风光互补发电系统蓄电池动态参数的无线通信

陈治国，韦文生，夏 鹏，金将溢

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

风光互补发电系统蓄电池动态参数的无线通信

陈治国，韦文生††，夏 鹏，金将溢

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

给出了一种风光互补发电系统蓄电池动态数据采集和无线通信的方法．针对蓄电池充放电的电压、电流及温度等参数，设计了硬件电路并编写了上位机软件，用NRF2401芯片进行实时数据采集与无线传输，分析了NRF2401芯片的无线通信工作程序和信号调制解调办法，完成了风光互补发电系统蓄电池动态参数的监测和存储．

风光互补发电系统；蓄电池；NRF2401芯片；无线数据通信

风光互补发电系统作为独立电源，架设调试简单，可靠性好，成本较低，适合于边远通信基站、海岛房屋等远离大电网场所的电力供应．该系统利用风能和太阳能发电，通过控制蓄电池的充放电，再经过逆变器给负载供电．风光互补发电系统一般采用性价比较高的铅酸蓄电池作为储能装置，为了保证系统能够稳定工作，对蓄电池的充放电必须进行实时严格控制．因此，需要对蓄电池充放电的电压、电流及温度等参数进行实时采集并传送到监控中心进行处理分析，以掌握系统的实时运行情况，作出处置．通常使用RS485进行数据采集[1]，采用CAN总线方式将数据传送至监控中心，但是线路易老化，维护困难，不利于工业现场应用．也有的利用GPRS DTU进行数据传输[2]，它通信可靠稳定、传输距离长、范围广，但成本昂贵，后期运作费用高．本文采用的基于NRF2401的无线监测传输[3-4]，通信距离达50米，原则上NRF2401的接收频道地址40位，可以支持240个发射模块，但考虑到数据采集的实时性，现场风光互补系统数量有限，本系统可最多同时支持10个发射模块，与有线传输监测相比，省去了大量的布线，且具有在短距离范围内信号传输速率快且稳定、组网方式灵活、通信协议简单、易于拓展、维护管理方便、成本较低等优点．

本课题主要研究离网风光互补发电系统的远程实时监控，以保障边远地区、海岛等通信基站、房屋的电力供应．通过NRF2401数据采集与无线传输方案，将室外的风光互补发电系统的实时运行参数传回到室内的接收端，在上位机监测软件显示及后台存储．该无线监测系统依附于通信基站，可将多个分散的风光互补发电系统的实时监测数据通过网络汇集到数据库，实现远程监控．

1 风光互补发电系统蓄电池充放电动态参数采集与无线传输方案

如图1所示，风光互补发电系统中，信号的采集与接收装置主要包括两个部分：信号采集与无线发射部分，无线接收与监测部分[3]．信号采集部分包括针对蓄电池组的电流、电压以及温度进行采集的传感器元件，无线发送部分包含单片机和多个无线发射模块．无线接收与监测部分包括单个无线接收模块和用于显示监测数据的上位机软件．系统的工作原理：在风光互补发电系统的蓄电池组上安装相应的电压、电流及温度传感器，通过单片机对传感器采集到的模拟信号进行A/D转换，将得到的数字信号通过单片机的SPI接口传输给无线发射单元进行数据发射；在接收端，无线接收单元收到有效数据后传送给单片机，单片机通过USB转串口线与监测计算机的监测软件进行数据串口通信，用户可以在监测软件的用户界面上观察采集到的实时数值．

图1 风光互补发电系统蓄电池充放电动态参数采集与无线传输方案框图

电子元器件、集成模块等的选择将直接关系到无线传输系统运行的性能及稳定性．下面综合考虑成本、能耗、稳定性、简便性等方面因素对系统中涉及到的主要器件进行筛选，以使无线传输系统工作效率达到最优．

1.1 器件选择

1.1.1 电压采集器件

图2 电压互感器电路

电压互感器可以选取简单的分压电阻，电阻精度1%的几十kΩ的金属膜电阻即可．对于蓄电池输出端电压的测量，如图2所示，利用电压互感器进行分压后，经过同相比例放大器将电压变化到一定范围内，引入到单片机内置的A/D输入通道，再由单片机分析处理后得到实际的电压．被测电压端接入需要测量的蓄电池端电压，VIN端接入单片机A/D输入通道．单片机A/D采样输入要求2.2 V以内，图2中电阻分压采用100 kΩ和5 kΩ使运放正相输入端电压在24 V × 5 / (100 + 5) = 1.2 V左右，图2中VIN最大输出电压1.2 V × (10 + 8) / 10 = 2.2 V，满足单片机输入端要求．

