基于GPRS技術的光能發電智能監控檢測系統的研究與設計

袁曉平，劉慧慧

(鄭州工業應用技術學院 信息工程學院，河南 新鄭 451100)

隨著傳統消耗型能源的過度開采使用和環境污染越來越嚴重，清潔型能源備受青睞，光能發電作為新能源技術得到了越來越多的推廣使用.光能發電系統是利用光能與電能轉換技術的半導體二極管，實現電能的傳輸與存儲.當陽光照射在光電轉換二極管上時，通過內部的光電轉換電路實現光能與電能的轉換[1].

基于GPRS的光能發電智能監控檢測系統將無線通訊GPRS技術、無線傳感數據采集技術和集成電路技術運用到光能發電智能監控檢測系統中，為光能發電產業提供了高效、快捷、穩定和準確的新型管理手段，大大促進了智慧電網和智能電力系統的信息化發展[2].

1 光能發電智能監控檢測系統總體 設計

光能發電智能監控檢測控制系統主要包括3部分：①數據采集感知層.該層通過數據采集節點實現太陽光的輻射量、能量采集板面的溫度值、光電轉換效率和發電率等數據的采集與存儲;②主控節點網絡層.該層主要實現底層數據采集層的數據壓縮與上傳，通過無線GPRS技術將打包數據傳輸至總數據服務器節點進行存儲與分析;③智能監控檢測中心應用層.該層能夠檢測數據采集節點的工作異常與否，通過數據服務器實現采集數據的接收與存儲和實時警告智能發電系統的光電轉換二極管的工作狀態，從而達到對整個光能發電系統的實時智能監控檢測[3].該光能發電智能檢測控制系統的總框架如圖1所示.

圖1 光能發電智能監控檢測控制系統總框架

數據采集層與主控陣列節點利用二層局域網的方式進行數據互通，主控陣列通過GPRS無線通訊方式實現數據上傳，智能監控檢測中心通過服務器實時監測光能發電系統的整體工作狀態

2 主控節點網絡層硬件系統設計

發電監測系統的主控陣列采用AM3352嵌入式芯片，實現傳感層采集的數據存儲，并通過壓縮后數據使用無線技術傳輸至監控中心的數據服務器，其功能主要包含兩部分[4]：①自動采集傳感層的數據，通過以太網通訊技術實現數據采集節點與主控陣列之間的數據上傳與下發；②將數據通過無線GPRS模塊傳送至數據服務器進行存儲與分析.主控陣列的通訊節點包含RS485與上位機的交互、GPRS無線通訊上傳數據服務器和以太局域網模式與采集傳感層的數據交互3種接口類型.主控陣列硬件電路框架如圖2所示.

圖2 主控陣列硬件電路圖

2.1 主控制器的以太局域網通信電路設計

主控芯片與感知層通過局域網的方式實現數據交互，主控制器AM3352與局域網芯片LAN8710A實現短距通訊并通過RMII接口與主控制器數據互通.主控制器與感知采集層通過ETH_MDIO和ETH_MDC實現數據的上傳與下載[5].主控芯片以太局域網的電路連接如圖3所示.

圖3 主控芯片與感知采集層的電路連接電路圖

2.2 GPRS無線通訊電路設計

光能發電主控陣列節點與光能發電智能監控中心之間距離較遠，二者數據交互采用GPRS無線通信的方式實現數據傳輸與下傳，GPRS模塊通過UART0RX與UART0TX串口實現主控陣列節點與監控中心數據服務器的數據對接[6].控制芯片AM3352通過串口控制GPRS的網絡狀態與采集數據的傳送與存儲.GPRS無線通訊模塊M22與SIM CARD的電路連接設計如圖4所示.

圖4 GPRS無線通訊電路模塊設計

3 數據采集感知層硬件系統設計

數據采集感知層主要包括兩部分：①傳感器模塊：主要包括光能輻照儀、背板溫度傳感器、蓄電池溫度傳感器和溫濕度傳感器，為光能發電監測系統的數據感知與采集提供硬件模塊；②數據采集主控芯片：嵌入式芯片TM4C129實現光能發電監測系統的數據感知與采集，包括各類溫濕度、光照強度和蓄電池等數據參數，并通過局域網實現數據的傳輸[7].數據采集感知層硬件系統如圖5所示.

