邢毓華，羅林潔

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，西安 710048)

分布式光伏充電站W(wǎng)eb實(shí)時監(jiān)控平臺設(shè)計

邢毓華，羅林潔

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，西安 710048)

隨著光伏充電站基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛建設(shè)，為電動汽車用戶提供便利的同時，也為其管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)；為了實(shí)現(xiàn)對光伏充電站更加有效的管理，在分析分布式光伏充電站數(shù)據(jù)通信方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種光伏充電站W(wǎng)eb實(shí)時監(jiān)控平臺；該平臺基于ZigBee技術(shù)、GPRS-DTU技術(shù)、HTTP協(xié)議設(shè)計了直流充電樁無線傳感器數(shù)據(jù)采集方案，部署數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器以克服充電站無人值守的問題，實(shí)現(xiàn)對該分布式系統(tǒng)的集中管控，同時設(shè)計用于充電預(yù)約、監(jiān)控、提醒等功能的安卓用戶APP以提升用戶體驗(yàn)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計方案能夠有效實(shí)現(xiàn)對分布式光伏充電站的實(shí)時數(shù)據(jù)采集與Web端集中管控，為充電站無人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一種有效的技術(shù)解決方案。

光伏充電站；分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)通信

0 引言

電動汽車具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，已成為汽車工業(yè)發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的潮流。隨著國家大力扶持電動汽車產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，充電站是電動汽車產(chǎn)業(yè)化后必須建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)充電站管理和監(jiān)控的自動化是目前充電站建設(shè)的發(fā)展趨勢[1-2]。在充電站建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)其高效、安全、智能化管理已成為主流。

光伏充電站的特點(diǎn)是部署地點(diǎn)分散，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時統(tǒng)一管理。針對此問題，將介紹一種光伏充電站在線集中監(jiān)控方案。該監(jiān)控方案包括數(shù)據(jù)采集、通信、在線控制等功能，有效解決了分布式光伏充電站管理難的問題，同時為光伏充電站的后續(xù)功能拓展和故障診斷提供了有效的技術(shù)支撐。

1 總體設(shè)計方案概述

光伏充電站按照功能可以劃分為四個子模塊：光伏發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、充電站監(jiān)控系統(tǒng)[3]。這里主要介紹充電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。如圖1所示，在整個結(jié)構(gòu)的底層，每個充電樁都被看做一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，用來上傳充電樁運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度等信息。這些數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過ZigBee組成一個星型網(wǎng)絡(luò)，在星型網(wǎng)絡(luò)的中心——匯集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)將通過它進(jìn)行匯總，經(jīng)通用分組無線服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸(GPRS-DTU)技術(shù)統(tǒng)一傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。

圖1 分布式光伏充電站監(jiān)控方案結(jié)構(gòu)圖

在服務(wù)器端架設(shè)MySQL 5.1.73數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲實(shí)時上傳的數(shù)據(jù)，同時在Web服務(wù)器Tomcat 7.0上部署了Web應(yīng)用，向管理員和用戶端APP提供訪問入口。

2 數(shù)據(jù)采集傳輸方案

為了避免光伏發(fā)電諸多因素引起的不穩(wěn)定性，利用蓄電池將多余的能量儲存起來，作為光伏充電站后備能量或者夜間備用電能[4]。從應(yīng)用的廣泛程度來講，蓄電池主要有鉛蓄電池與鋰離子電池兩大類。本方案使用鋰離子電池進(jìn)行能量存儲，相比于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)是比較穩(wěn)定，安全測試已證明鋰離子電池不會爆炸，適宜作為充電站內(nèi)的儲能裝置[5]。

在該方案中，采用低功耗的Maxim DS2780芯片完成對鋰電池數(shù)據(jù)的采集工作，該芯片可以測量電壓、溫度和電流，對可重復(fù)充放電的鋰離子聚合物電池評估可用電量。其優(yōu)點(diǎn)包括：15bit高精度ADC電路，16字節(jié)的用戶EEPROM，庫侖計和損耗評估數(shù)據(jù)通過24字節(jié)非易失性EEPROM自動備份；單芯特性以及應(yīng)用參數(shù)將被記錄在EEPROM芯片中；全球獨(dú)有的ID和易操作的單總線接口。其典型的采集電路如圖2所示。

圖2 DS2780典型應(yīng)用電路

該采集電路由STM8單片機(jī)來管理，是BMS的一部分，通過串口與主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主控板作為BMS的上位機(jī)，通過定時發(fā)送查詢指令，查詢BMS的狀態(tài)信息。

