陳 珊，馬曉麗，張曉蕾

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊 050035)

基于Android的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

陳 珊，馬曉麗，張曉蕾

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊 050035)

以小型光伏發(fā)電為例，從光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始展開(kāi)研究，結(jié)合基于Android的移動(dòng)手機(jī)客戶端提出一套實(shí)時(shí)性的控制管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并且利用ARM的串口通信功能設(shè)計(jì)了基于Android的移動(dòng)管理終端軟件。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可有效地提高系統(tǒng)效率，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

光伏發(fā)電；安卓；嵌入式系統(tǒng)

化石資源的枯竭使得人們不得不尋找一種新型的替代能源。光能在我們可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)是取之不盡用之不竭的可再生資源。光能還是一種十分清潔的能源，使用過(guò)程中沒(méi)有任何的污染氣體排放。在國(guó)家的大力支持下，我國(guó)的光伏技術(shù)處于世界的領(lǐng)先地位。光伏發(fā)電是利用光能的一大領(lǐng)域，大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)符合人們?nèi)找嫣岣叩沫h(huán)保理念，符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的政策方針，可以有效地緩解國(guó)家電網(wǎng)的供電壓力。

在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，不穩(wěn)定性成為限制其發(fā)展的主要原因。光伏發(fā)電的不穩(wěn)定一方面可能燒毀家用電器，另一方面這些不穩(wěn)定的電能接入大電網(wǎng)會(huì)造成潛在的巨大風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性監(jiān)控是提高發(fā)電質(zhì)量的重要舉措?，F(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是針對(duì)PC機(jī)進(jìn)行的開(kāi)發(fā)，雖然很大程度上提高了電網(wǎng)質(zhì)量，但是人們只能在PC機(jī)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，使用局限性很大。本系統(tǒng)針對(duì)此現(xiàn)狀，提出一套基于Android的移動(dòng)客戶端。該客戶端可以使用戶隨時(shí)隨地的監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)并發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

與大型的火電站、水電站不同的是光伏發(fā)電具有規(guī)模小、建設(shè)成本有限等問(wèn)題。因此，已有的大型發(fā)電管理系統(tǒng)就不能很好地移植到光伏發(fā)電系統(tǒng)之中，我們需要研究設(shè)計(jì)一種新型的、專門(mén)針對(duì)光伏發(fā)電的管理系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)應(yīng)該具有操作簡(jiǎn)單、成本低穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

本課題設(shè)計(jì)了一種基于Android智能手機(jī)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)由光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集模塊、云端數(shù)據(jù)處理中心和移動(dòng)手機(jī)控制端三部分組成，不僅可以滿足電站的監(jiān)控與日常維護(hù)的智能化實(shí)現(xiàn)，而且還能有效地降低監(jiān)控設(shè)備安裝與維護(hù)的成本。

圖1 基于Android的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，在整個(gè)系統(tǒng)中布置在現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的信息采集，將采集信息通話ARM控制單元進(jìn)行初步處理，并且利用ARM的通信功能將數(shù)據(jù)傳送至云端的服務(wù)器。服務(wù)器將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分分析處理，將處理結(jié)果以無(wú)線通信的方式傳送到Android手機(jī)客戶端。控制端以命令發(fā)送的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的控制器進(jìn)行控制管理，從而完成蓄電池儲(chǔ)電和大電網(wǎng)并電。

移動(dòng)控制端主要完成三個(gè)功能：第一，通過(guò)Android智能控制端獲得電站周圍運(yùn)行參數(shù)以及管理人員命令；第二，將管理人員命令送達(dá)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的控制；第三，將管理人員命令傳送至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)以保留電站管理人員操作記錄。

2 光伏電池模型

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不僅要對(duì)太陽(yáng)電池板矩陣的電壓、電流及工作溫度等信息進(jìn)行采集之外，還要設(shè)計(jì)光伏電池的模型。光照不能人為控制，在光照過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)光伏電池板受到的光照不均勻現(xiàn)象。由于光伏電池本身產(chǎn)生的光電流很小，當(dāng)光照不均勻時(shí)受到光照弱的一塊電池板可能在其他電池板的影響下產(chǎn)生負(fù)電壓，這就會(huì)出現(xiàn)二極管的負(fù)載效應(yīng)，當(dāng)電壓低于一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn)雪崩效應(yīng)。為了避免該現(xiàn)象出現(xiàn)設(shè)計(jì)了如圖2的考慮雪崩擊穿的光伏電池模型[1]。

