．信號采集部分包括針對蓄電池組的電流、電壓以及溫度進行采集的傳感器元件，無線發(fā)送部分包含單片機和多個無線發(fā)射模塊．無線接收與監(jiān)測部分包括單個無線接收模塊和用于顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的上位機軟件．系統(tǒng)的工作原理：在風光互補發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池組上安裝相應的電壓、電流及溫度傳感器，通過單片機對傳感器采集到的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字信號通過單片機的SPI接口傳輸給無線發(fā)射單元進行數(shù)據(jù)發(fā)射；在接收端，無線接收單元收到有效數(shù)據(jù)后傳送給單片機，單片機通過USB轉(zhuǎn)串口線與監(jiān)測計算機的監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)串口通信，用戶可以在監(jiān)測軟件的用戶界面上觀察采集到的實時數(shù)值．

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充放電動態(tài)參數(shù)采集與無線傳輸方案框圖

電子元器件、集成模塊等的選擇將直接關系到無線傳輸系統(tǒng)運行的性能及穩(wěn)定性．下面綜合考慮成本、能耗、穩(wěn)定性、簡便性等方面因素對系統(tǒng)中涉及到的主要器件進行篩選，以使無線傳輸系統(tǒng)工作效率達到最優(yōu)．

1.1 器件選擇

1.1.1 電壓采集器件

圖2 電壓互感器電路

電壓互感器可以選取簡單的分壓電阻，電阻精度1%的幾十kΩ的金屬膜電阻即可．對于蓄電池輸出端電壓的測量，如圖2所示，利用電壓互感器進行分壓后，經(jīng)過同相比例放大器將電壓變化到一定范圍內(nèi)，引入到單片機內(nèi)置的A/D輸入通道，再由單片機分析處理后得到實際的電壓．被測電壓端接入需要測量的蓄電池端電壓，VIN端接入單片機A/D輸入通道．單片機A/D采樣輸入要求2.2 V以內(nèi)，圖2中電阻分壓采用100 kΩ和5 kΩ使運放正相輸入端電壓在24 V × 5 / (100 + 5) = 1.2 V左右，圖2中VIN最大輸出電壓1.2 V × (10 + 8) / 10 = 2.2 V，滿足單片機輸入端要求．

1.1.2 電流采集器件

此處采用ACS712模塊作為具有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，它是通過將磁性信號靠近霍爾傳感器實現(xiàn)電流精確測量的器件．將它應用于直流電流感測中，使得本系統(tǒng)具有低損耗、精確度高、抗干擾能力強的特點．對于蓄電池電流的測量，如圖3所示，將要進行電流檢測的線路串聯(lián)進IP+、IP-針腳，輸出接到單片機另一個A/D輸入通道，再由單片機分析處理后得到實際的電流．這里利用電流傳感器的Vo管腳分壓是因為輸出要求為2.5 V –5 V，為此配置30 kΩ和20 kΩ的電阻，使單片機最大輸入電壓5 V × 2 / (2 + 3) = 2 V．這里，A/D采樣之后再進行軟件濾波——平均值濾波，以去除因數(shù)據(jù)在平均值上下波動的干擾．

圖3 電流傳感器電路

1.1.3 溫度采集電路

鉛酸蓄電池容易對測溫元件造成腐蝕，這就要求應盡可能采用抗腐蝕器件，可選用MCP9700作為測溫傳感器．MCP9700的工作電壓為5 V，溫度測量范圍為– 40 – 125℃，在0 – 70℃范圍內(nèi)，最大誤差為± 4℃，它的電壓信號輸出T_AD端口可直接與A/D轉(zhuǎn)換器連接，不需要另外的信號處理電路．溫度檢測模塊如圖4．

圖4 溫度檢測模塊MCP9700

1.1.4 無線通信器件的選擇

考慮本系統(tǒng)對協(xié)議簡單、通信距離較近、短延時、低功耗、抗干擾能力強的需求，選用nRF模塊作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線通信器件．這里選取的NRF2401芯片采用全球開放的2.4 GHz頻段，有125個頻點，可以滿足多頻及調(diào)頻需要，能夠有效避免通信設備產(chǎn)生的同頻干擾[4-5]；工作電壓1.9 V – 3.6 V，功耗低；直接連串口；無需曼徹斯特編碼，效率高；最高通信速率達1 Mbit / s，數(shù)據(jù)收發(fā)能力可滿足大量數(shù)據(jù)吞吐要求；外圍器件少，只需一個晶振和一個電阻即可設計射頻電路；發(fā)射功率和工作頻率等參數(shù)可以通過軟件設置，調(diào)試簡單；工作溫度范圍– 40 – + 85℃；內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_無誤．

