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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)利用應該得到更多的重視。太陽能發(fā)電作為利用太陽能的一種形式，通過光電效應把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，存儲在蓄電池中。太陽能發(fā)電的核心部件是光電半導體二極管，當太陽光照射在光電二極管上時，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路，就可以直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能[2]。

我國一直都非常重視對太陽能的研究利用，對太陽能電池的研究也是我國的重大課題。近幾年，在太陽能的研究上更是增加了研發(fā)力度，提出以太陽能發(fā)電為基礎的“光明工程”，投入大量資金以及高端人才進行太陽能發(fā)電技術(shù)的研究。

隨著科學技術(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)也相應的得到飛速發(fā)展，如何將這些新興科學技術(shù)應用到太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的智能化、產(chǎn)業(yè)化、信息化，是一個值得深入研究的課題。目前，太陽能發(fā)電技術(shù)相對成熟，且相關(guān)發(fā)電設備也日益完善。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展、普及，各個領(lǐng)域都有它的一些應用，但是基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)卻發(fā)展緩慢，至今為止，都沒有物聯(lián)網(wǎng)應用在太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)上成熟的案例。為了適應國內(nèi)新型能源的飛速發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)應用到太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的要求也日益迫切，如果該套監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)成功，將會推動太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展,可以為太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)提供更加有效、便捷的管理，對我國新能源事業(yè)的發(fā)展有著重要的促進意義。

1　太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)包括三個部分：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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

其實，主控節(jié)點組成了該系統(tǒng)的網(wǎng)絡層，它的主要功能是接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)處理后打包通過GPRS的方式發(fā)送到服務器中。最后，遠程監(jiān)測中心構(gòu)成了該監(jiān)測系統(tǒng)的應用層，它的主要功能是實時監(jiān)測太陽能發(fā)電陣列的工作情況，可以及時了解各個傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點是否處于正常工作，還可以存儲主控節(jié)點發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，利用C#語言編寫上位機界面，提供友好的人機交互界面，來實現(xiàn)對太陽能發(fā)電陣列的遠程監(jiān)測。

傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間通過以太網(wǎng)的形式與主控節(jié)點進行通信，主控經(jīng)過GPRS無線透傳模塊，利用無線3G的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器上，遠程監(jiān)測中心可以在服務器上實時查看各個太陽能發(fā)電陣列的工作情況。

2　傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件電路的設計

在太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中,傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點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TM4C129作為傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點的控制核心，它負責采集太陽輻照度、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[5-6]。

圖2　傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件功能框圖

2.1　太陽能輻照儀接口電路的設計

本系統(tǒng)利用TBQ-2C型號的太陽能輻照儀來測量太陽輻射值，其實物圖如圖3所示。其工作原理為熱電效應原理，熱接點在感應面上，而冷接點則位于儀器內(nèi)，二者產(chǎn)生溫差電勢從而輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。在線性范圍內(nèi)，太陽輻照度與輸出的電壓信號成正比關(guān)系。為了防止環(huán)境對輻照儀的損壞，對特殊工藝加工而成的雙層石英玻璃罩加以防護。最后把太陽能輻照儀輸出的電壓信號接入單片機的A/D轉(zhuǎn)換引腳，根據(jù)電壓信號與太陽輻照度的對應關(guān)系，計算出太陽輻照度。

圖3　太陽能輻照儀實物圖

2.2　溫度傳感器接口電路的設計

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來檢測太陽能發(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 TM4C129連接時，僅需要一條接口線即可實現(xiàn)雙向通信。單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，使用方便，能適合于惡劣環(huán)境等特點。除此之外，它的測量溫度范圍較寬，一般為-55～+125 ℃，在-10～+85℃的范圍內(nèi)，其精度可達到 0.5℃。其與單片機的接口電路如圖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、響應速度快、性價比高等特點。它可以測量相對濕度的范圍為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，這樣便于與TM4C129的引腳直接相連，可直接與單片機引腳連接來測量環(huán)境中的相對濕度和溫度。其具體電路如圖5所示,通過不同的控制命令來實現(xiàn)溫濕度的測量，測量溫度命令代碼為“0000 0011”，測量濕度命令代碼為“0000 0101”。

