嚴莉莉，榮世鎣，張 洋，范世龍，曹司佳

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

光伏電站是由成片的光伏電池組件組成的。光伏電站工作的穩(wěn)定性和輸出功率與每一塊光伏電池組件的工作狀態(tài)相關(guān)。如何對電站的每一塊光伏組件進行監(jiān)測是維持光伏電站正常工作首要解決的問題。

由于光伏電站的電池組件大多安裝在遠離城市且光照較好的空曠地區(qū)，對它們運行狀態(tài)的實時監(jiān)測當(dāng)前主要有以下兩種方法：

（1）現(xiàn)場直接監(jiān)測：即直接監(jiān)測每塊電池組件的運行參數(shù)，再傳遞給上位機進行數(shù)據(jù)分析和判斷。這種方法布線麻煩，而且擴容不便。

（2）無線遠程監(jiān)測：即利用無線傳輸技術(shù)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心的上位機，監(jiān)控中心與電池組件的距離可以達幾十米到十幾公里。這樣就解決了電站維護人員每天跑路維護電池組件的問題。當(dāng)某個電池板出現(xiàn)故障時，監(jiān)測中心平臺會出現(xiàn)告警提示，維護人員前往現(xiàn)場查看、解決。

從以上兩種監(jiān)測方法可以看出，利用無線傳輸技術(shù)實時對光伏電池組件運行參數(shù)進行監(jiān)測明顯優(yōu)于現(xiàn)場直接監(jiān)測。

本文提出了一種基于LoRa無線傳輸技術(shù)的光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，這種方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電池組件參數(shù)的實時監(jiān)測，還能進行歷史數(shù)據(jù)的存儲及分析，而且也有利于節(jié)省電站的維護費用。

1 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要由微控制器、溫濕度傳感器、無線通信模塊和上位機構(gòu)成。傳感器主要負責(zé)采集光伏電池板組件所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，微控制器將傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)、組件輸出電壓和電流參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給安裝在上位機的接口模塊，在上位機利用LabVIEW軟件開發(fā)監(jiān)控平臺，可以實時顯示各終端傳感器節(jié)點采集的參數(shù)。

圖1 光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 電池組件參數(shù)的采集及傳輸

2.1 微控制器的選擇

下位機使用的控制器主要負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、光伏組件輸出電壓和電流參數(shù)的采集，以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。選型過程中主要從數(shù)據(jù)處理的速度、穩(wěn)定性和性價比等方面考慮。目前，市場上主流的微控制器主要有51系列、PIC系列、AVR系列、MSP430系列、STM32系列。51系列的微控制器為8位CPU，處理速度慢，存儲器容量較小，適合于對速度要求不高的場合。PIC系列微控制器抗干擾性能好，集成的模塊多，多用于工業(yè)級應(yīng)用。AVR系列集合了PIC系列和51系列的優(yōu)勢，性價比高，多用于儀器和通信方面。MSP430系列是16位超低功耗的混合信號處理器，但相關(guān)資料較少。STM32系列單片機于2007年由意法半導(dǎo)體公司發(fā)布，它基于ARM公司出品的Cortex-M3內(nèi)核，具有32位CPU超高處理速度，且功耗低，目前被廣泛應(yīng)用。

綜合以上信息，本監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機微控制器選擇使用STM32系列中的STM32F103ZET6型號。

2.2 溫濕度數(shù)據(jù)的采集

由于光伏電池組件需要在外界環(huán)境中工作，因此會遭遇高溫、高濕的環(huán)境變化，而這些惡劣的環(huán)境會導(dǎo)致太陽能電池板損壞。所以無論對光伏電池組件所處環(huán)境的溫濕度還是組件自身的溫度進行監(jiān)測，都很有必要。光伏組件工作的環(huán)境溫度一般為-40～43 ℃，在光照充足的地區(qū)，夏天當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時，安裝在屋頂?shù)墓夥M件背板的溫度可達63 ℃。根據(jù)以上光伏組件工作時溫濕度的相關(guān)參數(shù)，本系統(tǒng)選用DHT22溫濕度傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的監(jiān)測，而且DHT22是數(shù)字化溫濕度傳感器，在硬件設(shè)計上，可以直接與微控制器接口[1]。