1.2 系統(tǒng)構成

圖5為NRF2401無線收發(fā)模塊與單片機及傳感器組成的信號采集與無線收發(fā)系統(tǒng)[6]．在電路硬件系統(tǒng)建立后，再通過軟件支持，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心并對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析，確保數(shù)據(jù)的實時性和精確性．本文使用高效快速、接口類型豐富的VB作為上位機監(jiān)控軟件編寫語言，結合NRF2401芯片的數(shù)據(jù)格式進行開發(fā)，使得監(jiān)控界面簡潔直觀，能夠準確實時地反映風光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況．

圖5 信號采集、無線收發(fā)系統(tǒng)電路圖

1.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)與調(diào)制解調(diào)

NRF2401有四種工作模式[7]：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式．NRF2401工作模式由單片機通過PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個引腳決定，各工作模式與引腳的配置關系如表1所示．

表1 NRF2401主要工作模式與引腳配置

NRF2401在一般情況下有兩種模式[8]：ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式，模式選擇由配置字決定．本系統(tǒng)設計使用ShockBurstTM模式，在該模式下，數(shù)據(jù)從控制器以較低速率送入，但以較高速率發(fā)出，有三點優(yōu)勢：有效減小電流損耗，降低系統(tǒng)成本，縮短數(shù)據(jù)發(fā)射接收時間，提高收發(fā)效率．

在ShockBurstTM收發(fā)模式下，NRF2401會自動處理數(shù)據(jù)包字頭和CRC校驗碼，發(fā)送數(shù)據(jù)時，會自動加載字頭和CRC校驗碼，接收時會自動去除字頭和CRC校驗碼．為使NRF2401選擇收發(fā)模式，將POW_UP配置為1，CE配置為0，CS配置為0，把接收的地址和需要發(fā)射的數(shù)據(jù)依次寫入NRF2401芯片，同時將CE置低，這時NRF2401將進入收發(fā)模式．NRF2401芯片自動加上字頭和CRC校驗序列后，數(shù)據(jù)將進行發(fā)射，發(fā)射完成后進入空閑模式．信號的收發(fā)流程見圖6．

在接收端，nRF2401通過單片機進行配置字設定，包括接收地址、數(shù)據(jù)大小和CRC校驗碼，并將CE置1，結構如圖7所示．完成接收狀態(tài)配置后，NRF2401會監(jiān)聽數(shù)據(jù)并等待正確數(shù)據(jù)的到來，如果監(jiān)聽到正確數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)大小，經(jīng)CRC校驗后NRF2401會自動將數(shù)據(jù)的字頭、地址及CRC校驗位分離，同時將DR1置為1引起單片機產(chǎn)生中斷，通知單片機將接收的數(shù)據(jù)及時移出．待所有數(shù)據(jù)接收完畢，將DR1置0，如果此時CE = 1，將等待下一個數(shù)據(jù)包；如果CE = 0，則開始其它工作流程．單片機將接收的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機，由上位機進行實時顯示與數(shù)據(jù)存儲．數(shù)據(jù)包字頭一般為4 – 8 bit，字頭值與第一位地址有關，第一位地址為0時，字頭取值“01010101”，反之為“10101010”．一幀數(shù)據(jù)從地址到CRC最多為256 bit．

1.2.2 上位機監(jiān)控軟件的設計

數(shù)據(jù)采集后的上位機顯示是系統(tǒng)的重要組成部分，通過串口將接收到的數(shù)據(jù)顯示出來，在Windows操作環(huán)境下將接收的監(jiān)測參數(shù)實時顯示在PC機上，為用戶提供良好的人機交互界面，并實時監(jiān)控各個模塊．在上位機界面中可對電壓、電流、溫度、功率等參數(shù)進行實時顯示，并可用報警指示燈對超出設定值的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行告警，同時在后臺使用數(shù)據(jù)庫對接收的數(shù)據(jù)進行存儲記錄，便于后續(xù)查詢與分析．圖8為一個實驗結果的顯示界面．