圖2 考慮雪崩效應(yīng)的光伏電池模型

如圖2所示，針對(duì)雪崩效應(yīng)，在建立光伏電池模型時(shí)加上了雪崩電壓段。在圖2中和分別是二極管D1和D2的電流；為反向雪崩擊穿電流。

3 基于Android的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能手機(jī)的飛速發(fā)展使得在移動(dòng)端進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性處理變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。本課題開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于Android系統(tǒng)的光伏發(fā)電客戶端，通過(guò)手機(jī)應(yīng)用編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電參數(shù)的采集及對(duì)發(fā)電及并網(wǎng)設(shè)備的控制管理。

3.1 客戶端的實(shí)現(xiàn)

Android手機(jī)客戶端作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的移動(dòng)控制端具有處理和上傳電站運(yùn)行參數(shù)、控制光伏組件的功能[2]。為了實(shí)現(xiàn)客戶端更具模塊化，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖3所示的Android客戶端。該客戶端分為5個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)傳輸模塊、命令解析模塊、智能管理模塊、防盜模塊和短信控制模塊。

圖3 Android客戶端結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)Android程序與ARM控制器和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的任務(wù)。該模塊可將控制命令傳送到ARM控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的控制，同時(shí)該模塊還可以將服務(wù)器處理結(jié)果傳送至Android客戶端實(shí)現(xiàn)雙向通信。命令解析模塊則是負(fù)責(zé)采集管理人員輸入的命令，經(jīng)過(guò)解析后以HTTP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器端或者傳送到發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的ARM控制端。智能管理模塊主要負(fù)責(zé)處理組件信息，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息一方面存儲(chǔ)到手機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)，另一方面以HTTP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)傳送至云端的服務(wù)器。云端服務(wù)器可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速有效地處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，主動(dòng)向管理人員發(fā)送信息以提醒管理人員進(jìn)行故障處理。如果情況格外緊急，例如檢測(cè)到嚴(yán)重的短路現(xiàn)象、引發(fā)火災(zāi)等會(huì)直接發(fā)送命令給現(xiàn)場(chǎng)的ARM控制器進(jìn)行緊急處理。除此之外，在系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了安全模塊，主要包括登錄賬號(hào)的檢測(cè)和手機(jī)防盜，其中手機(jī)防盜措施包括兩部分：一方面是通過(guò)固定的安全號(hào)碼發(fā)送信息給被盜手機(jī)，被盜手機(jī)會(huì)主動(dòng)回傳手機(jī)位置；另一方面是啟動(dòng)被盜模式之后，手機(jī)會(huì)自動(dòng)回傳并同時(shí)清除手機(jī)數(shù)據(jù)，以對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。

3.2 服務(wù)器的設(shè)計(jì)

為了提高數(shù)據(jù)的處理效率，減少手機(jī)的數(shù)據(jù)計(jì)算負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)還對(duì)云端服務(wù)器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)布置。本系統(tǒng)在云端布置了Tomcat 6服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在云端的高速處理。服務(wù)器的設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

圖4 服務(wù)器工作流程

如圖4所示，Android客戶端通過(guò)發(fā)送HTTP向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，返回參數(shù)以FastJSON進(jìn)行封裝，服務(wù)器端的HttpServer對(duì)象接收HTTP請(qǐng)求，然后進(jìn)行解析FastJSON得到請(qǐng)求參數(shù)。請(qǐng)求參數(shù)采用JDBC技術(shù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，執(zhí)行SQL語(yǔ)句返回的結(jié)果傳遞給HttpServlet對(duì)象，經(jīng)過(guò)FastJSON封裝后返回到客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取工作。

4 總結(jié)

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)了基于Android的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)在底層數(shù)據(jù)是通過(guò)布置在光伏組件及發(fā)電電路上的電流、電壓和溫度等傳感器進(jìn)行采集的，采集數(shù)據(jù)以無(wú)線傳感網(wǎng)傳送至ARM控制端，在控制端進(jìn)行初步處理之后借助ARM的通信功能以GPRS的模式傳送至云端服務(wù)器。電站管理人員可以通過(guò)Android客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)并且可以發(fā)送命令，發(fā)送命令通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)竭_(dá)發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的控制端從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的控制操作和大電網(wǎng)并網(wǎng)的控制管理。

[1]吳忠軍.基于DSP的太陽(yáng)能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.

[2]吳亞峰，索依娜.Android核心技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：22-25，246.

Photovoltaic power generation system based on android

Taken small photovoltaic power generation as example,based on photovoltaic power generation system, and also combined with Android based mobile client,a set of real-time control system was put forward.Then a data communcation system was achieved based on ARM system in data collection and ARM serial communication system.This system could effectively improve the efficiency.It also has certain market value.

photovoltaic power generation;android;embedded system

TM615

A

1002-087X(2016)12-2392-02

2016-05-09

陳珊(1980—)，女，河北省人，講師，工程碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。