圖5 數據采集感知層硬件系統框圖

3.1 光照輻射儀

智能發電監測系統中，光照輻射儀MS-711通過光照感知點和冷接觸點的溫差電勢，產生線性光輻射值與電壓信號的正比關系，用來測量光能照射強度值[8].電壓信號通過A/D轉換接口，結合電壓值與光照強度，得出當前時間的陽光照射量值.本系統采用的光照輻射儀MS-711實物如圖6所示.

3.2 背板與蓄電池溫度傳感電路

智能發電監測系統中，硬件溫度數據采集包括光照背板溫度和電能存儲電池溫度兩個參數.傳感器硬件采用多線程型號DS18B20，該傳感器可通過I/O接口與主控芯片TM4C129聯結，實現多線程的溫度數據上傳.該芯片采用5 V外接電池方式供電，溫度傳感器的硬件電路連接線路如圖7所示.

圖6 光照輻射儀實物圖

圖7 溫度傳感器接口電路圖

3.3 監測系統環境傳感電路設計

智能發電監測系統的環境溫濕度數據采集使用的是型號SHT10，可以同時實現光能發電環境中溫度和濕度數據的實時采集.該傳感器通過SCK與DATA接口與主控制芯片TM4C129相連，可以實時將發電環境中的溫度和濕度參數傳至感知層主控芯片進行處理.環境溫濕度數據采集電路連接設計如圖8所示.

圖8 監測系統環境傳感電路設計

3.4 主控芯片外圍電路和以太網電路連接設計

主控制器TM4C129內部電路包括了10/100 M以太網通訊接口，該物理結構自帶以太網通信，無需外接以太網通信芯片即可完成局域網的數據傳輸通信.主控制器的以太網通信電路及相關外圍電路連接如圖9所示.

4 系統軟件設計與系統實驗測試

4.1 智能發電監測系統軟件流程設計

感知層數據采集節點的主程序首先完成采集TM4C129系統的初始化和模塊初始化，同時協調各類軟件模塊的正常運行.初始化之后，感知層數據采集程序實現系統溫度參數、環境溫濕度參數和光照輻射值的采集，通過網絡層實現數據的處理并傳送至主控陣列節點.主控陣列節點的主程序主要實現系統初始化和接收底層數據的功能開啟，并將采集到的數據實現數據的預處理和數據的網絡發送等功能，該傳送方式主要通過GPRS無線傳輸技術實現數據的上傳功能.數據采集感知層和主控陣列網絡傳輸層軟件流程如圖10～圖11所示.

圖9 主控芯片外圍電路及以太網連接電路

圖10 數據采集感知層軟件流程

圖11 主控陣列節點軟件流程

4.2 系統測試

以一個光能發電陣列節點作為對象，實時監控檢測12 h(早晨6點至晚上6點)系統數據，將各類參數(光照強度、背板溫度、蓄電池溫度和環境溫濕度)以實時數據曲線的形式在PC界面進行展示.各類參數曲線如圖12～圖15所示.

通過采集數據的實時曲線變化，智能監測系統可以準確判斷光能發電系統是否正常工作.當實時曲線在合理的區間范圍波動時，可以認定系統正常工作.當某一個或多個參數出現波動范圍不在正常的示值范圍時，系統則發出警報判斷發電系統出現故障.系統測試結果表明，光能發電智能監測系統完成了發電陣列數據的實時監測與采集，應用層可以根據實時數據曲線圖判斷發電系統的工作情況，提供了發電系統的維護效率.

圖12 光照強度實時數據

圖13 背板溫度實時數據曲線圖

圖14 蓄電池溫度實時數據

圖15 環境濕度實時數據曲線圖

5 結語

基于GPRS技術的光能發電智能監測系統，通過數據采集感知層的硬件系統設計與軟件系統設計，實現了光照輻射強度、背板和蓄電池溫度和環境溫濕度參數的實時采集與上傳，通過主控陣列節點的無線GPRS和以太網實現了數據處理與遠程無線傳輸至應用層服務器的功能.該智能監測控制系統實現了光能發電系統各類參數的實時數據參數采集，為光能發電提供了維修和維護的實時操作，大大提升了智能電力的管理水平和維護效率.