1.2.3 上位機對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的反饋控制

一般情況下，都是由現(xiàn)場采集的風力、光照、溫度、電壓、電流等實時信號來自動反饋控制功率電路，但是上位機和現(xiàn)場相比，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的反饋控制具有優(yōu)先級．上位機在接收到信號采集端傳來的實時數(shù)據(jù)后，經(jīng)過軟件分析處理，與預設值進行比對，判斷當前風光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況和系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，及時準確地發(fā)送各種指令對風機、光伏陣列、蓄電池進行反饋控制和故障告警等，保證系統(tǒng)的正常運作，原理過程如圖9所示．

圖7 一幀數(shù)據(jù)結構

2 測試結果及分析

圖8 實時數(shù)據(jù)顯示界面

基于NRF2401芯片的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)的硬件電路及監(jiān)控軟件構建完成后，在實驗室中采用數(shù)字電源和電阻負載模擬風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行仿真，對系統(tǒng)進行了初步測試，獲得了較為理想的效果，信號傳輸穩(wěn)定準確；在此基礎上進行了戶外實地測試，系統(tǒng)運行情況良好，能夠長時間連續(xù)工作，50米范圍數(shù)據(jù)傳輸時延低于100毫秒，傳輸過程中的數(shù)據(jù)失真度小于系統(tǒng)最低要求的5%，上位機軟件監(jiān)測數(shù)值實時、準確、直觀；當風光互補發(fā)電系統(tǒng)運行不正常時可及時給出告警，提示及時維護風光互補發(fā)電系統(tǒng)．實驗過程中發(fā)現(xiàn)，無線傳輸系統(tǒng)工作于2.4 GHz的高頻區(qū)，而實驗電路均由手工焊接，元器件間排列分布不夠規(guī)范引起系統(tǒng)工作時的阻抗干擾是造成測試誤差的主要原因，可通過PCB板及規(guī)范元器件的焊接進一步降低誤差，提高精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性．還有，在風力微弱及陰暗天氣環(huán)境下，風速計及照度計并未工作，但上位機界面仍然顯示一個比較小的采集數(shù)值（例如電壓測量，見表2），分析發(fā)現(xiàn)，這是單片機本身的工作電流及電壓對傳感器的輕微擾動造成的，可在信號強度低于一定值時通過單片機將此值直接置0，或者在采樣端補充一個濾波電路加以解決．

圖9 監(jiān)測系統(tǒng)對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的反饋控制原理圖

表2 上位機電壓顯示值和實際值的比較

3 結 論

本文基于NRF2401芯片的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸?shù)目尚行苑治觯ㄟ^對硬件電路的設計及上位機軟件的編寫，最終完成了系統(tǒng)的構建．該系統(tǒng)滿足風光互補發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充放電的實時監(jiān)測要求，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行、維護提供了一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、記錄平臺，為無人值守和遠程監(jiān)控提供了一種可行方案．該系統(tǒng)還可推廣應用于水域狀況及空氣質(zhì)量監(jiān)測、無線抄表等領域．

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Wireless Communication of Battery Charging and Discharging Dynamic Parameters in Wind-photovoltaic Hybrid Generation System

CHEN Zhiguo, WEI Wensheng, XIA Peng, JIN Jiangyi
(School of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

A kind of technology for battery dynamic data acquisition and wireless communication in wind-photovoltaic hybrid generator system was proposed in this paper. Hardware circuit was designed and software code was written for battery charging and discharging parameters such as voltages, currents, temperatures, etc; NRF2401 chip was used for real-time data acquisition and wireless communication; wireless communication procedures of NRF2401 chip, as well as signal modulation and demodulation method, were analyzed; monitor and memory of battery charging and discharging dynamic parameters in wind-photovoltaic hybrid generation system were realized.

Wind-photovoltaic Hybrid Generation System; Storage Battery; NRF2401 Chip; Wireless Data Communication

TP273

A

1674-3563(2013)03-0038-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2013.03.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2013-01-10

浙江省科技計劃項目(2009C31070)

陳治國(1989- )，男，廣西北海人，研究方向：短距離通信技術．? 通訊作者，weiwensheng@ wzu.edu.cn