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一种基于无线传感器网络的太阳能电池监控系统

2011/12/2    来源:万方数据    作者:梁浩  陈欣荣      
关键字:太阳能电池  无线传感器网络  监控系统  ZigBee协议  IEC6  
为管理太阳能电池组件运行工况,设计了一种基于无线传感器网络的太阳能电池实时监控系统。该系统通过分布式无线传感器网络将各数据采集模块组成自组织网络,经过多跳路由将采集的数据汇聚到监控节点以实现实时监控。系统的数据采集模块设计主要包括ZigBee的系统级芯片CC2530以实现控制和无线通信功能,以及高精度电能计量芯片CS5464,在此基础上实现了符合IEC61036标准的智能数据采集模块。系统软件部分研究了CC2530的数据传输和与CS5464数据交互等实现技术,并基于TI的ZStack-Apps Packa

    太阳能发电已成为人类寻求新能源的热点,但太阳能发电存在应用时有问歇性、发电量与气候条件有关、在晚上或阴雨天不能发电或很少发电的缺点,同时。外界环境中的覆盖物也会影响太阳能利用率,因此,为提高太阳能利用率,实时监控太阳能电池的发电量是很有必要。

    太阳能电池的基本组成单元是电池组件,电池组件是将太阳能直接转变为直流电能的阳光发电装置。多个组件经串联和并联可组成发电方阵,提供较大的电功率。太阳能电池组件具有单个组件功率大、可靠性高的特点,可单只或组成阵列使用。组件是由高转换效率的单片太阳能电池、抗老化EVA胶膜、高透光率低铁钢化玻璃和由氟塑料、涤纶复合而成的Tedlar(TPT)背膜组成,这些元件在真空下加热层压成为一个整体,最后经安装阳极化防腐铝合金边框和接线盒。成为组件成品。具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹等特性础。针对电池组件的特点,本文设计了一种低成本、智能监控、有应用价值的基于无线传感器网络的太阳能电池实时监控系统。

1 系统设计

    基于无线传感器网络的太阳能电池实时监控系统在每个电池组件上安装数据采集模块,通过无线传感器网络组成自组织网络,各数据采集模块的控制命令与采集的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,经过多跳路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理/监控中心。用户通过远程管理对传感器网络中数据采集模块进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。

    基于无线传感器网络的太阳能电池实时监控系统结构如图1所示。无线传感器网络实现了数据采集模块之间的通信、数据采集模块与上位机的通信?。整个系统组网灵活,控制可靠,管理方便,系统容量大。兼容现有系统,不受距离限制,易于编程。

 基于无线传感器网络的太阳能

图1 基于无线传感器网络的太阳能

2 硬件设计及实现

    组建太阳能电池实时监控系统,首先要求组成的节点可靠且有效。节点的设计必须满足具体应用的特殊要求,例如小型化、低成本、低功耗,并为节点配备合适的数据采集芯片、必要的计算功能、内存资源以及适当的通信设备。

    2.1数据采集节点硬件设计及实现

    太阳能电池监控系统的数据采集节点由5个主要部分组成:控制器、存储器、电能计量单元、通信、电源目前Chipcon、Freescale等公司都着力丁开发工作在2.4 GHz的GigBe。适用的芯片选用理想的无线收发芯片可以减少开发难度,缩短开发周期,降低成本,更快地将产品推向市场。选择2.4 GHz的无线收发芯片时应考虑3个方面的主要因素。

    a.收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件数量直接决定产品成本,因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片比较便宜,但需使用很多昂贵的外围元件,如声表滤波器等;还有的芯片对大线的要求高,一也会增加成本。

    b.发射功率。在同等条件下,为了保证有效和可靠的通信.应该选用发射功率较高的产品。

    c.收发芯片的封装和管脚数。较少的管脚以及较小的封装,有利于减少印刷电路板(PCB)的面积,适合便携式产品的设计,也有利于开发和生产等。

    综合考虑上述各个因素,决定使用Chipcon公司的无线收发芯片CC2530。

    CC2530是真正的系统级芯片(SoC),提供了101dB的链路质量,具有优秀的接收灵敏度和健壮的抗干扰性、4种供电模式、工业标准增强性8051MCU、系统中可编程的闪存、8KB RAM以及许多其他强大功能的特性,以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO,支持一般的低功耗无线通信。CC2530还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈(RemoTl,Z-Stack或SimpliciTI)来简化开发,可广泛应用在2.4 GHzIEEE 802.15.4系统、RF4CE遥控制系统、ZigBee系、家庭/建筑物自动化、照明系统、工业控制和监、低功耗无线传感器网络等。

    电能计量单元的核心是CS5464,它是一个包含2个模_数转换器(ADC)、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可测量电压、电流和计算电压/电流有效值、瞬时功率、有功功率、无功功率、功率因数,用于研制开发单相、2线或3线电表。CS5464具有与微控制器通信的双向串口,可编程的电能一脉冲输出功能CS5464还具有方便的片上系统校准功能、温度传感器及电压下降检测、相位补偿功能。它的工作温度范围宽(-40~85摄氏度),采用+5V单电源供电功率、能量、电压/电流有效值、电压/电流瞬时值的测量结果都存放在对应寄存器的单元中,通过SPI总线访问,可将所有需要的数据全部读回。它可与分流器或互感器相连来测量电流,也可与电阻分压器或互感器相连来测量电压。

    CC2530与CS5464通过SPI连接,连接方便。SPI由CSn,SI,SO和SCLK 4个引脚构成。处理器通过SY1访问CS5464内部寄存器和存储区。在访问过程中,CS5464是SPI的从设备,接收来自处理器的时钟信号和片选信号,并在处理器控制下执行输入、输出操作。SPI接收或发送数据由时钟下降沿触发。

 

责任编辑:赵蔓
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