物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(南京康尼電子科技有限公司，南京 210009)

引　言

隨著傳統(tǒng)能源的過度消耗帶來越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染，為了解決能源消耗與環(huán)境污染的問題，新能源技術(shù)孕育而生，其作為解決這兩個(gè)問題的核心方案，它的發(fā)展和利用得到了廣泛重視[1]。在新能源中，太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的新型能源，它的開發(fā)利用應(yīng)該得到更多的重視。太陽(yáng)能發(fā)電作為利用太陽(yáng)能的一種形式，通過光電效應(yīng)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在蓄電池中。太陽(yáng)能發(fā)電的核心部件是光電半導(dǎo)體二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照射在光電二極管上時(shí)，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路，就可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能[2]。

我國(guó)一直都非常重視對(duì)太陽(yáng)能的研究利用，對(duì)太陽(yáng)能電池的研究也是我國(guó)的重大課題。近幾年，在太陽(yáng)能的研究上更是增加了研發(fā)力度，提出以太陽(yáng)能發(fā)電為基礎(chǔ)的“光明工程”，投入大量資金以及高端人才進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的研究。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)也相應(yīng)的得到飛速發(fā)展，如何將這些新興科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的智能化、產(chǎn)業(yè)化、信息化，是一個(gè)值得深入研究的課題。目前，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，且相關(guān)發(fā)電設(shè)備也日益完善。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展、普及，各個(gè)領(lǐng)域都有它的一些應(yīng)用，但是基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻發(fā)展緩慢，至今為止，都沒有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上成熟的案例。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)新型能源的飛速發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的要求也日益迫切，如果該套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)成功，將會(huì)推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,可以為太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)提供更加有效、便捷的管理，對(duì)我國(guó)新能源事業(yè)的發(fā)展有著重要的促進(jìn)意義。

1　太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

首先，傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是該系統(tǒng)的最底層即感知層，其主要功能是完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，例如采集太陽(yáng)能發(fā)電過程中太陽(yáng)的照射度、背板以及蓄電池的溫度等。

其實(shí)，主控節(jié)點(diǎn)組成了該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，它的主要功能是接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)處理后打包通過GPRS的方式發(fā)送到服務(wù)器中。最后，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用層，它的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電陣列的工作情況，可以及時(shí)了解各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是否處于正常工作，還可以存儲(chǔ)主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，利用C#語(yǔ)言編寫上位機(jī)界面，提供友好的人機(jī)交互界面，來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電陣列的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間通過以太網(wǎng)的形式與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，主控經(jīng)過GPRS無(wú)線透?jìng)髂K，利用無(wú)線3G的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可以在服務(wù)器上實(shí)時(shí)查看各個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電陣列的工作情況。

2　傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集和基本處理工作，其硬件功能模塊如圖 2所示。單片機(jī)TM4C129作為傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的控制核心，它負(fù)責(zé)采集太陽(yáng)輻照度、背板溫度、蓄電池溫度、環(huán)境溫濕度等相關(guān)參數(shù)，并通過以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞桨褦?shù)據(jù)傳送給主控節(jié)點(diǎn)[5-6]。

圖2　傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件功能框圖

2.1　太陽(yáng)能輻照儀接口電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用TBQ-2C型號(hào)的太陽(yáng)能輻照儀來測(cè)量太陽(yáng)輻射值，其實(shí)物圖如圖3所示。其工作原理為熱電效應(yīng)原理，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷接點(diǎn)則位于儀器內(nèi)，二者產(chǎn)生溫差電勢(shì)從而輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。在線性范圍內(nèi)，太陽(yáng)輻照度與輸出的電壓信號(hào)成正比關(guān)系。為了防止環(huán)境對(duì)輻照儀的損壞，對(duì)特殊工藝加工而成的雙層石英玻璃罩加以防護(hù)。最后把太陽(yáng)能輻照儀輸出的電壓信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳，根據(jù)電壓信號(hào)與太陽(yáng)輻照度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出太陽(yáng)輻照度。

圖3　太陽(yáng)能輻照儀實(shí)物圖

2.2　溫度傳感器接口電路的設(shè)計(jì)

圖4　溫度傳感器接口電路圖

本系統(tǒng)選用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來檢測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電過程中背板和蓄電池的溫度，其采用單總線的接口方式與單片機(jī) TM4C129連接時(shí)，僅需要一條接口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，能適合于惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。除此之外，它的測(cè)量溫度范圍較寬，一般為-55～+125 ℃，在-10～+85℃的范圍內(nèi)，其精度可達(dá)到 0.5℃。其與單片機(jī)的接口電路如圖4所示，以蓄電池溫度傳感器電路為例，PD0引腳外接4.7 kΩ上拉電阻，保證總線閑置時(shí)其狀態(tài)保持為高電平，DS18B20采用的是外接電源的工作方式。

2.3　環(huán)境溫濕度傳感器接口電路

本系統(tǒng)采用SHT10傳感器來監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度，其采用CMOsens專利技術(shù)將溫度濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字接口有效地結(jié)合在一起。該傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、性價(jià)比高等特點(diǎn)。它可以測(cè)量相對(duì)濕度的范圍為0～100%RH，溫度的范圍為-40～123.8 ℃，它采用I2C 總線接口并且輸出數(shù)字信號(hào)，這樣便于與TM4C129的引腳直接相連，可直接與單片機(jī)引腳連接來測(cè)量環(huán)境中的相對(duì)濕度和溫度。其具體電路如圖5所示,通過不同的控制命令來實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)量，測(cè)量溫度命令代碼為“0000 0011”，測(cè)量濕度命令代碼為“0000 0101”。