圖5　SHT10與單片機連接電路圖

2.4TM4C129外圍電路及以太網(wǎng)通信電路的設計

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閃存存儲器，256 KB SRAM，主頻高達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)通信電路的設計

3　主控節(jié)點硬件電路的設計

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

主控節(jié)點有兩個作用：一是接收來自數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)；二是將接收到的數(shù)據(jù)在內(nèi)部進行處理之后，通過GPRS的形式發(fā)送到服務器中。主控節(jié)點還可以通過有線RS485的方式與PC機進行通信、通過以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)采集節(jié)點通信、通過GPRS無線透傳模塊將數(shù)據(jù)采集節(jié)點的信息發(fā)送至服務器，再通過服務器連接到遠程監(jiān)測中心。主控節(jié)點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)點硬件電路功能框圖

3.1　主控制器以太網(wǎng)接口電路設計

主控制器與數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過以太網(wǎng)的方式進行通信，主控芯片AM3352外接以太網(wǎng)物理層芯片LAN8720A來實現(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)點與數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間通過以太網(wǎng)RJ45口進行連接，具體電路圖如圖8所示。

圖8　主控制器與采集節(jié)點以太網(wǎng)通信電路圖

3.2　GPRS無線透傳模塊電路設計

圖9　GPRS透傳模塊電路圖

由于不同太陽能發(fā)電陣列之間相隔較遠，本系統(tǒng)采用無線的方式進行數(shù)據(jù)交互傳輸[7]。無線GPRS模塊通過自身攜帶的串口實現(xiàn)與服務器之間的無線數(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 卡座的對應引腳相連。AM3352 通過串口 UART1 發(fā)送 AT 指令集來控制M22 的狀態(tài)設置、網(wǎng)絡連接及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

4　軟件設計

圖10　　　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點主程序首先要完成TM4C129單片機的初始化工作，然后要負責控制其他軟件模塊的運行調(diào)度。節(jié)點上電之后TM4C129單片機開始運行主程序，完成各個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，軟件流程圖如圖9所示。

主控節(jié)點主要作用是收集、采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)打包發(fā)送至服務器網(wǎng)絡，首先主控節(jié)點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)送至服務器網(wǎng)絡中，其軟件流程圖如圖10所示。

圖11　　　　主控節(jié)點軟件流程圖

5　實驗數(shù)據(jù)分析

按圖1方式搭建好實驗平臺后，開始對系統(tǒng)進行驗證，以一個太陽能發(fā)電陣列為分析對象，把實時監(jiān)測白天12小時(6:00～18:00)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，將時間作為橫坐標，實時輻照度、溫度、濕度作為縱坐標，把實時數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來，將太陽能發(fā)電陣列的工作狀態(tài)直觀地顯示出來。太陽能輻照儀測得實時數(shù)據(jù)如圖11所示，背板溫度傳感器測得的實時溫度如圖12所示，蓄電池溫度傳感器測得的實時溫度如圖13所示，環(huán)境溫濕度傳感器測得的實時濕度如圖14所示。

圖12　輻照度實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖13　背板溫度實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖14　蓄電池溫度實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖15　環(huán)境濕度實時數(shù)據(jù)曲線圖

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

結(jié)　語

通過實驗可以看出，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)太陽能發(fā)電過程中各個發(fā)電陣列數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)測等功能。工作人員可以根據(jù)PC端顯示的實時數(shù)據(jù)，及時了解太陽能各個發(fā)電陣列的工作情況，便于維護和檢修。后續(xù)可以繼續(xù)在網(wǎng)絡端進行深度優(yōu)化和開發(fā)，可以開發(fā)手機APP等一些應用程序，在智能手機端便可以實時查看太陽能發(fā)電陣列的工作情況，方便快捷，使得新能源應用技術(shù)的發(fā)展更具系統(tǒng)化、智能化。