基于LabVIEW和LoRa技术的光伏电池组件参数监测系统设计

严莉莉，荣世蓥，张 洋，范世龙，曹司佳

（南京信息职业技术学院，江苏 南京 210023）

0 引 言

光伏电站是由成片的光伏电池组件组成的。光伏电站工作的稳定性和输出功率与每一块光伏电池组件的工作状态相关。如何对电站的每一块光伏组件进行监测是维持光伏电站正常工作首要解决的问题。

由于光伏电站的电池组件大多安装在远离城市且光照较好的空旷地区，对它们运行状态的实时监测当前主要有以下两种方法：

（1）现场直接监测：即直接监测每块电池组件的运行参数，再传递给上位机进行数据分析和判断。这种方法布线麻烦，而且扩容不便。

（2）无线远程监测：即利用无线传输技术，将传感器采集的数据传送回监控中心的上位机，监控中心与电池组件的距离可以达几十米到十几公里。这样就解决了电站维护人员每天跑路维护电池组件的问题。当某个电池板出现故障时，监测中心平台会出现告警提示，维护人员前往现场查看、解决。

从以上两种监测方法可以看出，利用无线传输技术实时对光伏电池组件运行参数进行监测明显优于现场直接监测。

本文提出了一种基于LoRa无线传输技术的光伏电池组件参数监测系统的设计方案，这种方法不仅能够实现电池组件参数的实时监测，还能进行历史数据的存储及分析，而且也有利于节省电站的维护费用。

1 监测系统整体设计

光伏电池组件参数监测系统框图如图1所示，其主要由微控制器、温湿度传感器、无线通信模块和上位机构成。传感器主要负责采集光伏电池板组件所处环境的温湿度数据，微控制器将传感器采集的温湿度数据、组件输出电压和电流参数通过无线网络发送给安装在上位机的接口模块，在上位机利用LabVIEW软件开发监控平台，可以实时显示各终端传感器节点采集的参数。

图1 光伏电池组件参数监测系统框图

2 电池组件参数的采集及传输

2.1 微控制器的选择

下位机使用的控制器主要负责传感器数据的采集、光伏组件输出电压和电流参数的采集，以及数据的无线发送。选型过程中主要从数据处理的速度、稳定性和性价比等方面考虑。目前，市场上主流的微控制器主要有51系列、PIC系列、AVR系列、MSP430系列、STM32系列。51系列的微控制器为8位CPU，处理速度慢，存储器容量较小，适合于对速度要求不高的场合。PIC系列微控制器抗干扰性能好，集成的模块多，多用于工业级应用。AVR系列集合了PIC系列和51系列的优势，性价比高，多用于仪器和通信方面。MSP430系列是16位超低功耗的混合信号处理器，但相关资料较少。STM32系列单片机于2007年由意法半导体公司发布，它基于ARM公司出品的Cortex-M3内核，具有32位CPU超高处理速度，且功耗低，目前被广泛应用。

综合以上信息，本监控系统中的下位机微控制器选择使用STM32系列中的STM32F103ZET6型号。

2.2 温湿度数据的采集

由于光伏电池组件需要在外界环境中工作，因此会遭遇高温、高湿的环境变化，而这些恶劣的环境会导致太阳能电池板损坏。所以无论对光伏电池组件所处环境的温湿度还是组件自身的温度进行监测，都很有必要。光伏组件工作的环境温度一般为-40～43 ℃，在光照充足的地区，夏天当环境温度为35 ℃时，安装在屋顶的光伏组件背板的温度可达63 ℃。根据以上光伏组件工作时温湿度的相关参数，本系统选用DHT22温湿度传感器，实现对环境温湿度的监测，而且DHT22是数字化温湿度传感器，在硬件设计上，可以直接与微控制器接口[1]。

DHT22温湿度传感器又称为AM2302，它采用数字模块采集技术和温湿度传感技术，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高、体积小、功耗低等特点。DHT22测量温湿度的范围为：湿度0～99.9%RH（±2%RH），温度-40～+80 ℃（±0.5 ℃）。

DHT22是单总线数据格式，采用4针单排的封装形式。驱动只需3根线：电源线、信号线和地线，供电电压为3.3～6 V，与STM32的状态交互和数据传输只需要将DATA引脚与STM32的I/O引脚连接即可。

DHT22的数据格式为40位数据，即16位湿度数据、16位温度数据、8位校验和。与STM32进行数据传输时，需要严格的时序控制，首先需要完成设备之间的应答，当STM32向DHT22发送至少500 μs的低电平开始信号后，拉高数据总线，等待20～40 μs后，开始检测DHT22的响应信号。DHT22的响应信号是一个约80 μs的低电平，之后DHT22拉高数据总线保持约80 μs的高电平，最后进行40位数据传输。