圖5　SHT10與單片機(jī)連接電路圖

2.4TM4C129外圍電路及以太網(wǎng)通信電路的設(shè)計(jì)

主控芯片采用以Cortex-M4為內(nèi)核的TM4C129，此微控制器具有1 024 KB閃存存儲(chǔ)器，256 KB SRAM，主頻高達(dá)120 MHz，除此之外，它內(nèi)部含有以太網(wǎng)物理層(PHY)的10BASE-T/100BASE-TX以太網(wǎng)控制器以及12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。不需要外界物理層芯片就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，電路圖如圖6所示。

圖6　TM4C129以太網(wǎng)通信電路的設(shè)計(jì)

3　主控節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)的功能主要是收集各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并把整合過的數(shù)據(jù)通過GPRS的方式發(fā)送給服務(wù)器，

主控節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)作用：一是接收來自數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；二是將接收到的數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行處理之后，通過GPRS的形式發(fā)送到服務(wù)器中。主控節(jié)點(diǎn)還可以通過有線RS485的方式與PC機(jī)進(jìn)行通信、通過以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通信、通過GPRS無(wú)線透?jìng)髂K將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送至服務(wù)器，再通過服務(wù)器連接到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。主控節(jié)點(diǎn)的控制芯片是一塊以ARM8為核心的AM3352嵌入式處理器，其硬件功能框圖如圖7所示。

圖7　主控節(jié)點(diǎn)硬件電路功能框圖

3.1　主控制器以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

主控制器與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信，主控芯片AM3352外接以太網(wǎng)物理層芯片LAN8720A來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的功能，其通過RMII接口方式與主控芯片連接，主控節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間通過以太網(wǎng)RJ45口進(jìn)行連接，具體電路圖如圖8所示。

圖8　主控制器與采集節(jié)點(diǎn)以太網(wǎng)通信電路圖

3.2　GPRS無(wú)線透?jìng)髂K電路設(shè)計(jì)

圖9　GPRS透?jìng)髂K電路圖

由于不同太陽(yáng)能發(fā)電陣列之間相隔較遠(yuǎn)，本系統(tǒng)采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸[7]。無(wú)線GPRS模塊通過自身攜帶的串口實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的無(wú)線數(shù)據(jù)交互。電路圖如圖9所示。

M22的UART0口與AM3352 的 UART1口 直接相連，而其 SIM_CLK、SIM_IO、SIM_RST與 SIM 卡座的對(duì)應(yīng)引腳相連。AM3352 通過串口 UART1 發(fā)送 AT 指令集來控制M22 的狀態(tài)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

4　軟件設(shè)計(jì)

圖10　　　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主程序首先要完成TM4C129單片機(jī)的初始化工作，然后要負(fù)責(zé)控制其他軟件模塊的運(yùn)行調(diào)度。節(jié)點(diǎn)上電之后TM4C129單片機(jī)開始運(yùn)行主程序，完成各個(gè)模塊的初始化工作之后數(shù)據(jù)采集處理程序依次讀取太陽(yáng)能輻照度值、背板溫度值、蓄電池溫度值、環(huán)境溫濕度傳感器的值，，最后把采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信的方式傳輸給主控節(jié)點(diǎn)，軟件流程圖如圖9所示。

主控節(jié)點(diǎn)主要作用是收集、采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)打包發(fā)送至服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，首先主控節(jié)點(diǎn)完成自身的初始化工作，其次等待接收各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收完成數(shù)據(jù)之后，把數(shù)據(jù)打包通過GPRS的方式發(fā)送至服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中，其軟件流程圖如圖10所示。

圖11　　　　主控節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按圖1方式搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，以一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電陣列為分析對(duì)象，把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)白天12小時(shí)(6:00～18:00)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，將時(shí)間作為橫坐標(biāo)，實(shí)時(shí)輻照度、溫度、濕度作為縱坐標(biāo)，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來，將太陽(yáng)能發(fā)電陣列的工作狀態(tài)直觀地顯示出來。太陽(yáng)能輻照儀測(cè)得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖11所示，背板溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度如圖12所示，蓄電池溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度如圖13所示，環(huán)境溫濕度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)濕度如圖14所示。

圖12　輻照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖13　背板溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖14　蓄電池溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖15　環(huán)境濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

根據(jù)以上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可以很清楚的看到太陽(yáng)能發(fā)電陣列所處的工作環(huán)境，當(dāng)這些參數(shù)在合理的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)時(shí)，可以認(rèn)為該發(fā)電陣列處于一個(gè)正常的工作狀態(tài)，當(dāng)某一個(gè)參數(shù)的波動(dòng)范圍超過了設(shè)定的閾值時(shí)，則可以判斷該發(fā)電陣列處于故障狀態(tài)。該系統(tǒng)為太陽(yáng)能發(fā)電陣列的維護(hù)、檢修等提供了便利[8]。

結(jié)　語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電過程中各個(gè)發(fā)電陣列數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)等功能。工作人員可以根據(jù)PC端顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)了解太陽(yáng)能各個(gè)發(fā)電陣列的工作情況，便于維護(hù)和檢修。后續(xù)可以繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行深度優(yōu)化和開發(fā)，可以開發(fā)手機(jī)APP等一些應(yīng)用程序，在智能手機(jī)端便可以實(shí)時(shí)查看太陽(yáng)能發(fā)電陣列的工作情況，方便快捷，使得新能源應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展更具系統(tǒng)化、智能化。