前言

随着传统能源的过度消耗带来越来越严重的环境污染，新能源技术孕育而生。

在新能源中，太阳能的开发利用应该得到更多的重视。

太阳能通过光电效应把太阳能转换为电能，存储在蓄电池中。

太阳能发电的核心部件是光电半导体二极管，当太阳光照射在光电二极管上时，通过内部转换电路，就可以直接把太阳能转换成电能。

我国一直都非常重视对太阳能的研究利用，对太阳能电池的研究也是我国的重大课题。

近几年，在太阳能的研究上更是增加了研发力度，提出以太阳能发电为基础的“光明工程”，投入大量资金以及高端人才进行太阳能发电技术的研究。

至今为止，都没有物联网应用在太阳能发电监测系统上成熟的案例。

如果该套监测系统研发成功，将会推动太阳能发电产业的进一步发展，可以为太阳能发电产业提供更加有效、便捷的管理，对我国新能源事业的发展有着重要的促进意义。

太阳能发电监测系统总体设计

太阳能发电监测系统包括三个部分：感知层、网络层和应用层。

首先，传感器数据采集节点是该系统的最底层即感知层，其主要功能是完成节点数据的采集，例如采集太阳能发电过程中太阳的照射度、背板以及蓄电池的温度等。

其实，主控节点组成了该系统的网络层，它的主要功能是接收数据采集节点的数据并把数据处理后打包通过GPRS的方式发送到服务器中。

最后，远程监测中心构成了该监测系统的应用层，它的主要功能是实时监测太阳能发电阵列的工作情况，可以及时了解各个传感器数据采集节点是否处于正常工作，还可以存储主控节点发送上来的数据，利用C#语言编写上位机界面，提供友好的人机交互界面，来实现对太阳能发电阵列的远程监测。

传感器数据采集节点之间通过以太网的形式与主控节点进行通信，主控经过GPRS无线透传模块，利用无线3G的形式把数据发送到服务器上，远程监测中心可以在服务器上实时查看各个太阳能发电阵列的工作情况。

传感器数据采集节点硬件电路的设计

在太阳能发电监测系统中，传感器数据采集节点主要完成传感器的数据采集和基本处理工作，其硬件功能模块如图所示。

传感器数据采集节点硬件功能框图

单片机TM4C129作为传感器数据采集节点的控制核心，它负责采集太阳辐照度、背板温度、蓄电池温度、环境温湿度等相关参数，并通过以太网传输的方式把数据传送给主控节点。

2.1太阳能辐照仪接口电路的设计

本系统利用TBQ-2C型号的太阳能辐照仪来测量太阳辐射值，其实物图如图3所示。其工作原理为热电效应原理，热接点在感应面上，而冷接点则位于仪器内，二者产生温差电势从而输出一定范围内的电压值。

在线性范围内，太阳辐照度与输出的电压信号成正比关系。为了防止环境对辐照仪的损坏，对特殊工艺加工而成的双层石英玻璃罩加以防护。

最后把太阳能辐照仪输出的电压信号接入单片机的A/D转换引脚，根据电压信号与太阳辐照度的对应关系，计算出太阳辐照度。

2.2温度传感器接口电路的设计

本系统选用单线数字温度传感器DS18B20来检测太阳能发电过程中背板和蓄电池的温度，其采用单总线的接口方式与单片机TM4C129连接时，仅需要一条接口线即可实现双向通信。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，使用方便，能适合于恶劣环境等特点。

除此之外，它的测量温度范围较宽，一般为-55~+125 ,在-10~+85 的范围内，其精度可达到0.5 。其与单片机的接口电路如图所示，以蓄电池温度传感器电路为例，PD0引脚外接4.7kΩ上拉电阻，保证总线闲置时其状态保持为高电平，DS18B20采用的是外接电源的工作方式。

温度传感器接口电路图

2.3环境温湿度传感器接口电路

本系统采用SHT10传感器来监测环境的温湿度，其采用CMOsens专利技术将温度湿度传感器、A/D转换器以及数字接口有效地结合在一起。

该传感器具有体积小、响应速度快、性价比高等特点。它可以测量相对湿度的范围为0~100%RH,温度的范围为-40~123.8 ,它采用 I2 C总线接口并且输出数字信号，这样便于与TM4C129的引脚直接相连，可直接与单片机引脚连接来测量环境中的相对湿度和温度。

