基于LabVIEW和LoRa技術(shù)的光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)莉莉，榮世鎣，張 洋，范世龍，曹司佳

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

光伏電站是由成片的光伏電池組件組成的。光伏電站工作的穩(wěn)定性和輸出功率與每一塊光伏電池組件的工作狀態(tài)相關(guān)。如何對(duì)電站的每一塊光伏組件進(jìn)行監(jiān)測(cè)是維持光伏電站正常工作首要解決的問題。

由于光伏電站的電池組件大多安裝在遠(yuǎn)離城市且光照較好的空曠地區(qū)，對(duì)它們運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前主要有以下兩種方法：

（1）現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)：即直接監(jiān)測(cè)每塊電池組件的運(yùn)行參數(shù)，再傳遞給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷。這種方法布線麻煩，而且擴(kuò)容不便。

（2）無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)：即利用無線傳輸技術(shù)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心的上位機(jī)，監(jiān)控中心與電池組件的距離可以達(dá)幾十米到十幾公里。這樣就解決了電站維護(hù)人員每天跑路維護(hù)電池組件的問題。當(dāng)某個(gè)電池板出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)告警提示，維護(hù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)查看、解決。

從以上兩種監(jiān)測(cè)方法可以看出，利用無線傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)對(duì)光伏電池組件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)明顯優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)。

本文提出了一種基于LoRa無線傳輸技術(shù)的光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，這種方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電池組件參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分析，而且也有利于節(jié)省電站的維護(hù)費(fèi)用。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要由微控制器、溫濕度傳感器、無線通信模塊和上位機(jī)構(gòu)成。傳感器主要負(fù)責(zé)采集光伏電池板組件所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，微控制器將傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)、組件輸出電壓和電流參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給安裝在上位機(jī)的接口模塊，在上位機(jī)利用LabVIEW軟件開發(fā)監(jiān)控平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)顯示各終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)。

圖1 光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2 電池組件參數(shù)的采集及傳輸

2.1 微控制器的選擇

下位機(jī)使用的控制器主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、光伏組件輸出電壓和電流參數(shù)的采集，以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。選型過程中主要從數(shù)據(jù)處理的速度、穩(wěn)定性和性價(jià)比等方面考慮。目前，市場(chǎng)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系列的微控制器為8位CPU，處理速度慢，存儲(chǔ)器容量較小，適合于對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合。PIC系列微控制器抗干擾性能好，集成的模塊多，多用于工業(yè)級(jí)應(yīng)用。AVR系列集合了PIC系列和51系列的優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比高，多用于儀器和通信方面。MSP430系列是16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，但相關(guān)資料較少。STM32系列單片機(jī)于2007年由意法半導(dǎo)體公司發(fā)布，它基于ARM公司出品的Cortex-M3內(nèi)核，具有32位CPU超高處理速度，且功耗低，目前被廣泛應(yīng)用。

綜合以上信息，本監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機(jī)微控制器選擇使用STM32系列中的STM32F103ZET6型號(hào)。

2.2 溫濕度數(shù)據(jù)的采集

由于光伏電池組件需要在外界環(huán)境中工作，因此會(huì)遭遇高溫、高濕的環(huán)境變化，而這些惡劣的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致太陽能電池板損壞。所以無論對(duì)光伏電池組件所處環(huán)境的溫濕度還是組件自身的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，都很有必要。光伏組件工作的環(huán)境溫度一般為-40～43 ℃，在光照充足的地區(qū)，夏天當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，安裝在屋頂?shù)墓夥M件背板的溫度可達(dá)63 ℃。根據(jù)以上光伏組件工作時(shí)溫濕度的相關(guān)參數(shù)，本系統(tǒng)選用DHT22溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)，而且DHT22是數(shù)字化溫濕度傳感器，在硬件設(shè)計(jì)上，可以直接與微控制器接口[1]。

DHT22溫濕度傳感器又稱為AM2302，它采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、體積小、功耗低等特點(diǎn)。DHT22測(cè)量溫濕度的范圍為：濕度0～99.9%RH（±2%RH），溫度-40～+80 ℃（±0.5 ℃）。

DHT22是單總線數(shù)據(jù)格式，采用4針單排的封裝形式。驅(qū)動(dòng)只需3根線：電源線、信號(hào)線和地線，供電電壓為3.3～6 V，與STM32的狀態(tài)交互和數(shù)據(jù)傳輸只需要將DATA引腳與STM32的I/O引腳連接即可。

DHT22的數(shù)據(jù)格式為40位數(shù)據(jù)，即16位濕度數(shù)據(jù)、16位溫度數(shù)據(jù)、8位校驗(yàn)和。與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要嚴(yán)格的時(shí)序控制，首先需要完成設(shè)備之間的應(yīng)答，當(dāng)STM32向DHT22發(fā)送至少500 μs的低電平開始信號(hào)后，拉高數(shù)據(jù)總線，等待20～40 μs后，開始檢測(cè)DHT22的響應(yīng)信號(hào)。DHT22的響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)約80 μs的低電平，之后DHT22拉高數(shù)據(jù)總線保持約80 μs的高電平，最后進(jìn)行40位數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 光伏電池組件輸出電壓電流的采集

光伏電池組件由不同規(guī)格或數(shù)量的單個(gè)太陽能電池片組合構(gòu)成，因此光伏電池組件的功率、輸出電壓和電流與構(gòu)成它的單個(gè)太陽能電池片數(shù)量有關(guān)。

