基于GPRS技术的光能发电智能监控检测系统的研究与设计

袁晓平，刘慧慧

(郑州工业应用技术学院 信息工程学院，河南 新郑 451100)

随着传统消耗型能源的过度开采使用和环境污染越来越严重，清洁型能源备受青睐，光能发电作为新能源技术得到了越来越多的推广使用.光能发电系统是利用光能与电能转换技术的半导体二极管，实现电能的传输与存储.当阳光照射在光电转换二极管上时，通过内部的光电转换电路实现光能与电能的转换[1].

基于GPRS的光能发电智能监控检测系统将无线通讯GPRS技术、无线传感数据采集技术和集成电路技术运用到光能发电智能监控检测系统中，为光能发电产业提供了高效、快捷、稳定和准确的新型管理手段，大大促进了智慧电网和智能电力系统的信息化发展[2].

1 光能发电智能监控检测系统总体 设计

光能发电智能监控检测控制系统主要包括3部分：①数据采集感知层.该层通过数据采集节点实现太阳光的辐射量、能量采集板面的温度值、光电转换效率和发电率等数据的采集与存储;②主控节点网络层.该层主要实现底层数据采集层的数据压缩与上传，通过无线GPRS技术将打包数据传输至总数据服务器节点进行存储与分析;③智能监控检测中心应用层.该层能够检测数据采集节点的工作异常与否，通过数据服务器实现采集数据的接收与存储和实时警告智能发电系统的光电转换二极管的工作状态，从而达到对整个光能发电系统的实时智能监控检测[3].该光能发电智能检测控制系统的总框架如图1所示.

图1 光能发电智能监控检测控制系统总框架

数据采集层与主控阵列节点利用二层局域网的方式进行数据互通，主控阵列通过GPRS无线通讯方式实现数据上传，智能监控检测中心通过服务器实时监测光能发电系统的整体工作状态

2 主控节点网络层硬件系统设计

发电监测系统的主控阵列采用AM3352嵌入式芯片，实现传感层采集的数据存储，并通过压缩后数据使用无线技术传输至监控中心的数据服务器，其功能主要包含两部分[4]：①自动采集传感层的数据，通过以太网通讯技术实现数据采集节点与主控阵列之间的数据上传与下发；②将数据通过无线GPRS模块传送至数据服务器进行存储与分析.主控阵列的通讯节点包含RS485与上位机的交互、GPRS无线通讯上传数据服务器和以太局域网模式与采集传感层的数据交互3种接口类型.主控阵列硬件电路框架如图2所示.

图2 主控阵列硬件电路图

2.1 主控制器的以太局域网通信电路设计

主控芯片与感知层通过局域网的方式实现数据交互，主控制器AM3352与局域网芯片LAN8710A实现短距通讯并通过RMII接口与主控制器数据互通.主控制器与感知采集层通过ETH_MDIO和ETH_MDC实现数据的上传与下载[5].主控芯片以太局域网的电路连接如图3所示.

图3 主控芯片与感知采集层的电路连接电路图

2.2 GPRS无线通讯电路设计

光能发电主控阵列节点与光能发电智能监控中心之间距离较远，二者数据交互采用GPRS无线通信的方式实现数据传输与下传，GPRS模块通过UART0RX与UART0TX串口实现主控阵列节点与监控中心数据服务器的数据对接[6].控制芯片AM3352通过串口控制GPRS的网络状态与采集数据的传送与存储.GPRS无线通讯模块M22与SIM CARD的电路连接设计如图4所示.

图4 GPRS无线通讯电路模块设计

3 数据采集感知层硬件系统设计

数据采集感知层主要包括两部分：①传感器模块：主要包括光能辐照仪、背板温度传感器、蓄电池温度传感器和温湿度传感器，为光能发电监测系统的数据感知与采集提供硬件模块；②数据采集主控芯片：嵌入式芯片TM4C129实现光能发电监测系统的数据感知与采集，包括各类温湿度、光照强度和蓄电池等数据参数，并通过局域网实现数据的传输[7].数据采集感知层硬件系统如图5所示.