1.1.2 电流采集器件

此处采用ACS712模块作为具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，它是通过将磁性信号靠近霍尔传感器实现电流精确测量的器件．将它应用于直流电流感测中，使得本系统具有低损耗、精确度高、抗干扰能力强的特点．对于蓄电池电流的测量，如图3所示，将要进行电流检测的线路串联进IP+、IP-针脚，输出接到单片机另一个A/D输入通道，再由单片机分析处理后得到实际的电流．这里利用电流传感器的Vo管脚分压是因为输出要求为2.5 V –5 V，为此配置30 kΩ和20 kΩ的电阻，使单片机最大输入电压5 V × 2 / (2 + 3) = 2 V．这里，A/D采样之后再进行软件滤波——平均值滤波，以去除因数据在平均值上下波动的干扰．

图3 电流传感器电路

1.1.3 温度采集电路

铅酸蓄电池容易对测温元件造成腐蚀，这就要求应尽可能采用抗腐蚀器件，可选用MCP9700作为测温传感器．MCP9700的工作电压为5 V，温度测量范围为– 40 – 125℃，在0 – 70℃范围内，最大误差为± 4℃，它的电压信号输出T_AD端口可直接与A/D转换器连接，不需要另外的信号处理电路．温度检测模块如图4．

图4 温度检测模块MCP9700

1.1.4 无线通信器件的选择

考虑本系统对协议简单、通信距离较近、短延时、低功耗、抗干扰能力强的需求，选用nRF模块作为本系统数据的无线通信器件．这里选取的NRF2401芯片采用全球开放的2.4 GHz频段，有125个频点，可以满足多频及调频需要，能够有效避免通信设备产生的同频干扰[4-5]；工作电压1.9 V – 3.6 V，功耗低；直接连串口；无需曼彻斯特编码，效率高；最高通信速率达1 Mbit / s，数据收发能力可满足大量数据吞吐要求；外围器件少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；发射功率和工作频率等参数可以通过软件设置，调试简单；工作温度范围– 40 – + 85℃；内置CRC纠检错硬件电路和协议，保证数据传输的正确无误．

1.2 系统构成

图5为NRF2401无线收发模块与单片机及传感器组成的信号采集与无线收发系统[6]．在电路硬件系统建立后，再通过软件支持，将采集到的数据发送到监控中心并对数据进行监测分析，确保数据的实时性和精确性．本文使用高效快速、接口类型丰富的VB作为上位机监控软件编写语言，结合NRF2401芯片的数据格式进行开发，使得监控界面简洁直观，能够准确实时地反映风光互补发电系统的运行状况．

图5 信号采集、无线收发系统电路图

1.2.1 数据收发与调制解调

NRF2401有四种工作模式[7]：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式．NRF2401工作模式由单片机通过PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，各工作模式与引脚的配置关系如表1所示．

表1 NRF2401主要工作模式与引脚配置

NRF2401在一般情况下有两种模式[8]：ShockBurstTM收发模式和直接收发模式，模式选择由配置字决定．本系统设计使用ShockBurstTM模式，在该模式下，数据从控制器以较低速率送入，但以较高速率发出，有三点优势：有效减小电流损耗，降低系统成本，缩短数据发射接收时间，提高收发效率．

在ShockBurstTM收发模式下，NRF2401会自动处理数据包字头和CRC校验码，发送数据时，会自动加载字头和CRC校验码，接收时会自动去除字头和CRC校验码．为使NRF2401选择收发模式，将POW_UP配置为1，CE配置为0，CS配置为0，把接收的地址和需要发射的数据依次写入NRF2401芯片，同时将CE置低，这时NRF2401将进入收发模式．NRF2401芯片自动加上字头和CRC校验序列后，数据将进行发射，发射完成后进入空闲模式．信号的收发流程见图6．

在接收端，nRF2401通过单片机进行配置字设定，包括接收地址、数据大小和CRC校验码，并将CE置1，结构如图7所示．完成接收状态配置后，NRF2401会监听数据并等待正确数据的到来，如果监听到正确数据地址和数据大小，经CRC校验后NRF2401会自动将数据的字头、地址及CRC校验位分离，同时将DR1置为1引起单片机产生中断，通知单片机将接收的数据及时移出．待所有数据接收完毕，将DR1置0，如果此时CE = 1，将等待下一个数据包；如果CE = 0，则开始其它工作流程．单片机将接收的数据通过串口传输给上位机，由上位机进行实时显示与数据存储．数据包字头一般为4 – 8 bit，字头值与第一位地址有关，第一位地址为0时，字头取值“01010101”，反之为“10101010”．一帧数据从地址到CRC最多为256 bit．

1.2.2 上位机监控软件的设计

数据采集后的上位机显示是系统的重要组成部分，通过串口将接收到的数据显示出来，在Windows操作环境下将接收的监测参数实时显示在PC机上，为用户提供良好的人机交互界面，并实时监控各个模块．在上位机界面中可对电压、电流、温度、功率等参数进行实时显示，并可用报警指示灯对超出设定值的状态数据进行告警，同时在后台使用数据库对接收的数据进行存储记录，便于后续查询与分析．图8为一个实验结果的显示界面．

