一种光伏发电系统无线监测平台设计

李国进，黄 鹏

（广西大学电气工程学院，广西 南宁530004）

随着国家对光伏发电的大力扶持，采用光伏发电的用户增多，对于光伏发电的研究也越来越多[1]。光伏发电输出功率与气象因数有关，其数值具有不稳定的特点[2]。文献3所得结果表明对于太阳辐照度的预测能够为光伏发电输出功率的预测提供依据。文献4直接研究气象因子太阳辐照度、温度、湿度和光伏发电输出功率之间的关系，但是所采用的气象数据来源于搜集资料，未能直观反映光伏发电与气象因子之间的关系。

为给研究光伏发电系统与气象因素之间的关系提供数据基础，本文设计了一种光伏发电系统无线监测平台，拟采集并存储显示太阳辐照度、温度和湿度三种参量。

1 总体设计

本文的主要内容是设计一种光伏发电系统无线监测平台，传感器需要测量太阳辐照度、温度、湿度三种气象参量，采集数据能在软件平台上显示并保存。光伏数据采集平台的整体框架如图1所示。

图1 光伏发电无线监测系统整体框架

图1 为光伏发电系统无线监测系统整体框架，该系统的实现依赖硬件和软件部分共同完成。硬件部分主要包括主控模块、传感器模块、通信模块和其他基本模块四部分组成，软件部分包括监控平台、无线网关的设置和无线传感器三部分。

2 硬件电路部分

本文主控芯片选取STM32，主控芯片选定后，硬件部分主要包括三个模块，一是传感器采集模块，该部分需要采集太阳辐照度、温度和湿度等气象数据；二是通信模块，作为光伏发电系统数据采集监测系统，需要既可以通过有线方式在现场与PC机传递数据，也能够通过无线的方法将数据传到远端；三是能够完成基本供能和扩展功能的中心控制系统。

2.1 主控模块选取

STM32系列芯片采用32位Cortex内核，门电路少，含有20个寄存器，处理性能可达1.2DMIPS/MHz。本文采用STM32F103ZET6芯片，这款芯片功能强大，IO口多，采集3项气象参数数据足够，而且性能高、功耗低、成本低，故合适用于本文的硬件采集系统。

本文选取STM32为核心芯片，其外围电路包括电源电路、复位电路、高速晶振电路等部分组成。

2.2 传感器模块

该部分主要是太阳辐照度、温度和湿度数据的测取。

（1）太阳辐照度传感器

太阳辐照度的采集利用TBS2-2，其灵敏度为7～14，响应时间小于30 s，内阻100 Ω，跟踪精度为24 h，稳定度在1%，测试精度为2%，其输出信号在0～20 mV。太阳辐照度的采集原理如图2所示。

图2 太阳辐照度数据采集电路图

图2 中左上角标记P111为太阳辐照度传感器TBS2-2的输出，经过AD620AN放大器处理输入到OP07CP进一步放大。经过两次放大的信号A0接入STM32的PB1口。

（2）温度传感器

本文选取DS18B20传感器，该传感器为数字量输入，便于STM32F103CET6的控制。DS18B20可以单线连接 ，其工作电压为3～5 V，量程为-55℃ ～125℃，精度为0.5℃。

DS18B20采取外部供电方式的工作电路图如图3所示。

图3 DS18B20外部供电电路连接图

DS18B20采用串行通信方式，2口接STM32的IO口，此处可接PB0口。

（3）湿度传感器

湿度传感器采用HR202，该传感器为电阻性湿敏传感器，响应速度快，抗干扰，广泛运用在环境工业领域。额定电压为1.5 V，测量范围为0～95%，精度为5%。湿度传感器数模转换电路如图4。驱动电路如图5所示。

图4 湿度传感器的驱动电路

图5 湿度传感器HR202A/D转换电路

图4 为湿度传感器的驱动电路，P1表示湿度传感器HR202，采集到的信号由1口传送到LM393的IN引脚，转换电路中电阻R13可以调节灵敏度。湿度传感器的模数转换电路如图5所示，信号由OUT引脚输出，连接STM32芯片的PB2引脚。

