物聯網的太陽能發電遠程監測系統設計

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(南京康尼電子科技有限公司，南京 210009)

引　言

隨著傳統能源的過度消耗帶來越來越嚴重的環境污染，為了解決能源消耗與環境污染的問題，新能源技術孕育而生，其作為解決這兩個問題的核心方案，它的發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，它的開發利用應該得到更多的重視。太陽能發電作為利用太陽能的一種形式，通過光電效應把太陽能轉換為電能，存儲在蓄電池中。太陽能發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，通過內部轉換電路，就可以直接把太陽能轉換成電能[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力度，提出以太陽能發電為基礎的“光明工程”，投入大量資金以及高端人才進行太陽能發電技術的研究。

隨著科學技術的快速發展，通信技術、傳感器技術、集成電路技術也相應的得到飛速發展，如何將這些新興科學技術應用到太陽能發電監測系統中，實現太陽能發電產業的智能化、產業化、信息化，是一個值得深入研究的課題。目前，太陽能發電技術相對成熟，且相關發電設備也日益完善。隨著物聯網的不斷發展、普及，各個領域都有它的一些應用，但是基于物聯網的太陽能發電監測系統卻發展緩慢，至今為止，都沒有物聯網應用在太陽能發電監測系統上成熟的案例。為了適應國內新型能源的飛速發展，將物聯網應用到太陽能發電系統中的要求也日益迫切，如果該套監測系統研發成功，將會推動太陽能發電產業的進一步發展,可以為太陽能發電產業提供更加有效、便捷的管理，對我國新能源事業的發展有著重要的促進意義。

1　太陽能發電監測系統總體設計

太陽能發電監測系統包括三個部分：感知層、網絡層和應用層。系統結構框圖如圖1所示。

圖1　太陽能發電監測系統結構框圖

首先，傳感器數據采集節點是該系統的最底層即感知層，其主要功能是完成節點數據的采集，例如采集太陽能發電過程中太陽的照射度、背板以及蓄電池的溫度等。

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

傳感器數據采集節點之間通過以太網的形式與主控節點進行通信，主控經過GPRS無線透傳模塊，利用無線3G的形式把數據發送到服務器上，遠程監測中心可以在服務器上實時查看各個太陽能發電陣列的工作情況。

2　傳感器數據采集節點硬件電路的設計

在太陽能發電監測系統中,傳感器數據采集節點主要完成傳感器的數據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作為傳感器數據采集節點的控制核心，它負責采集太陽輻照度、背板溫度、蓄電池溫度、環境溫濕度等相關參數，并通過以太網傳輸的方式把數據傳送給主控節點[5-6]。

圖2　傳感器數據采集節點硬件功能框圖

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，二者產生溫差電勢從而輸出一定范圍內的電壓值。在線性范圍內，太陽輻照度與輸出的電壓信號成正比關系。為了防止環境對輻照儀的損壞，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轉換引腳，根據電壓信號與太陽輻照度的對應關系，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

本系統選用單線數字溫度傳感器DS18B20來檢測太陽能發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雙向通信。單總線具有經濟性好，抗干擾能力強，使用方便，能適合于惡劣環境等特點。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，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保持為高電平，DS18B20采用的是外接電源的工作方式。

2.3　環境溫濕度傳感器接口電路

本系統采用SHT10傳感器來監測環境的溫濕度，其采用CMOsens專利技術將溫度濕度傳感器、A/D轉換器以及數字接口有效地結合在一起。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外圍電路及以太網通信電路的設計

主控芯片采用以Cortex-M4為內核的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，它內部含有以太網物理層(PHY)的10BASE-T/100BASE-TX以太網控制器以及12位模數轉換器(ADC)。不需要外界物理層芯片就可以實現以太網通信，電路圖如圖6所示。

圖6　TM4C129以太網通信電路的設計

3　主控節點硬件電路的設計

主控節點的功能主要是收集各個采集節點的數據，并把整合過的數據通過GPRS的方式發送給服務器，

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

3.1　主控制器以太網接口電路設計

主控制器與數據采集節點通過以太網的方式進行通信，主控芯片AM3352外接以太網物理層芯片LAN8720A來實現以太網通信的功能，其通過RMII接口方式與主控芯片連接，主控節點與數據采集節點之間通過以太網RJ45口進行連接，具體電路圖如圖8所示。

圖8　主控制器與采集節點以太網通信電路圖

3.2　GPRS無線透傳模塊電路設計

圖9　GPRS透傳模塊電路圖

由于不同太陽能發電陣列之間相隔較遠，本系統采用無線的方式進行數據交互傳輸[7]。無線GPRS模塊通過自身攜帶的串口實現與服務器之間的無線數據交互。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 發送 AT 指令集來控制M22 的狀態設置、網絡連接及數據的發送與接收。

4　軟件設計

圖10　　　　數據采集節點軟件流程圖

數據采集節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度。節點上電之后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據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、環境溫濕度傳感器的值，，最后把采集到的數據通過以太網通信的方式傳輸給主控節點，軟件流程圖如圖9所示。

主控節點主要作用是收集、采集節點的數據，并把數據打包發送至服務器網絡，首先主控節點完成自身的初始化工作，其次等待接收各數據采集節點發送來的數據，接收完成數據之后，把數據打包通過GPRS的方式發送至服務器網絡中，其軟件流程圖如圖10所示。

圖11　　　　主控節點軟件流程圖

5　實驗數據分析

按圖1方式搭建好實驗平臺后，開始對系統進行驗證，以一個太陽能發電陣列為分析對象，把實時監測白天12小時(6:00～18:00)系統得到的數據為分析依據，將時間作為橫坐標，實時輻照度、溫度、濕度作為縱坐標，把實時數據以曲線的形式顯示出來，將太陽能發電陣列的工作狀態直觀地顯示出來。太陽能輻照儀測得實時數據如圖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　輻照度實時數據曲線圖

圖13　背板溫度實時數據曲線圖

圖14　蓄電池溫度實時數據曲線圖

圖15　環境濕度實時數據曲線圖

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

結　語

通過實驗可以看出，該系統可以實現太陽能發電過程中各個發電陣列數據的實時采集、監測等功能。工作人員可以根據PC端顯示的實時數據，及時了解太陽能各個發電陣列的工作情況，便于維護和檢修。后續可以繼續在網絡端進行深度優化和開發，可以開發手機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電陣列的工作情況，方便快捷，使得新能源應用技術的發展更具系統化、智能化。