光伏電池組件的主要電參數(shù)有：最大輸出功率、最大輸出工作電壓、最大輸出工作電流、開路電壓和短路電流。由于光伏電池組件尺寸不同，最大輸出功率從幾瓦到幾百瓦不等。單個(gè)電池片的輸出電壓約0.5 V，如果內(nèi)部采用串聯(lián)方式，則電池組件的輸出電壓為0.5 V乘以電池片的數(shù)量。通常電池板電壓為18 V、36 V，分別用于12 V、24 V離網(wǎng)系統(tǒng)。

無論光伏電池組件輸出的工作電壓和電流是多少，如果要用STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓的數(shù)字化測(cè)量，就需要對(duì)電池組件的輸出電壓做分壓處理，才能送達(dá)單片機(jī)引腳。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)輸出電壓不超過36 V、輸出電流不超過4.5 A的光伏電池組件進(jìn)行電壓采集前，先對(duì)其進(jìn)行降壓處理，使其降到STM32的電壓范圍內(nèi)之后再采集；電流采集前先通過0.1 Ω的康銅絲采樣電阻將其轉(zhuǎn)換成電壓，放大之后再進(jìn)行采集。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于測(cè)試階段，為方便調(diào)試，用穩(wěn)壓電源的輸出代替光伏電池組件的輸出，程序處理時(shí)，再進(jìn)行相應(yīng)放大[2-4]。

STM32F103ZET6芯片具備3個(gè)內(nèi)置的ADC控制器，每個(gè)ADC均為12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。所以在硬件設(shè)計(jì)上，可以直接將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)接入STM32的I/O引腳，不必再外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室搭建的測(cè)試環(huán)境如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室搭建的溫濕度、電壓電流采集環(huán)境

2.4 基于LoRa技術(shù)的參數(shù)傳遞

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)就是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。當(dāng)前市面上近距離無線傳輸模塊主要有藍(lán)牙、ZigBee、WiFi、LoRa。在選擇無線傳輸模塊時(shí)，主要考慮傳輸距離和功耗。藍(lán)牙是一種通用的短距離無線電技術(shù)；WiFi無線技術(shù)主要為移動(dòng)設(shè)備接入LAN（局域網(wǎng)）、WAN（廣域網(wǎng)）以及互聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)，一般應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸量較大的場(chǎng)合，傳輸距離為100～300 m；ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，傳輸距離為10～100 m。LoRa即遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa），它最大的優(yōu)勢(shì)就是在功耗相同的條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離和低功耗的統(tǒng)一，其典型范圍為2～5 km，最長(zhǎng)距離可達(dá)15 km，常用于大型工廠和林區(qū)等。

由于光伏電池組件一般安裝在空曠地區(qū)，在對(duì)它的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，往往希望能夠在幾公里之外實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免維護(hù)人員來回奔波。基于這個(gè)原因和以上幾種無線傳輸技術(shù)的比較，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸[5-7]。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用的LoRa模塊為ATK-LORA-01，工作頻率為410～441 MHz，模塊通過一個(gè)1×6的排針同外部電路連接。LoRa模塊在使用時(shí)，兩個(gè)模塊配對(duì)使用。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，一個(gè)LoRa模塊與STM32單片機(jī)連接，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)；另一個(gè)模塊與上位機(jī)連接，接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)。LoRa模塊的數(shù)據(jù)格式包括透明傳輸、定向傳輸、廣播與數(shù)據(jù)監(jiān)聽。本次在程序設(shè)計(jì)中使用透明傳輸模式。

與上位機(jī)連接的LoRa模塊需要使用一個(gè)TTL轉(zhuǎn)USB模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能，再與上位機(jī)USB口連接。實(shí)物連接如圖3所示。

圖3 上位機(jī)與LoRa的連接

3 基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)程序需要實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)和組件電壓、電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所以需要一個(gè)良好的人機(jī)交互界面。LabVIEW軟件是一種圖形化的編程語言，具有豐富的前面板控件，方便開發(fā)出良好的人機(jī)交互界面。所以本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用LabVIEW軟件開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序。

LoRa接收模塊已經(jīng)通過TTL轉(zhuǎn)USB模塊與上位機(jī)連接，所以上位機(jī)程序首先要實(shí)現(xiàn)從USB口接收數(shù)據(jù)。在LabVIEW中可以利用VISA節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串行通信編程，LabVIEW將這些VISA節(jié)點(diǎn)單獨(dú)組成一個(gè)子模塊，共包含8個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)初始化串口、串口寫、串口讀、中斷以及關(guān)閉串口等功能[8-10]。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)的監(jiān)控界面由采集界面、波形界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面組成。采集界面如圖4所示，主要是對(duì)串口的設(shè)置和采集參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)字化顯示和指針式顯示，只顯示當(dāng)前時(shí)刻的值。圖形界面如圖5所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的波形顯示，方便觀察變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面如圖6所示，可以將組件的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行文件保存，方便后期分析。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控界面——采集界面

圖5 上位機(jī)監(jiān)控界面——圖形界面

圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面——存儲(chǔ)界面

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于LoRa無線傳輸技術(shù)的光伏組件參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可以減少光伏電站在日常維護(hù)過程中的人力投入，實(shí)現(xiàn)光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。應(yīng)用LabVIEW開發(fā)的遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)控程序不僅具有良好的交互界面，還能夠?qū)崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，只需增加采集節(jié)點(diǎn)便可以方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容與多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。