2.3 通信模块

（1）采用RS232串口通信

通信距离较近时多采用RS232串口通信接线方法。串口通信电平为TTL，而电脑输出为COMS电平，它们之间采用匹配的MAX232芯片，它的作用相当于驱动器和接收器，采用DIP-16封装，工作电压5 V，工作温度为0～70℃，耗散功率为100 mW。需要指出的是它满足供电电压5 V，它的最小数据传输率为300 Kbps也满足要求。RS232接口电路如图6所示。

图6 RS232接口电路

（2）无线通信

CC2530是用于2.4-GHz的ZigBee通信的片上系统。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530有两个串口，可连接在STM32上，具体将串口对应STM32的RX和TX端口，即对应STM32的PA9、PA10端口。

2.4 其他模块电路

为实现基本的功能，STM32需要包含电源电路、时钟电路和复位电路等。电路图如图7所示。

图7 基于STM32的基本工作电路

在电路中，负载电容C3和C4的值决定了震荡电路的稳定性，同时让起振速度变快。在晶振旁边接两个电容的目的主要有三个，加快上电时的起振速度，稳定震荡平稳，改变电容容量、调节震荡频率。该电容容量一般为10～30 pF，本设计的C3、C4均为10 pF，石英晶振为12 MHz。LM1117是常用的线性稳压电源，可采用滤波电路滤除交流分量。滤波器的组成包括电容、电阻和电感等无源器件。电感线圈的体积大、价格高，本设计采用RC滤波，使电源电平变化时更加的平稳。

复位电路是嵌入式可靠性设计必不可少的一部分。复位电路由两个电容、一个电阻及一个复位开关组成。在接通电源瞬间，电容C5呈现短路状态，随着电容C5的充电过程结束，NRST呈现高电平状态，完成低电平复位过程。当需要手工复位时，按下按钮SW1，则3.3 V电源就会直接加到NRST端，给单片机强行复位，当按钮SW1抬起后，NRST呈现高电平状态，完成复位操作。NRST端的低电平持续时间取决于电容的充电时间。本设计的特点：此设计为低电平复位；电路设计简单实用，高电平复位时间可通过RC值来选择；电路抗干扰能力一般，适用于在电磁环境比较好的场合。

3 软件部分

光伏发电系统软件是对硬件系统采集到的数据通过无线方式传到软件中心，软件部分包括无线传感网络、无线网关以及监测平台。

3.1 无线传感器网络

无线传输需要先制定通信协议，ZigBee节点对采样中心传输时，其数据帧格式要先确定。

ZigBee无线网络节点分为路由节点、协调器节点和终端节点三种。

终端节点即是与传感器相连的节点，作用是将采样数据打包待发送。以温度传感器采样数据为例，上电后数据采样时进行检验，检测通过后数据更新记入暂存器，此时等待控制器的应答，响应控制器的应答释放总线通过数据引脚传输温度值。路由节点的作用是将初步采集的数据发送到协调器，工作时，路由节经由协调器节点的应答加入网络，然后循环监听等待作答。协调器节点的作用是对网络结构进行维护，对路由节点的请求予以相应，并在信道中搜索可用的信道交给路由节点。

3.2 无线网关

无线网关的设计是为了将采集到的数据传给服务器，本文网关设计采用4G技术，4G模块连接在STM32的串口上。无线网关工作流程图如图8所示。

图8 STM32响应无线网关流程图

系统上电后，ZigBee协调器开始组网，待组网过程完成后等待数据的接入。此时STM32控制4G模块工作，连接成功后等待中断信号的响应，随后STM32中两串口分别开通，经数据解析后传给协调器和4G模块。然后中断程序结束，等待下一个中断响应。

3.3 监控平台

数据监测平台分为数据采集界面和数据库两部分，数据采集界面包括登录和注册、实时数据采集、历史数据查询等。数据采集界面结构如图9所示。

图9 数据采集界面层次

4 结论

本文设计一种光伏发电系统无线监测平台，该平台主要包含硬件部分和软件部分，硬件部分以STM32作为主控芯片，外连接通信模块、传感器模块、复位模块、时钟模块和电源模块等电路，通过软件无线网关的设置，将传感器测得的数据显示并保存在软件平台。通过本文的设计装置，可以得到光伏发电系统相关的气象数据，以便进一步研究光伏发电功率与气象数据之间的关系，具有良好的应用价值。