圖3描述的是數(shù)據(jù)采集方案的結(jié)構(gòu)圖，在該數(shù)據(jù)采集方案中，主控板是采用友善之臂公司的Tiny4412開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)的。Tiny4412使用高性能的Cortex-A9核心板，采用三星高性能Exynos 4412四核處理器，運(yùn)行主頻1.5GHz，標(biāo)配1G DDR3內(nèi)存和4GB高速eMMC閃存，外設(shè)接口非常豐富，完全滿足開發(fā)要求。采用ZigBee作為通信方案的考究是，ZigBee是一種低功耗的無線組網(wǎng)解決方案，工作在2.4GHz ISM開放頻段，理論情況下每個網(wǎng)絡(luò)最多可以容納65535個節(jié)點(diǎn)，所以在本設(shè)計中，充電樁節(jié)點(diǎn)個數(shù)可以根據(jù)需求動態(tài)調(diào)整，無需進(jìn)行軟件的二次開發(fā)就可以快速地進(jìn)行拓展。

圖3 數(shù)據(jù)采集采集方案結(jié)構(gòu)圖

采集對象主要分3組：①充電機(jī)運(yùn)行時的傳感器信息，涉及充電裝置故障、監(jiān)控單元故障、充電模式等狀態(tài)信息；直流輸出過流、直流輸出過/欠壓、直流側(cè)開關(guān)跳閘等保護(hù)信息以及相應(yīng)定值；充電裝置直流輸出電壓、電流、高頻電源模塊輸出電流等測量信息；充電機(jī)充電模式的調(diào)整等控制信息[6]。②蓄電池BMS的狀態(tài)信息，主要有蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)、蓄電池組故障等狀態(tài)信息[7]；蓄電池組電壓、溫度、充電功率以及單體蓄電池電壓與荷電等測量信息。③電動汽車BMS連接充電機(jī)后的狀態(tài)回饋信息，包括電壓、電流等測量信息；充電槍狀態(tài)改變、插座門關(guān)門故障等狀態(tài)信息；過負(fù)荷、欠壓、過壓等保護(hù)信息和定值信息。

在Tiny4412搭載嵌入式Android系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)針對采集和數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序。對于充電站這樣強(qiáng)電磁環(huán)境、數(shù)據(jù)量不是特別大的場合，監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備之間通信推薦采用CAN總線通信[9]，連接主控板時，使用USB-CAN轉(zhuǎn)換接口即可。因?yàn)榍度胧紸ndroid系統(tǒng)的底層基于Linux操作系統(tǒng)，所以其串口設(shè)備連接之后的設(shè)備是以ttyUSBx來命名的。

如圖4所示，數(shù)據(jù)經(jīng)ttyUSBx設(shè)備采集之后，首先將保存在本地輕量化數(shù)據(jù)庫SQLite中，以便后期故障維修查找問題；然后系統(tǒng)將啟動另外一個子線程用于數(shù)據(jù)上傳，ZigBee采集設(shè)備作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，通過串口接收主控板輸出的數(shù)據(jù)，無線轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee匯集節(jié)點(diǎn)。

圖4 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送流程圖

在ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要確認(rèn)該子節(jié)點(diǎn)是否加入當(dāng)前有效范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程如圖5所示。上電后初始化Zigbee模塊硬件資源，包括通道、頻率、串口等；接著，發(fā)出網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)消息，若發(fā)現(xiàn)存在新網(wǎng)絡(luò)，則發(fā)出網(wǎng)絡(luò)加入請求，申請加入發(fā)現(xiàn)的新網(wǎng)絡(luò)；若收到加入成功應(yīng)答信標(biāo)，則更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并進(jìn)入低功耗狀態(tài)；如果加入失敗，則繼續(xù)發(fā)送申請信號，直到完成加入；最后，進(jìn)入低功耗模式后等待從串口傳來的數(shù)據(jù)，喚醒至工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)傳輸后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。

圖5 ZigBee子節(jié)點(diǎn)工作流程圖

在ZigBee匯集節(jié)點(diǎn)一端，對子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，由于每個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中都有一個短地址，該地址會隨著數(shù)據(jù)包作為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識進(jìn)行發(fā)送。匯集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS-DTU模塊，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

3 服務(wù)器端架構(gòu)與軟件設(shè)計

分析光伏充電站管理系統(tǒng)的功能需求，在Web服務(wù)器上設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了Web應(yīng)用，其功能包括：數(shù)據(jù)源寫入、充電樁監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、訂單管理、用戶管理、故障管理等功能。

Web應(yīng)用采用MVC模式，自頂向下分為表示層(View Layer)、業(yè)務(wù)邏輯層(Service Layer)和數(shù)據(jù)訪問層(Dao Layer)[10]，如圖6所示。

