齊仁龍，楊緒華，李大海

(1.鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450064；2.戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)，河南鄭州 450002)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的消耗與日俱增，因此迫切需要尋找一種可持續(xù)開(kāi)發(fā)的清潔能源。太陽(yáng)能作為清潔能源的一種，其具有可再生、可循環(huán)使用以及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，得到全世界各個(gè)國(guó)家的廣泛關(guān)注[1]。太陽(yáng)能發(fā)電作為利用太陽(yáng)能的主要方式之一，其通過(guò)光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在蓄電池中。如何保證太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行是當(dāng)下研究的重點(diǎn)，系統(tǒng)創(chuàng)新性地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管控，可及時(shí)了解太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的工作情況，起到預(yù)防故障發(fā)生、提高發(fā)電效率的作用。本文設(shè)計(jì)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，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[2-3]。

1 系統(tǒng)概況

太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由傳感器數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置以及數(shù)據(jù)展示界面3部分組成[4]。數(shù)據(jù)采集裝置主要是通過(guò)各種傳感器采集太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程中太陽(yáng)的照射度、背板以及蓄電池的溫度等；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置是將接收到的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù)器中，與數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，與服務(wù)器通過(guò)4G傳輸方式連接；數(shù)據(jù)展示界面是將采集到的參數(shù)集中展示，便于了解太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的工作狀況，預(yù)防故障發(fā)送。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 基于DSP的數(shù)據(jù)采集裝置硬件設(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)主要是完成數(shù)據(jù)的采集和處理[5]，其硬件功能模塊如圖 2所示。硬件部分采用DSP單片機(jī)作為控制核心，將采集到的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備工作時(shí)的參數(shù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸方式發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置中。以太網(wǎng)通訊采用的是工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)控制芯片DP3848，硬件電路圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.1 太陽(yáng)輻射值檢測(cè)原理

太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程中是利用太陽(yáng)能輻照儀檢測(cè)太陽(yáng)的輻射值，是基于熱電效應(yīng)[6-7]，即熱接觸點(diǎn)在輻照儀的表面，冷接觸點(diǎn)在輻照儀的內(nèi)部，當(dāng)接收到光照時(shí)，內(nèi)外接觸點(diǎn)就會(huì)因溫度差異而產(chǎn)生一個(gè)電壓值，該電壓值與輻照儀受到的的光照成正比。在DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集輻照儀輸出的電壓值，根據(jù)相應(yīng)關(guān)系計(jì)算得出太陽(yáng)輻射值。

2.2 溫度檢測(cè)電路

系統(tǒng)需要測(cè)量太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程中儲(chǔ)能蓄電池和太陽(yáng)能電池板的溫度[8]，考慮到傳感器的性能、測(cè)溫范圍等特點(diǎn)，系統(tǒng)選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，其采用單總線的接口方式，與DSP連接僅需一根線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。DS18B20具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，量程在-55～+125 ℃之間，測(cè)量精度約0.5 ℃，完全符合系統(tǒng)的測(cè)量要求。系統(tǒng)采用2路溫度監(jiān)測(cè)電路分別測(cè)量蓄電池和太陽(yáng)能電池板的溫度，測(cè)量電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測(cè)電路圖

2.3 工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)傳輸電路圖

系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)口，1個(gè)以太網(wǎng)口用于與其他數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行環(huán)網(wǎng)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；另一個(gè)以太網(wǎng)口用于接入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置中[9]。系統(tǒng)采用的以太網(wǎng)控制芯片為工業(yè)級(jí)的DP3848，其工作溫度范圍在-40～85 ℃，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。以太網(wǎng)傳輸電路如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)傳輸電路圖

DP3848通過(guò)RMII總線通訊的方式與DSP進(jìn)行連接，DP3848作為物理層PHY芯片，主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的功能。通過(guò)J45網(wǎng)口與其他裝置進(jìn)行組網(wǎng)傳輸。

3 基于DSP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置一方面通過(guò)以太網(wǎng)通訊的方式接收來(lái)自各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，另一方面將接收到的數(shù)據(jù)打包通過(guò)4G傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心[10-11]。其中以太網(wǎng)采用總線控制，形成多路以太網(wǎng)復(fù)用，節(jié)約單片機(jī)的I/O資源，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的硬件框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置硬件框圖

3.1 4G傳輸電路

當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置通過(guò)以太網(wǎng)接收到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后，通過(guò)4G傳輸模塊將所有數(shù)據(jù)打包后統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中展示[12]。其中4G模塊選用ME909S-821 4G全網(wǎng)通無(wú)線通信模塊，其通過(guò)UART串口與TM4C129實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。通過(guò)TM4C129板卡上預(yù)留的接口直接將該模塊插入，4G傳輸電路圖如圖6所示。

圖6 4G傳輸電路

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置軟件設(shè)計(jì)2部分。其中傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、以太網(wǎng)傳輸程序、數(shù)據(jù)采樣程序以及相關(guān)算法等。傳感器數(shù)據(jù)采集裝置上電后，執(zhí)行各個(gè)傳感器的初始化操作，然后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理計(jì)算，最終通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置中。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置是將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G傳輸方式發(fā)送到服務(wù)器中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的軟件主要包括以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)控制程序、4G傳輸程序、定時(shí)中斷程序以及系統(tǒng)初始化程序等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置上電后首先進(jìn)行服務(wù)操作，然后單片機(jī)開(kāi)始搜索以太網(wǎng)組網(wǎng)是否完成，當(dāng)以太網(wǎng)組網(wǎng)完成開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，待接收完數(shù)據(jù)之后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

按以上軟硬件設(shè)計(jì)研制了基于工業(yè)以太網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，下面搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將太陽(yáng)能發(fā)電裝置置于日光下，監(jiān)測(cè)一天中設(shè)備的工作參數(shù)(包括太陽(yáng)輻射值、太陽(yáng)能電池板及蓄電池溫度等參數(shù))，監(jiān)測(cè)周期為6:00～18:00，共12 h。搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境之后，啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，系統(tǒng)每隔1 h進(jìn)行1次數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置中。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的參數(shù)以曲線的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其中圖9為太陽(yáng)能輻照儀測(cè)得的太陽(yáng)輻射值，表1為測(cè)得的太陽(yáng)能電池板和蓄電池的溫度。

圖9 輻照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以清楚地知道太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的各項(xiàng)工作參數(shù)，了解太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備所處的工作環(huán)境。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)界面中對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行閾值設(shè)定，當(dāng)上傳的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定相應(yīng)的閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)提醒相關(guān)工作人員進(jìn)行維護(hù)或檢修。

表1 太陽(yáng)能電池板及儲(chǔ)能蓄電池溫度 ℃

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備監(jiān)測(cè)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管控。通過(guò)采集太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)的外部數(shù)據(jù)，可以判斷出太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的工作狀況，為其檢修和維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。