陳治國(guó)，韋文生，夏 鵬，金將溢

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動(dòng)態(tài)參數(shù)的無線通信

陳治國(guó)，韋文生??，夏 鵬，金將溢

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

給出了一種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和無線通信的方法．針對(duì)蓄電池充放電的電壓、電流及溫度等參數(shù)，設(shè)計(jì)了硬件電路并編寫了上位機(jī)軟件，用NRF2401芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)調(diào)制解調(diào)辦法，完成了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池動(dòng)態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)．

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；蓄電池；NRF2401芯片；無線數(shù)據(jù)通信

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立電源，架設(shè)調(diào)試簡(jiǎn)單，可靠性好，成本較低，適合于邊遠(yuǎn)通信基站、海島房屋等遠(yuǎn)離大電網(wǎng)場(chǎng)所的電力供應(yīng)．該系統(tǒng)利用風(fēng)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(fù)載供電．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一般采用性價(jià)比較高的鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，對(duì)蓄電池的充放電必須進(jìn)行實(shí)時(shí)嚴(yán)格控制．因此，需要對(duì)蓄電池充放電的電壓、電流及溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行處理分析，以掌握系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，作出處置．通常使用RS485進(jìn)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(hù)困難，不利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用．也有的利用GPRS DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，它通信可靠穩(wěn)定、傳輸距離長(zhǎng)、范圍廣，但成本昂貴，后期運(yùn)作費(fèi)用高．本文采用的基于NRF2401的無線監(jiān)測(cè)傳輸[3-4]，通信距離達(dá)50米，原則上NRF2401的接收頻道地址40位，可以支持240個(gè)發(fā)射模塊，但考慮到數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)數(shù)量有限，本系統(tǒng)可最多同時(shí)支持10個(gè)發(fā)射模塊，與有線傳輸監(jiān)測(cè)相比，省去了大量的布線，且具有在短距離范圍內(nèi)信號(hào)傳輸速率快且穩(wěn)定、組網(wǎng)方式靈活、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、易于拓展、維護(hù)管理方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)．

本課題主要研究離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保障邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島等通信基站、房屋的電力供應(yīng)．通過NRF2401數(shù)據(jù)采集與無線傳輸方案，將室外的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)傳回到室內(nèi)的接收端，在上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件顯示及后臺(tái)存儲(chǔ)．該無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依附于通信基站，可將多個(gè)分散的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯集到數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控．

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充放電動(dòng)態(tài)參數(shù)采集與無線傳輸方案

如圖1所示，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，信號(hào)的采集與接收裝置主要包括兩個(gè)部分：信號(hào)采集與無線發(fā)射部分，無線接收與監(jiān)測(cè)部分[3]．信號(hào)采集部分包括針對(duì)蓄電池組的電流、電壓以及溫度進(jìn)行采集的傳感器元件，無線發(fā)送部分包含單片機(jī)和多個(gè)無線發(fā)射模塊．無線接收與監(jiān)測(cè)部分包括單個(gè)無線接收模塊和用于顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上位機(jī)軟件．系統(tǒng)的工作原理：在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池組上安裝相應(yīng)的電壓、電流及溫度傳感器，通過單片機(jī)對(duì)傳感器采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)的SPI接口傳輸給無線發(fā)射單元進(jìn)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(jī)，單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口線與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)串口通信，用戶可以在監(jiān)測(cè)軟件的用戶界面上觀察采集到的實(shí)時(shí)數(shù)值．

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充放電動(dòng)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(guān)系到無線傳輸系統(tǒng)運(yùn)行的性能及穩(wěn)定性．下面綜合考慮成本、能耗、穩(wěn)定性、簡(jiǎn)便性等方面因素對(duì)系統(tǒng)中涉及到的主要器件進(jìn)行篩選，以使無線傳輸系統(tǒng)工作效率達(dá)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(jiǎn)單的分壓電阻，電阻精度1%的幾十kΩ的金屬膜電阻即可．對(duì)于蓄電池輸出端電壓的測(cè)量，如圖2所示，利用電壓互感器進(jìn)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(jī)內(nèi)置的A/D輸入通道，再由單片機(jī)分析處理后得到實(shí)際的電壓．被測(cè)電壓端接入需要測(cè)量的蓄電池端電壓，VIN端接入單片機(jī)A/D輸入通道．單片機(jī)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(yùn)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(jī)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(hào)靠近霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電流精確測(cè)量的器件．將它應(yīng)用于直流電流感測(cè)中，使得本系統(tǒng)具有低損耗、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)．對(duì)于蓄電池電流的測(cè)量，如圖3所示，將要進(jìn)行電流檢測(cè)的線路串聯(lián)進(jìn)IP+、IP-針腳，輸出接到單片機(jī)另一個(gè)A/D輸入通道，再由單片機(jī)分析處理后得到實(shí)際的電流．這里利用電流傳感器的Vo管腳分壓是因?yàn)檩敵鲆鬄?.5 V –5 V，為此配置30 kΩ和20 kΩ的電阻，使單片機(jī)最大輸入電壓5 V × 2 / (2 + 3) = 2 V．這里，A/D采樣之后再進(jìn)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(dòng)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(duì)測(cè)溫元件造成腐蝕，這就要求應(yīng)盡可能采用抗腐蝕器件，可選用MCP9700作為測(cè)溫傳感器．MCP9700的工作電壓為5 V，溫度測(cè)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(hào)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(hào)處理電路．溫度檢測(cè)模塊如圖4．