DHT22溫濕度傳感器又稱為AM2302，它采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比高、體積小、功耗低等特點。DHT22測量溫濕度的范圍為：濕度0～99.9%RH（±2%RH），溫度-40～+80 ℃（±0.5 ℃）。

DHT22是單總線數(shù)據(jù)格式，采用4針單排的封裝形式。驅(qū)動只需3根線：電源線、信號線和地線，供電電壓為3.3～6 V，與STM32的狀態(tài)交互和數(shù)據(jù)傳輸只需要將DATA引腳與STM32的I/O引腳連接即可。

DHT22的數(shù)據(jù)格式為40位數(shù)據(jù)，即16位濕度數(shù)據(jù)、16位溫度數(shù)據(jù)、8位校驗和。與STM32進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要嚴格的時序控制，首先需要完成設(shè)備之間的應(yīng)答，當(dāng)STM32向DHT22發(fā)送至少500 μs的低電平開始信號后，拉高數(shù)據(jù)總線，等待20～40 μs后，開始檢測DHT22的響應(yīng)信號。DHT22的響應(yīng)信號是一個約80 μs的低電平，之后DHT22拉高數(shù)據(jù)總線保持約80 μs的高電平，最后進行40位數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 光伏電池組件輸出電壓電流的采集

光伏電池組件由不同規(guī)格或數(shù)量的單個太陽能電池片組合構(gòu)成，因此光伏電池組件的功率、輸出電壓和電流與構(gòu)成它的單個太陽能電池片數(shù)量有關(guān)。

光伏電池組件的主要電參數(shù)有：最大輸出功率、最大輸出工作電壓、最大輸出工作電流、開路電壓和短路電流。由于光伏電池組件尺寸不同，最大輸出功率從幾瓦到幾百瓦不等。單個電池片的輸出電壓約0.5 V，如果內(nèi)部采用串聯(lián)方式，則電池組件的輸出電壓為0.5 V乘以電池片的數(shù)量。通常電池板電壓為18 V、36 V，分別用于12 V、24 V離網(wǎng)系統(tǒng)。

無論光伏電池組件輸出的工作電壓和電流是多少，如果要用STM32系列單片機實現(xiàn)電壓的數(shù)字化測量，就需要對電池組件的輸出電壓做分壓處理，才能送達單片機引腳。

本監(jiān)測系統(tǒng)針對輸出電壓不超過36 V、輸出電流不超過4.5 A的光伏電池組件進行電壓采集前，先對其進行降壓處理，使其降到STM32的電壓范圍內(nèi)之后再采集；電流采集前先通過0.1 Ω的康銅絲采樣電阻將其轉(zhuǎn)換成電壓，放大之后再進行采集。本監(jiān)測系統(tǒng)處于測試階段，為方便調(diào)試，用穩(wěn)壓電源的輸出代替光伏電池組件的輸出，程序處理時，再進行相應(yīng)放大[2-4]。

STM32F103ZET6芯片具備3個內(nèi)置的ADC控制器，每個ADC均為12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。所以在硬件設(shè)計上，可以直接將轉(zhuǎn)換后的電壓信號接入STM32的I/O引腳，不必再外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡化了硬件設(shè)計。實驗室搭建的測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 實驗室搭建的溫濕度、電壓電流采集環(huán)境