2.3 光伏电池组件输出电压电流的采集

光伏电池组件由不同规格或数量的单个太阳能电池片组合构成，因此光伏电池组件的功率、输出电压和电流与构成它的单个太阳能电池片数量有关。

光伏电池组件的主要电参数有：最大输出功率、最大输出工作电压、最大输出工作电流、开路电压和短路电流。由于光伏电池组件尺寸不同，最大输出功率从几瓦到几百瓦不等。单个电池片的输出电压约0.5 V，如果内部采用串联方式，则电池组件的输出电压为0.5 V乘以电池片的数量。通常电池板电压为18 V、36 V，分别用于12 V、24 V离网系统。

无论光伏电池组件输出的工作电压和电流是多少，如果要用STM32系列单片机实现电压的数字化测量，就需要对电池组件的输出电压做分压处理，才能送达单片机引脚。

本监测系统针对输出电压不超过36 V、输出电流不超过4.5 A的光伏电池组件进行电压采集前，先对其进行降压处理，使其降到STM32的电压范围内之后再采集；电流采集前先通过0.1 Ω的康铜丝采样电阻将其转换成电压，放大之后再进行采集。本监测系统处于测试阶段，为方便调试，用稳压电源的输出代替光伏电池组件的输出，程序处理时，再进行相应放大[2-4]。

STM32F103ZET6芯片具备3个内置的ADC控制器，每个ADC均为12位模拟数字转换器。所以在硬件设计上，可以直接将转换后的电压信号接入STM32的I/O引脚，不必再外接A/D转换芯片，简化了硬件设计。实验室搭建的测试环境如图2所示。

图2 实验室搭建的温湿度、电压电流采集环境

2.4 基于LoRa技术的参数传递

本监测系统在设计中的难点就是如何实现数据的无线传输。当前市面上近距离无线传输模块主要有蓝牙、ZigBee、WiFi、LoRa。在选择无线传输模块时，主要考虑传输距离和功耗。蓝牙是一种通用的短距离无线电技术；WiFi无线技术主要为移动设备接入LAN（局域网）、WAN（广域网）以及互联网而设计，一般应用在数据传输量较大的场合，传输距离为100～300 m；ZigBee是一种低速短距离传输的无线网上协议，传输距离为10～100 m。LoRa即远距离无线电（Long Range Radio，LoRa），它最大的优势就是在功耗相同的条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了远距离和低功耗的统一，其典型范围为2～5 km，最长距离可达15 km，常用于大型工厂和林区等。

由于光伏电池组件一般安装在空旷地区，在对它的运行情况进行监控时，往往希望能够在几公里之外实现实时监控，避免维护人员来回奔波。基于这个原因和以上几种无线传输技术的比较，本监测系统选用LoRa技术实现监测数据的无线传输[5-7]。

本监测系统选用的LoRa模块为ATK-LORA-01，工作频率为410～441 MHz，模块通过一个1×6的排针同外部电路连接。LoRa模块在使用时，两个模块配对使用。本监测系统中，一个LoRa模块与STM32单片机连接，发送采集的数据；另一个模块与上位机连接，接收下位机传送的数据。LoRa模块的数据格式包括透明传输、定向传输、广播与数据监听。本次在程序设计中使用透明传输模式。

与上位机连接的LoRa模块需要使用一个TTL转USB模块实现转接功能，再与上位机USB口连接。实物连接如图3所示。

图3 上位机与LoRa的连接

3 基于LabVIEW的上位机监控程序设计

3.1 上位机接收数据的实现

监测系统上位机程序需要实现温湿度数据和组件电压、电流数据的实时显示和波形显示、数据存储，所以需要一个良好的人机交互界面。LabVIEW软件是一种图形化的编程语言，具有丰富的前面板控件，方便开发出良好的人机交互界面。所以本监测系统采用LabVIEW软件开发上位机监测程序。

LoRa接收模块已经通过TTL转USB模块与上位机连接，所以上位机程序首先要实现从USB口接收数据。在LabVIEW中可以利用VISA节点进行串行通信编程，LabVIEW将这些VISA节点单独组成一个子模块，共包含8个节点，分别实现初始化串口、串口写、串口读、中断以及关闭串口等功能[8-10]。

3.2 监控系统界面设计

上位机的监控界面由采集界面、波形界面、数据存储界面组成。采集界面如图4所示，主要是对串口的设置和采集参数的实时数字化显示和指针式显示，只显示当前时刻的值。图形界面如图5所示，实现对采集数据的波形显示，方便观察变化趋势。数据存储界面如图6所示，可以将组件的运行参数进行文件保存，方便后期分析。

图4 上位机监控界面——采集界面

图5 上位机监控界面——图形界面

图6 上位机监控界面——存储界面

4 结 语

本文提出了一种基于LoRa无线传输技术的光伏组件参数监测系统的设计方案，可以减少光伏电站在日常维护过程中的人力投入，实现光伏电站的远程监控。应用LabVIEW开发的远程运行监控程序不仅具有良好的交互界面，还能够实现历史数据的存储。在本系统设计的基础上，只需增加采集节点便可以方便实现系统扩容与多点监测。