圖4 溫度檢測(cè)模塊MCP9700

1.1.4 無線通信器件的選擇

考慮本系統(tǒng)對(duì)協(xié)議簡(jiǎn)單、通信距離較近、短延時(shí)、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)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(gè)頻點(diǎn)，可以滿足多頻及調(diào)頻需要，能夠有效避免通信設(shè)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(dá)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(gè)晶振和一個(gè)電阻即可設(shè)計(jì)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(shè)置，調(diào)試簡(jiǎn)單；工作溫度范圍– 40 – + 85℃；內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)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(gòu)成

圖5為NRF2401無線收發(fā)模塊與單片機(jī)及傳感器組成的信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jī)監(jiān)控軟件編寫語言，結(jié)合NRF2401芯片的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行開發(fā)，使得監(jiān)控界面簡(jiǎn)潔直觀，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況．

圖5 信號(hào)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(guān)機(jī)模式．NRF2401工作模式由單片機(jī)通過PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定，各工作模式與引腳的配置關(guān)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(shè)計(jì)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(diǎn)優(yōu)勢(shì)：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(shí)間，提高收發(fā)效率．

在ShockBurstTM收發(fā)模式下，NRF2401會(huì)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭和CRC校驗(yàn)碼，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)自動(dòng)加載字頭和CRC校驗(yàn)碼，接收時(shí)會(huì)自動(dòng)去除字頭和CRC校驗(yàn)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(shí)將CE置低，這時(shí)NRF2401將進(jìn)入收發(fā)模式．NRF2401芯片自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)序列后，數(shù)據(jù)將進(jìn)行發(fā)射，發(fā)射完成后進(jìn)入空閑模式．信號(hào)的收發(fā)流程見圖6．

在接收端，nRF2401通過單片機(jī)進(jìn)行配置字設(shè)定，包括接收地址、數(shù)據(jù)大小和CRC校驗(yàn)碼，并將CE置1，結(jié)構(gòu)如圖7所示．完成接收狀態(tài)配置后，NRF2401會(huì)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(yàn)后NRF2401會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)的字頭、地址及CRC校驗(yàn)位分離，同時(shí)將DR1置為1引起單片機(jī)產(chǎn)生中斷，通知單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)及時(shí)移出．待所有數(shù)據(jù)接收完畢，將DR1置0，如果此時(shí)CE = 1，將等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包；如果CE = 0，則開始其它工作流程．單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)．?dāng)?shù)據(jù)包字頭一般為4 – 8 bit，字頭值與第一位地址有關(guān)，第一位地址為0時(shí)，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(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集后的上位機(jī)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(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)上，為用戶提供良好的人機(jī)交互界面，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)模塊．在上位機(jī)界面中可對(duì)電壓、電流、溫度、功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并可用報(bào)警指示燈對(duì)超出設(shè)定值的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行告警，同時(shí)在后臺(tái)使用數(shù)據(jù)庫對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，便于后續(xù)查詢與分析．圖8為一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示界面．

1.2.3 上位機(jī)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的反饋控制

一般情況下，都是由現(xiàn)場(chǎng)采集的風(fēng)力、光照、溫度、電壓、電流等實(shí)時(shí)信號(hào)來自動(dòng)反饋控制功率電路，但是上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)相比，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的反饋控制具有優(yōu)先級(jí)．上位機(jī)在接收到信號(hào)采集端傳來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過軟件分析處理，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，判斷當(dāng)前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送各種指令對(duì)風(fēng)機(jī)、光伏陣列、蓄電池進(jìn)行反饋控制和故障告警等，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作，原理過程如圖9所示．

圖7 一幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 測(cè)試結(jié)果及分析

圖8 實(shí)時(shí)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(gòu)建完成后，在實(shí)驗(yàn)室中采用數(shù)字電源和電阻負(fù)載模擬風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試，獲得了較為理想的效果，信號(hào)傳輸穩(wěn)定準(zhǔn)確；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了戶外實(shí)地測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，50米范圍數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(jī)軟件監(jiān)測(cè)數(shù)值實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀；當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)可及時(shí)給出告警，提示及時(shí)維護(hù)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)．實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)的阻抗干擾是造成測(cè)試誤差的主要原因，可通過PCB板及規(guī)范元器件的焊接進(jìn)一步降低誤差，提高精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性．還有，在風(fēng)力微弱及陰暗天氣環(huán)境下，風(fēng)速計(jì)及照度計(jì)并未工作，但上位機(jī)界面仍然顯示一個(gè)比較小的采集數(shù)值（例如電壓測(cè)量，見表2），分析發(fā)現(xiàn)，這是單片機(jī)本身的工作電流及電壓對(duì)傳感器的輕微擾動(dòng)造成的，可在信號(hào)強(qiáng)度低于一定值時(shí)通過單片機(jī)將此值直接置0，或者在采樣端補(bǔ)充一個(gè)濾波電路加以解決．

圖9 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的反饋控制原理圖

表2 上位機(jī)電壓顯示值和實(shí)際值的比較

3 結(jié) 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?，通過對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件的編寫，最終完成了系統(tǒng)的構(gòu)建．該系統(tǒng)滿足風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充放電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)提供了一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、記錄平臺(tái)，為無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一種可行方案．該系統(tǒng)還可推廣應(yīng)用于水域狀況及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、無線抄表等領(lǐng)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

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(編輯：王一芳)

2013-01-10

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2009C31070)

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