光伏發電通信基站電源遠程監測系統的設計

楊思俊

（西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

隨著計算機控制技術的發展，計算機被廣泛應用于數據采集系統領域中，數據采集系統多采用上位機和下位機的主從工作方式。因為單片機具有價格低、功能強、抗干擾能力好、溫限寬和面向控制等特點，所以下位機一般采用單片機對現場數據采集與對設備一級監控；計算機的分析處理能力較強，有友好的人機界面和大容量的多種存儲方式，故上位機一般采用計算機對采集數據進行圖形顯示、分析以及管理。上位機與下位機通過串行接口實現通信，在本系統采用了Visual Basic 6．0開發串口通信程序。

1 數據傳輸

太陽能發電監測分上位機和下位機兩部分，下位機對各個模塊的工作輸入電壓、電流，輸出電壓、電流數據進行存儲、顯示。由于本設計的太陽能發電裝置用于通信基站的電源，其應用的環境一般位于偏僻且交通欠發達的地區，所以下位機的數據需通過GPRS傳送到上位機，以便于監測和故障排除[1-3]。

GPRS模塊（即MC35i）和外部設備之間的通信協議是通過AT指令集來完成的。AT指令集是從終端設備（Terminal Equipment，TE）或數據終端設備（Data Terminal Equipment，DTE）向終端適配器（Terminal Adapter，TA）或數據電路終端設備 （Data Circuit Terminal Equipment，DCE） 發送的。AT+CMGC指令的功能為Send anSMS command（發出一條短消息）。對短消息的控制有3種模式，即Block Mode、基于AT命令的PDU Mode和Text Mode。目前，PDU Mode應用最為廣泛，它不僅支持中文短信，也能發送英文短信，其短消息正文經過十六進制編碼后作為一個二進制字符串被傳輸。PDU模式收發短信可以使用3種編碼：7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發送普通的ASCLL字符，8-bit編碼通常用于發送數據消息，UCS2編碼用于發送Unicode字符。短信發送框圖如圖1所示（圖中XX表示第幾條短信）。

2 MC35i驅動及AT指令的編寫

2.1 MC35i的開關機及初始化

圖1 短信發送框圖Fig．1 Sending SMS

目前市場上支持GPRS的模塊有很多種，綜合考慮后采用西門子的MC35i模塊，該模塊在支持GSM的基礎上增加了對GPRS的支持，上傳波特率可達21．4 kbps，下傳波特率最大為 85．6 kbps， 并支持 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 等 4 種編碼方案，是一個具有較高穩定性的工業及模塊。MC35i的工作電壓范圍為 3．3～4．8 V， 傳輸功率在 GMS 1800時為 1W，休眠電流為3mA。MC35i提供一個40引腳的外部控制接口，其中包括了控制、數據傳輸、SIM卡、聲音以及電源接口。MC35i接口采用AT指令集，并支持部分西門子的擴展AT指令。

MC35i的電源采用單個 3．3 V到 4．8 V的電源， 由于MC35i在進行數據傳輸或通話過程中峰值電流可能達到2 A，所以電源必須能夠提供足夠的電流以保證在大電流時電源電壓不低于3．3 V。如果在工作工程中電源電壓下降到低于3．3 V或電壓下降幅度超過 400 mV時，MC35i將自動關閉。比如，在峰值電流2 A時，在線路上的電壓損耗必須考慮，如果線路電阻為50m，那么電壓損耗為100mV，因此在布線時必須考慮這些問題。

MC35i的開關機需要在模塊的0N／OFF引腳上加上脈寬1 s以上的低電平。當模塊處于關機狀態檢測到0N／OFF引腳的下降沿并持續1 s以上的低電平時啟動整個模塊，同理，當模塊啟動后檢測到持續1 s以上的低電平，則延時8 s關機。所有的AT指令操作都必須在開機狀態下才能執行[4]。

開機后還要對MC35i進行初始化來實現單片機對模塊的控制：首先要測試模塊串口的連接狀況，通過發送AT指令，等待模塊的回復，返回OK則連接成功，沒有響應則表示模塊連接存在問題；接著還要向模塊發送ATEO指令來關閉回顯。回顯功能主要用于串口調試，具體應用時應關閉該功能，防止回顯字符和返回參數混合。

2.2 MC35i的AT控制指令

MC35i模塊是采用AT指令集進行控制的，采用AT指令集可以實現模塊參數的設置，數據的發送與接收。AT指令集是調制解調器通信接口的工業標準，指令由ASCII字符組成，除“A／”、“+++”指令外，所有指令都是以”AT”開頭，以＜回車＞＜換行＞結束，絕大多數指令被執行后都有返回參數。

常見的AT指令有：

設置通信波特率：使用AT+IPR=19200命令，把波特率設為 19 200 b／s。

設置接入網關：通過 AT+CGD CONT=1，“IP”。 “CMNET”命令設置GPRS接入網關為移動夢網。

設置移動終端的類別：通過AT+CGCLASS=“B”設置移動終端的類別為B類，即同時*多種業務，但只能運行一種業務，即在同一時間只能使用GPRS上網，或者使用GSM的語音通信。

