风光互补路灯无线数据采集系统设计

丁成功，王升鸿

(工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610)

太阳能与风能都是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，而且太阳能与风能发电具有无污染和安全性高等许多优势，可以有效缓解能源危机并减少环境污染。如果未来能够克服风能与太阳能自身存在的一些问题，在发电技术上取得新的技术突破，人类社会就能更加科学、安全、合理与高效地去发展和利用这些可再生能源。太阳能和风能在时空上具有很好的互补性，因此风光互补电源已经引起人们的广泛重视。本文利用单片机与通讯模块设计了一个小型风光互补路灯数据采集系统，通过多次试验，对系统进行改进优化，最终该系统能够很好地实现数据采集、无线发送、上位机显示等功能，并且运行可靠稳定[1-6]。

1 风光互补发电系统结构

本文设计的风光互补路灯系统主要由40 W太阳能电池板、50 W小型风力发电机、控制电路、数据采集电路、蓄电池、逆变电路、耗能负载等部分构成。其中，光伏电池板接收太阳能输出直流电能;风力发电机把机械能转换为交流电能;控制电路对系统的输入输出电量进行调节和分配，对蓄电池进行充放电管理等;数据采集电路负责采集系统的关键信息;逆变电路把直流电逆变成交流电供给负载使用。系统结构框图如图1所示。

图1 风光互补发电系统结构框图

2 数据采集部分结构设计

硬件电路以STC12C5A6032单片机为核心，对光伏电池板、风力发电机的输出电压和电流值进行检测，判断出光伏电池板和风力发电机的工作状态以及光照强度和风力等级;对蓄电池的充放电电压、电流进行检测，可得知蓄电池所处的工作状态;对负载的电压、电流进行检测，可以确定负载的瞬时工作状态与累积工作时间等。最后全部的采集数据经过单片机进行运算，处理结果通过RS232接口串行通讯传送给计算机，也可以通过SIM300模块发送给监控中心或用户，以利于远程监控系统进行监控工作。数据采集系统原理图如图2所示。

图2 数据采集系统原理图

2.1 电压采集电路设计

数据采集电路以宏晶公司生产的内置10位A/D转换器的STC12C5A6032单片机为核心，采用高精密电阻分压网络对直流电压进行测量。系统采用的是40 W光伏电池板，最大输出电压接近21 V;50 W三相风力发电机输出的交流电压经整流后输出最大直流电压约为20 V，因此可以采用5只100 kΩ的精密电阻串联组成分压网络对光伏电池板、风力发电机整流后的输出电压信号进行采集;系统使用的是12 V 40 AH的铅酸蓄电池，充电时蓄电池电压可接近14 V，因此采用4只100 kΩ精密电阻组成分压网路来采集蓄电池电压信号。采集电路如图3所示。

图3 直流电压采集电路

2.2 电流采集电路设计

电流信号的采集电路主要依靠霍尔电流传感器来完成。传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成。系统选用南京正角电子科技有限公司生产的霍尔电流传感器B201X-10，原边与副边之间高度绝缘，原边额定输入10 A电流，副边额定输出10 mA电流，测量电阻用500 Ω精密电阻。系统采用的是50 W的风机，最大输出电流为4.2 A，故所选传感器满足系统要求。电流传感器将风力发电机、光伏电池板的电流信号转换为适合A/D转换器使用的0～5 V的模拟电压信号，经A/D转换后送给单片机。

2.3 通讯电路设计

系统采用星海科技的SIM300GSM/GPRS通讯模块。SIM300集成了完整的射频电路和GSM基带处理器，适合于开发一些基于GSM/GPRS的无线数据传输业务和远程测量等系统，应用范围十分广泛。SIM300提供标准的RS232串行接口，与单片机通信可以使用TXD、RXD、GND这3个引脚，通过AT指令，单片机控制SIM300以短消息的方式将数据信息发送到远程接收端。

3 系统软件设计

系统软件的设计主要包括下位机软件和上位机软件两部分。下位机软件主要是数据采集部分的A/D转换程序和单片机控制SIM300发送数据程序的设计;上位机软件主要是远程计算机读取接收通信模块收到的短消息及显示存储远端传来的系统工作状态数据的程序设计，即用VB编写可视化的系统信息管理界面。

3.1 下位机软件设计

数据采集系统的下位机以单片机为核心，因此软件要求具有灵活通用、实时控制、运行速度快等优点，数据采集程序应该在一个采样周期内处理完毕。下位机采用C语言编程，软件主循环程序流程如图4所示，其中数据采集子程序主要负责采集记录系统的各个参数并存储到相应的寄存器中，通信子程序主要负责从寄存器中取出数据并发送到远程接收端。

图4 下位机软件主循环程序流程图

3.2 上位机监管理软件设计

上位机数据管理软件采用可视化的应用程序开发工具VB进行设计，可以方便获取系统运行信息，如通过采集的数据，可以对风力发电机输出电压、太阳能电池板输出电压、蓄电池两端电压、蓄电池的充放电状态、风力等级、光照强度等模拟量进行计算处理，并根据实际需要发出远程操作命令等。

4 结语

本文利用单片机与通讯模块设计了一个小型风光互补路灯数据采集系统，利用无线网络将采集来的数据发送到远程监控端，使用VB设计的清晰界面能够直观了解风光互补路灯的运行信息。试验表明，该系统能够很好地实现数据采集、无线发送、上位机显示等功能，并且运行可靠稳定。

[1]商庆华，丁成功，刘平，等.智能风光互补电源的设计[J].伺服控制，2012(1):69-72.

[2]王金良.风能、光伏发电与储能[J].电源技术，2009，33(7):7-13.

[3]丁成功.智能风光互补逆变电源的研究与设计[D]:哈尔滨:哈尔滨理工大学，2012.

[4]曹仁贤.高效光伏充电器的研制[J].太阳能学报，2008(10):433-436.

[5]罗塔得，王志新，张华强.风光互补路灯无线监控系统的设计[J].自动化仪表，2010，31(3):23-55.

[6]舒洁，王昌宏，张先勇.基于GPRS的风光互补发电无线远程监测系统[J].可再生能源，2010，28(1):97-100.