其具体电路如图5所示，通过不同的控制命令来实现温湿度的测量，测量温度命令代码为“00000011”,测量湿度命令代码为“00000101”。

SHT10与单片机连接电路图

2.4 TM4C129外围电路及以太网通信电路的设计

主控芯片采用以Cortex-M4为内核的TM4C129,此微控制器具有1024KB闪存存储器，256KBSRAM,主频高达120 MHz,除此之外，它内部含有以太网物理层(PHY)的10BASE-T/100BASE-TX以太网控制器以及12位模数转换器(ADC)。不需要外界物理层芯片就可以实现以太网通信，电路图如图所示。

TM4C129以太网通信电路的设计

主控节点硬件电路的设计

主控节点的功能主要是收集各个采集节点的数据，并把整合过的数据通过GPRS的方式发送给服务器，

主控节点有两个作用：一是接收来自数据采集节点的数据；二是将接收到的数据在内部进行处理之后，通过GPRS的形式发送到服务器中。

主控节点还可以通过有线RS485的方式与PC机进行通信、通过以太网接口与数据采集节点通信、通过GPRS无线透传模块将数据采集节点的信息发送至服务器，再通过服务器连接到远程监测中心。主控节点的控制芯片是一块以ARM8为核心的AM3352嵌入式处理器，其硬件功能框图如图所示。

3.1主控制器以太网接口电路设计

主控制器与数据采集节点通过以太网的方式进行通信，主控芯片AM3352外接以太网物理层芯片LAN8720A来实现以太网通信的功能，其通过RMII接口方式与主控芯片连接，主控节点与数据采集节点之间通过以太网RJ45口进行连接，具体电路图如图8所示。

3.2 GPRS无线透传模块电路设计

由于不同太阳能发电阵列之间相隔较远，本系统采用无线的方式进行数据交互传输。无线GPRS模块通过自身携带的串口实现与服务器之间的无线数据交互。

M22的UART0口与AM3352的UART1口直接相连，而其SIM CLK、SIM IO、SIM RST与SIM卡座的对应引脚相连。AM3352通过串口UART1发送AT指令集来控制M22的状态设置、网络连接及数据的发送与接收。

GPRS透传模块电路图

软件设计

数据采集节点主程序首先要完成TM4C129单片机的初始化工作，然后要负责控制其他软件模块的运行调度。

节点上电之后TM4C129单片机开始运行主程序，完成各个模块的初始化工作之后数据采集处理程序依次读取太阳能辐照度值、背板温度值、蓄电池温度值、环境温湿度传感器的值，最后把采集到的数据通过以太网通信的方式传输给主控节点。

主控节点主要作用是收集、采集节点的数据，并把数据打包发送至服务器网络，首先主控节点完成自身的初始化工作，其次等待接收各数据采集节点发送来的数据，接收完成数据之后，把数据打包通过GPRS的方式发送至服务器网络中，其软件流程图如图所示。

实验数据分析

按方式搭建好实验平台后，开始对系统进行验证，以一个太阳能发电阵列为分析对象，把实时监测白天12小时(6:00~18:00)系统得到的数据为分析依据，将时间作为横坐标，实时辐照度、温度、湿度作为纵坐标，把实时数据以曲线的形式显示出来，将太阳能发电阵列的工作状态直观地显示出来。

背板温度传感器测得的实时温度如图所示

蓄电池温度传感器测得的实时温度如图所示。

环境温湿度传感器测得的实时湿度如图所示。

根据以上实时数据曲线可以很清楚的看到太阳能发电阵列所处的工作环境，当这些参数在合理的区间内波动时，可以认为该发电阵列处于一个正常的工作状态，当某一个参数的波动范围超过了设定的阈值时，则可以判断该发电阵列处于故障状态。

该系统为太阳能发电阵列的维护、检修等提供了便利。

结语

通过实验可以看出，该系统可以实现太阳能发电过程中各个发电阵列数据的实时采集、监测等功能。工作人员可以根据PC端显示的实时数据，及时了解太阳能各个发电阵列的工作情况，便于维护和检修。

后续可以继续在网络端进行深度优化和开发，可以开发手机APP等一些应用程序，在智能手机端便可以实时查看太阳能发电阵列的工作情况，方便快捷，使得新能源应用技术的发展更具系统化、智能化。

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