圖6 Web服務(wù)器端應(yīng)用框架

如圖7所描述，在瀏覽器與 Web 服務(wù)器之間，增加了Ajax引擎層，它同樣使用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，但摒棄了傳統(tǒng)的HTML+CSS數(shù)據(jù)交互形式，改而采用Json等輕量化數(shù)據(jù)交互形式，這樣就可使網(wǎng)頁從服務(wù)器請求少量的信息，大大削減了用戶與服務(wù)器之間的I/O，使得信息交互變得輕量化，用戶的體驗(yàn)更加流暢。這樣做的好處在于，在頁面展示端，用戶不用手動刷新頁面，即可接收到從后臺服務(wù)器傳回的最新數(shù)據(jù)。

圖7 傳統(tǒng)HTTP請求與Ajax請求的對比

圖8是充電站W(wǎng)eb在線監(jiān)控界面，在線監(jiān)測可以通過判斷狀態(tài)碼來實(shí)現(xiàn)對故障充電樁的識別，并記錄在故障表中備份。

圖8 充電站W(wǎng)eb在線監(jiān)控界面

為了讓用戶體驗(yàn)到更便捷的服務(wù)，設(shè)計用戶專用APP，完成在線查找充電樁、充電預(yù)約、導(dǎo)航等功能。如圖9，在用戶端APP中嵌入百度地圖引擎，方便用戶進(jìn)行充電樁的在線查找、預(yù)約等需求。其中的綠色Marker表示空閑可用，紅色Marker表示正在使用，灰色Marker表示出現(xiàn)故障停用。用戶點(diǎn)擊綠色Marker之后可以進(jìn)行下一步的預(yù)約操作。

圖9 用戶端APP界面

4 測試與結(jié)果分析

搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，對ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`包率和GPRS網(wǎng)絡(luò)時延兩個指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，測試地點(diǎn)為金花校區(qū)體育場。

模擬采集網(wǎng)絡(luò)包括3個采集節(jié)點(diǎn)、1個匯集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)分兩路輸出，一路與PC機(jī)之間通過RS-232方式相連，利用串口調(diào)試工具統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)包，另一路通過串口連接GPRS模塊，ZigBee設(shè)備的射頻中心頻率為2485MHz、發(fā)射功率為3dbm、串口波特率為115200 bps，接收天線靈敏度為-92dbm。為提高數(shù)據(jù)的可信度，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包1000個，每個測量點(diǎn)進(jìn)行了30次數(shù)據(jù)測量并取平均值。

表1 丟包率統(tǒng)計表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，丟包率指實(shí)際未接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)占總發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)的百分比。從表1中可以看出，當(dāng)距離在75m內(nèi)時，丟包率控制在0.86 %以內(nèi)，具有較高的可靠性；而當(dāng)距離在100m～150m時，丟包率明顯增大，無線信號傳輸質(zhì)量明顯下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)在75m范圍內(nèi)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。GPRS鏈路數(shù)據(jù)傳輸時延控制在2～3s以內(nèi)，具有較高的可靠性。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，該平臺基于ZigBee技術(shù)、GPRS-DTU技術(shù)、HTTP技術(shù)設(shè)計的直流充電樁無線傳感器數(shù)據(jù)采集方案，部署數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器，可以有效實(shí)現(xiàn)對該分布式系統(tǒng)的集中管控，克服充電站無人值守的問題。

系統(tǒng)投入使用后的數(shù)據(jù)量將日益增多，難以存儲在一臺機(jī)器上，研究人員可以利用Hadoop大數(shù)據(jù)平臺中的HDFS分布式文件系統(tǒng)組件對該平臺海量監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，利用Spark計算平臺進(jìn)行在線實(shí)時數(shù)據(jù)分析，尋找更加智能、高效的管理策略。

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Design of Real-time Web Monitoring Platform for Photovoltaic Charging Station

Xing Yuhua，Luo Linjie

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China)

With the extensive construction of photovoltaic charging station infrastructure, not only provided convenience for the electric vehicles users, but also brought great challenges for its management. In order to achieve more effective management of photovoltaic charging stations, based on the analysis of the data communication scheme of distributed photovoltaic charging station, this paper designs a kind of Web real-time monitoring platform. Based on ZigBee technology, GPRS-DTU technology and HTTP protocol in this platform, we designed DC charging pile wireless sensor data acquisition scheme, while deployed the database server and the Web server in order to overcome the problem of charging pile unattended, to achieve centralized control of distributed systems, and we designed Android APP for charging reservation users to monitoring, alerts and other functions to improve user experience. And the experimental verification of the system is carried out. After verification, the design scheme can realize the real-time data acquisition and Web centralized control of distributed PV charging station. Provides an effective technical solution for the unattended and remote monitoring of the charging stations.

photovoltaic charging station; distributed remote monitoring and control; data communication

2016-10-10；

2016-11-21。

邢毓華(1966-)，男，陜西省西安市人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方向的研究。

羅林潔(1991-)，男，陜西省寶雞市人，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0073-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.021

TP913.23

A