2.4 基于LoRa技術(shù)的參數(shù)傳遞

本監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計中的難點就是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。當(dāng)前市面上近距離無線傳輸模塊主要有藍牙、ZigBee、WiFi、LoRa。在選擇無線傳輸模塊時，主要考慮傳輸距離和功耗。藍牙是一種通用的短距離無線電技術(shù)；WiFi無線技術(shù)主要為移動設(shè)備接入LAN（局域網(wǎng)）、WAN（廣域網(wǎng)）以及互聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計，一般應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸量較大的場合，傳輸距離為100～300 m；ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，傳輸距離為10～100 m。LoRa即遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa），它最大的優(yōu)勢就是在功耗相同的條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了遠距離和低功耗的統(tǒng)一，其典型范圍為2～5 km，最長距離可達15 km，常用于大型工廠和林區(qū)等。

由于光伏電池組件一般安裝在空曠地區(qū)，在對它的運行情況進行監(jiān)控時，往往希望能夠在幾公里之外實現(xiàn)實時監(jiān)控，避免維護人員來回奔波?；谶@個原因和以上幾種無線傳輸技術(shù)的比較，本監(jiān)測系統(tǒng)選用LoRa技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸[5-7]。

本監(jiān)測系統(tǒng)選用的LoRa模塊為ATK-LORA-01，工作頻率為410～441 MHz，模塊通過一個1×6的排針同外部電路連接。LoRa模塊在使用時，兩個模塊配對使用。本監(jiān)測系統(tǒng)中，一個LoRa模塊與STM32單片機連接，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)；另一個模塊與上位機連接，接收下位機傳送的數(shù)據(jù)。LoRa模塊的數(shù)據(jù)格式包括透明傳輸、定向傳輸、廣播與數(shù)據(jù)監(jiān)聽。本次在程序設(shè)計中使用透明傳輸模式。

與上位機連接的LoRa模塊需要使用一個TTL轉(zhuǎn)USB模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能，再與上位機USB口連接。實物連接如圖3所示。

圖3 上位機與LoRa的連接

3 基于LabVIEW的上位機監(jiān)控程序設(shè)計

3.1 上位機接收數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)上位機程序需要實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)和組件電壓、電流數(shù)據(jù)的實時顯示和波形顯示、數(shù)據(jù)存儲，所以需要一個良好的人機交互界面。LabVIEW軟件是一種圖形化的編程語言，具有豐富的前面板控件，方便開發(fā)出良好的人機交互界面。所以本監(jiān)測系統(tǒng)采用LabVIEW軟件開發(fā)上位機監(jiān)測程序。

LoRa接收模塊已經(jīng)通過TTL轉(zhuǎn)USB模塊與上位機連接，所以上位機程序首先要實現(xiàn)從USB口接收數(shù)據(jù)。在LabVIEW中可以利用VISA節(jié)點進行串行通信編程，LabVIEW將這些VISA節(jié)點單獨組成一個子模塊，共包含8個節(jié)點，分別實現(xiàn)初始化串口、串口寫、串口讀、中斷以及關(guān)閉串口等功能[8-10]。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

上位機的監(jiān)控界面由采集界面、波形界面、數(shù)據(jù)存儲界面組成。采集界面如圖4所示，主要是對串口的設(shè)置和采集參數(shù)的實時數(shù)字化顯示和指針式顯示，只顯示當(dāng)前時刻的值。圖形界面如圖5所示，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的波形顯示，方便觀察變化趨勢。數(shù)據(jù)存儲界面如圖6所示，可以將組件的運行參數(shù)進行文件保存，方便后期分析。

圖4 上位機監(jiān)控界面——采集界面

圖5 上位機監(jiān)控界面——圖形界面

圖6 上位機監(jiān)控界面——存儲界面

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于LoRa無線傳輸技術(shù)的光伏組件參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，可以減少光伏電站在日常維護過程中的人力投入，實現(xiàn)光伏電站的遠程監(jiān)控。應(yīng)用LabVIEW開發(fā)的遠程運行監(jiān)控程序不僅具有良好的交互界面，還能夠?qū)崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲。在本系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，只需增加采集節(jié)點便可以方便實現(xiàn)系統(tǒng)擴容與多點監(jiān)測。