測試GPRS服務是否開通：使用AT+CGACT=1，1命令激活GPRS功能。如果返回OK，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗。中國移動在GPRS與Internet網中間建立了許多的網關支持節點（GGSN），以連接GPRS網與外部的Internet網絡。GPRS模塊可以通過撥“*99***1#”登錄到GGSN上，并通過PPP協議獲取動態分配到In—ternet網的IP地址。

3 上位機軟件

3.1 數據格式

由于Visual Basic 6．0引入了面向對象的編程機制，巧妙地將Windows編程的復雜性封裝起來，只需使用窗體和控件等可視化界面設計程序，從而降低了程序設計的難度。本文就采用了VB來設計上位機軟件，以實現太陽能發電監測的功能 。

1）數據傳輸幀格式

下位機與上位機通信的數據傳輸幀格式為：

地址碼（1）+功能碼（1）+數據數量（1）+數據域（）+CRC 校驗（2）

2）上位機軟件功能碼分類

0x01讀取下位機歷史數據

0x02讀取系統當前時間

0x03設定時間

0x04讀取實時數據

0x05報警指示

3.2 串口調試

VB6．0中，使用MSComm時，首先要在程序中打開相應的串口，然后對相應的串口通信參數進行設置[5]。串口通信時，無論發送還是接收，都要在通信程序中設置一個Variant類型變量做“中介”。程序設計如下：

RTHreshold=1’最小接收字符數為1，當接收緩沖區達到1時，引發OnComm事件中的接收事件

MSComm1.Settings= “4800，n，8，1” ’ 設置通訊參數

MSComm1.PortOpen=True’打開串口

太陽能發電監測主要是對太陽能電源工作時的各模塊的輸入電壓、電流，輸出電壓、電流以及環境溫度的計算與監測。其測試界面如圖2所示。

圖2 實時數據監測界面Fig.2 Interface of real-time data collection

4 功能實現

監測系統具有實時監測功能，上位機每五秒鐘發送命令，下位機接受到命令后即刻將實時數據上傳。其讀取下位機歷史數據時需輸入要查詢的起始時間和終止時間，由于下位機每小時只采樣一個數據，所以上位機會顯示出對應的數據[6]，功能界面如圖3所示。

圖3 歷史數據查詢界面Fig.3 Interface of historical data inquire

地址碼（1）+功能碼（1）+數據數量（1）+起始時間（4）+終止時間（4）+CRCH（1）+CRCL（1）的格式傳輸給下位機，例如：要讀取2007年12月8日9時至2008年2月20日5時的數據則幀內容為

0x3a 0x01 0x08 0x09 0x08 0x12 0x08 0x05 0x20 0x02 0x09 0x10 0x81

注：終止時間不應超過當前時間，起始時間應在終止時間之前，則歷史數據就會通過GPRS上傳。此外，監測系統還具有校時和報警功能，監測系統獲取系統時間，按照如下幀格式進行對下位機的時間設定。

地址碼（1）+功能碼（1）+數據數量（1）+時間（7）+CRCH（1）+CRCL（1）

圖4 系統時間設置界面Fig.4 Interface of system time setting

如果下位機中的各分機中出現斷路、短路或通信故障等異常情況時，下位機即時發出報警信號，并傳輸給上位機，上位機接受到信號后進行報警提示。

5 系統檢測結果

在實驗系統中，為了提高發電效率，對于太陽能光電池轉換效率低的問題，引用了MPPT（最大功率跟蹤）技術來提高太陽能電池的利用率。分別采集了帶MPPT技術的太陽能基站電源的控制器與不帶MPPT技術的控制器的電壓、電流，并將發電功率進行了比較，在設計中作了大量的實驗，采集了輸出電壓、電流，并形成了圖表予以分析。以下是日光強度逐漸增強時的數據測試。實際采集過程是每5秒采集一次，這里將簡單將每隔1分鐘的數據進行列表分析。

在同樣的外界條件下，日光逐漸升強時引入MPPT技術的太陽能發電技術和無MPPT技術的情況下，將采集的數據進行分析，太陽能基站電源發電功率的比較如圖5曲線所示。

圖5 功率比較Fig.5 Power compared

由表1的數據可統計，在引入MPPT技術的太陽能發電技術后，發電功率增長了25.9%。

表1 日光強度逐漸增強時數據表Tab.1 Sunlight gradually increased data

太陽能發電監測主要是對太陽能電源工作時的各模塊的輸入電壓、電流，輸出電壓、電流以及環境溫度的計算與監測。上位機每五秒鐘發送命令，下位機接受到命令后即刻將實時數據傳送。如果下位機中的各分機中出現斷路、短路或通信故障等異常情況時，下位機即時發出報警信號，并傳輸給上位機，上位機接受到信號后進行報警提示。

6 結束語

文中通過采用GPRS對數據進行遠程傳輸，結合上位機軟件的監測，使整個系統的應用更為便捷，實驗證明，其傳輸與監測均具有高的可靠性，為新能源的普及提供了條件。

[1]鄭萬溪，黃元慶，張鑫，等．基于GPRS通信技術的遠程氣體檢測系統[J]．傳感器與微系統，2008，27（2）：83-85．

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[2]Lin Chin E， Li Chihching， Hou Ansang， et al．A real-time remote control architecture using mobile communication[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2003，52（4）：997-1003．

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