基于工业以太网的太阳能发电监测系统的设计

齐仁龙，杨绪华，李大海

(1.郑州科技学院电气工程学院，河南郑州 450064；2.战略支援部队信息工程大学，河南郑州 450002)

0 引言

随着经济社会的持续发展，石油、煤炭等传统能源的消耗与日俱增，因此迫切需要寻找一种可持续开发的清洁能源。太阳能作为清洁能源的一种，其具有可再生、可循环使用以及无污染等优点，得到全世界各个国家的广泛关注[1]。太阳能发电作为利用太阳能的主要方式之一，其通过光电效应将太阳能转换为电能，存储在蓄电池中。如何保证太阳能发电设备持续稳定运行是当下研究的重点，系统创新性地将物联网技术运用到太阳能发电监测上，实现对太阳能发电设备的实时监测、管控，可及时了解太阳能发电设备的工作情况，起到预防故障发生、提高发电效率的作用。本文设计的基于工业以太网的太阳能发电监测系统，可以为太阳能发电产业提供更加有效、便捷的管理，对我国新能源事业的发展有着重要的促进意义[2-3]。

1 系统概况

太阳能发电监测系统主要是由传感器数据采集装置、数据转发装置以及数据展示界面3部分组成[4]。数据采集装置主要是通过各种传感器采集太阳能发电过程中太阳的照射度、背板以及蓄电池的温度等；数据转发装置是将接收到的各个传感器数据统一发送到服务器中，与数据采集装置通过工业以太网连接，与服务器通过4G传输方式连接；数据展示界面是将采集到的参数集中展示，便于了解太阳能发电设备的工作状况，预防故障发送。系统总体设计图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 基于DSP的数据采集装置硬件设计

在太阳能发电监测系统中，传感器数据采集节点主要是完成数据的采集和处理[5]，其硬件功能模块如图 2所示。硬件部分采用DSP单片机作为控制核心，将采集到的太阳能发电设备工作时的参数通过以太网传输方式发送到数据转发装置中。以太网通讯采用的是工业级以太网控制芯片DP3848，硬件电路图如图2所示。

图2 数据采集节点硬件框图

2.1 太阳辐射值检测原理

太阳能发电过程中是利用太阳能辐照仪检测太阳的辐射值，是基于热电效应[6-7]，即热接触点在辐照仪的表面，冷接触点在辐照仪的内部，当接收到光照时，内外接触点就会因温度差异而产生一个电压值，该电压值与辐照仪受到的的光照成正比。在DSP内部的A/D转换器采集辐照仪输出的电压值，根据相应关系计算得出太阳辐射值。

2.2 温度检测电路

系统需要测量太阳能发电过程中储能蓄电池和太阳能电池板的温度[8]，考虑到传感器的性能、测温范围等特点，系统选用数字式温度传感器DS18B20，其采用单总线的接口方式，与DSP连接仅需一根线就可以实现数据交互。DS18B20具有结构简单、使用方便等优点，量程在-55～+125 ℃之间，测量精度约0.5 ℃，完全符合系统的测量要求。系统采用2路温度监测电路分别测量蓄电池和太阳能电池板的温度，测量电路如图3所示。

图3 温度检测电路图

2.3 工业级以太网传输电路图

系统采用双以太网口，1个以太网口用于与其他数据采集装置进行环网连接，进行数据交互；另一个以太网口用于接入数据转发装置，将所有数据发送到数据转发装置中[9]。系统采用的以太网控制芯片为工业级的DP3848，其工作温度范围在-40～85 ℃，满足系统的设计要求。以太网传输电路如图4所示。

图4 以太网传输电路图

DP3848通过RMII总线通讯的方式与DSP进行连接，DP3848作为物理层PHY芯片，主要起到数据中转的功能。通过J45网口与其他装置进行组网传输。

3 基于DSP的数据转发装置硬件电路设计

数据转发装置一方面通过以太网通讯的方式接收来自各个传感器节点采集到的数据，另一方面将接收到的数据打包通过4G传输的方式发送到服务器数据中心[10-11]。其中以太网采用总线控制，形成多路以太网复用，节约单片机的I/O资源，数据转发装置的硬件框图如图5所示。

图5 数据转发装置硬件框图

3.1 4G传输电路

当数据转发装置通过以太网接收到各个采集节点的数据之后，通过4G传输模块将所有数据打包后统一发送到服务器数据中心进行集中展示[12]。其中4G模块选用ME909S-821 4G全网通无线通信模块，其通过UART串口与TM4C129实现数据交互。通过TM4C129板卡上预留的接口直接将该模块插入，4G传输电路图如图6所示。

图6 4G传输电路

4 软件设计

系统软件分为传感器数据采集节点软件设计和数据转发装置软件设计2部分。其中传感器数据采集节点软件主要包括A/D转换程序、以太网传输程序、数据采样程序以及相关算法等。传感器数据采集装置上电后，执行各个传感器的初始化操作，然后开始进行数据采集，采集的数据在单片机内部进行处理计算，最终通过以太网传输的方式将数据发送到数据转发装置中。软件流程图如图7所示。

图7 软件流程图

数据转发装置是将接收到的数据通过4G传输方式发送到服务器中，数据转发装置的软件主要包括以太网环网控制程序、4G传输程序、定时中断程序以及系统初始化程序等。数据转发装置上电后首先进行服务操作，然后单片机开始搜索以太网组网是否完成，当以太网组网完成开始进行数据接收，待接收完数据之后开始进行数据传输，软件流程图如图8所示。

图8 软件流程图

5 实验数据分析处理

按以上软硬件设计研制了基于工业以太网的太阳能发电监测系统，下面搭建实验平台来验证系统的稳定性及准确性。实验时，将太阳能发电装置置于日光下，监测一天中设备的工作参数(包括太阳辐射值、太阳能电池板及蓄电池温度等参数)，监测周期为6:00～18:00，共12 h。搭建好实验环境之后，启动系统开始测量，系统每隔1 h进行1次数据监测，并将测得的数据发送到数据转发装置中。系统将监测到的参数以曲线的形式进行实时显示，其中图9为太阳能辐照仪测得的太阳辐射值，表1为测得的太阳能电池板和蓄电池的温度。

图9 辐照度实时数据曲线图

通过以上数据可以清楚地知道太阳能发电设备的各项工作参数，了解太阳能发电设备所处的工作环境。系统实现了上位机界面中对每个参数进行阈值设定，当上传的数据超过设定相应的阈值时，系统就会触发报警系统提醒相关工作人员进行维护或检修。

表1 太阳能电池板及储能蓄电池温度 ℃

6 结论

设计了一种基于工业以太网的太阳能发电监测系统，该系统创新性地将物联网技术和以太网技术运用到太阳能发电设备监测上，实现对太阳能发电设备的远程监测和管控。通过采集太阳能发电设备运行时的外部数据，可以判断出太阳能发电设备的工作状况，为其检修和维护提供数据参考。