1.2.3 上位机对风光互补发电系统的反馈控制

一般情况下，都是由现场采集的风力、光照、温度、电压、电流等实时信号来自动反馈控制功率电路，但是上位机和现场相比，对风光互补发电系统的反馈控制具有优先级．上位机在接收到信号采集端传来的实时数据后，经过软件分析处理，与预设值进行比对，判断当前风光互补发电系统的运行状况和系统的充放电状态，及时准确地发送各种指令对风机、光伏阵列、蓄电池进行反馈控制和故障告警等，保证系统的正常运作，原理过程如图9所示．

图7 一帧数据结构

2 测试结果及分析

图8 实时数据显示界面

基于NRF2401芯片的数据采集与无线传输系统的硬件电路及监控软件构建完成后，在实验室中采用数字电源和电阻负载模拟风光互补发电系统进行仿真，对系统进行了初步测试，获得了较为理想的效果，信号传输稳定准确；在此基础上进行了户外实地测试，系统运行情况良好，能够长时间连续工作，50米范围数据传输时延低于100毫秒，传输过程中的数据失真度小于系统最低要求的5%，上位机软件监测数值实时、准确、直观；当风光互补发电系统运行不正常时可及时给出告警，提示及时维护风光互补发电系统．实验过程中发现，无线传输系统工作于2.4 GHz的高频区，而实验电路均由手工焊接，元器件间排列分布不够规范引起系统工作时的阻抗干扰是造成测试误差的主要原因，可通过PCB板及规范元器件的焊接进一步降低误差，提高精度和系统稳定性．还有，在风力微弱及阴暗天气环境下，风速计及照度计并未工作，但上位机界面仍然显示一个比较小的采集数值（例如电压测量，见表2），分析发现，这是单片机本身的工作电流及电压对传感器的轻微扰动造成的，可在信号强度低于一定值时通过单片机将此值直接置0，或者在采样端补充一个滤波电路加以解决．

图9 监测系统对风光互补发电系统的反馈控制原理图

表2 上位机电压显示值和实际值的比较

3 结 论

本文基于NRF2401芯片的数据采集与无线传输的可行性分析，通过对硬件电路的设计及上位机软件的编写，最终完成了系统的构建．该系统满足风光互补发电系统中蓄电池充放电的实时监测要求，为风光互补发电系统的运行、维护提供了一个稳定的数据采集、监测、记录平台，为无人值守和远程监控提供了一种可行方案．该系统还可推广应用于水域状况及空气质量监测、无线抄表等领域．

[1] 陈久松, 朱政, 尹卫平, 等. 基于RS485总线的分布式PLC监控系统通信设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2012, 32(1): 51-53.

[2] 朱洁瑛, 李荣正, 张玮. 基于GPRS的无线远程控制系统[J]. 办公自动化, 2012, 18(20): 30-32.

[3] 李琳琳, 黄锐, 方同秀. 基于NRF2401的汽车发动机转速遥测系统[J]. 仪表技术与传感器, 2005, 42(5): 40-42.

[4] 陈丽娟, 常丹华. 基于NRF2401芯片的无线数据通信[J]. 电子器件, 2006, 29(3): 248-251.

[5] 杨思俊. 光伏发电通信基站电源远程监测系统的设计[J]. 电子设计工程, 2011, 18(5): 169-172.

[6] 张崇, 于晓琳, 刘建平. 单片2.4 GHz无线收发一体芯片NRF2401及其应用[J]. 国外电子元器件, 2004, 11(6): 34-36.

[7] 刘文吉, 李健, 孙运强. 基于射频收发芯NRF2401的近距离射频研究[J]. 自动化与仪表, 2006, 26(1): 75-78.

[8] 季行健, 郑青, 姜伟. 基于NRF2401无线监控系统的应用与实现[J]. 自动化仪表, 2007, 51(9): 38-43.

Wireless Communication of Battery Charging and Discharging Dynamic Parameters in Wind-photovoltaic Hybrid Generation System

CHEN Zhiguo, WEI Wensheng, XIA Peng, JIN Jiangyi
(School of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

A kind of technology for battery dynamic data acquisition and wireless communication in wind-photovoltaic hybrid generator system was proposed in this paper. Hardware circuit was designed and software code was written for battery charging and discharging parameters such as voltages, currents, temperatures, etc; NRF2401 chip was used for real-time data acquisition and wireless communication; wireless communication procedures of NRF2401 chip, as well as signal modulation and demodulation method, were analyzed; monitor and memory of battery charging and discharging dynamic parameters in wind-photovoltaic hybrid generation system were realized.

Wind-photovoltaic Hybrid Generation System; Storage Battery; NRF2401 Chip; Wireless Data Communication

TP273

A

1674-3563(2013)03-0038-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2013.03.007 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2013-01-10

浙江省科技计划项目(2009C31070)

陈治国(1989- )，男，广西北海人，研究方向：短距离通信技术．† 通讯作者，weiwensheng@ wzu.edu.cn