图5 数据采集感知层硬件系统框图

3.1 光照辐射仪

智能发电监测系统中，光照辐射仪MS-711通过光照感知点和冷接触点的温差电势，产生线性光辐射值与电压信号的正比关系，用来测量光能照射强度值[8].电压信号通过A/D转换接口，结合电压值与光照强度，得出当前时间的阳光照射量值.本系统采用的光照辐射仪MS-711实物如图6所示.

3.2 背板与蓄电池温度传感电路

智能发电监测系统中，硬件温度数据采集包括光照背板温度和电能存储电池温度两个参数.传感器硬件采用多线程型号DS18B20，该传感器可通过I/O接口与主控芯片TM4C129联结，实现多线程的温度数据上传.该芯片采用5 V外接电池方式供电，温度传感器的硬件电路连接线路如图7所示.

图6 光照辐射仪实物图

图7 温度传感器接口电路图

3.3 监测系统环境传感电路设计

智能发电监测系统的环境温湿度数据采集使用的是型号SHT10，可以同时实现光能发电环境中温度和湿度数据的实时采集.该传感器通过SCK与DATA接口与主控制芯片TM4C129相连，可以实时将发电环境中的温度和湿度参数传至感知层主控芯片进行处理.环境温湿度数据采集电路连接设计如图8所示.

图8 监测系统环境传感电路设计

3.4 主控芯片外围电路和以太网电路连接设计

主控制器TM4C129内部电路包括了10/100 M以太网通讯接口，该物理结构自带以太网通信，无需外接以太网通信芯片即可完成局域网的数据传输通信.主控制器的以太网通信电路及相关外围电路连接如图9所示.

4 系统软件设计与系统实验测试

4.1 智能发电监测系统软件流程设计

感知层数据采集节点的主程序首先完成采集TM4C129系统的初始化和模块初始化，同时协调各类软件模块的正常运行.初始化之后，感知层数据采集程序实现系统温度参数、环境温湿度参数和光照辐射值的采集，通过网络层实现数据的处理并传送至主控阵列节点.主控阵列节点的主程序主要实现系统初始化和接收底层数据的功能开启，并将采集到的数据实现数据的预处理和数据的网络发送等功能，该传送方式主要通过GPRS无线传输技术实现数据的上传功能.数据采集感知层和主控阵列网络传输层软件流程如图10～图11所示.

图9 主控芯片外围电路及以太网连接电路

图10 数据采集感知层软件流程

图11 主控阵列节点软件流程

4.2 系统测试

以一个光能发电阵列节点作为对象，实时监控检测12 h(早晨6点至晚上6点)系统数据，将各类参数(光照强度、背板温度、蓄电池温度和环境温湿度)以实时数据曲线的形式在PC界面进行展示.各类参数曲线如图12～图15所示.

通过采集数据的实时曲线变化，智能监测系统可以准确判断光能发电系统是否正常工作.当实时曲线在合理的区间范围波动时，可以认定系统正常工作.当某一个或多个参数出现波动范围不在正常的示值范围时，系统则发出警报判断发电系统出现故障.系统测试结果表明，光能发电智能监测系统完成了发电阵列数据的实时监测与采集，应用层可以根据实时数据曲线图判断发电系统的工作情况，提供了发电系统的维护效率.

图12 光照强度实时数据

图13 背板温度实时数据曲线图

图14 蓄电池温度实时数据

图15 环境湿度实时数据曲线图

5 结语

基于GPRS技术的光能发电智能监测系统，通过数据采集感知层的硬件系统设计与软件系统设计，实现了光照辐射强度、背板和蓄电池温度和环境温湿度参数的实时采集与上传，通过主控阵列节点的无线GPRS和以太网实现了数据处理与远程无线传输至应用层服务器的功能.该智能监测控制系统实现了光能发电系统各类参数的实时数据参数采集，为光能发电提供了维修和维护的实时操作，大大提升了智能电力的管理水平和维护效率.