风光互补路灯无线监控系统的设计.pdf
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1、风光互补路灯无线监控系统的设计罗德塔。等风光互补路灯无线监控系统的设计D e s i g no ft h eW i r e l e s sM o n i t o r i n gS y s t e mf o rW i n da n dS o l a rP o w e r e dS t r e e tL a m p s罗德缮互告新旅华绳(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海2 0 0 2 4 0)摘要:针对风光互补路灯分布广、不便于维护、无法实时控制的现状,设计了风光互补路灯无线监控系统。介绍了无线监控系统的结构和t 作原理,分析了数据采集设计、无线通信方式和上位机监控程序的具体实现方法。经测
2、试表明,该系统工作稳定、可靠,能够实时监测到路灯系统的关键数据和运行状态,实现了对风光互补路灯系统的远程监测和控制。关键词:监控系统无线通信风光互补路灯V BG S M中图分类号:T M 6 1 4;T M 6 1 5;T H 8 6 5文献标志码:AA b s t r a c t:A tp r e s e n t t h ew i n da n ds o l a rp o w e r e ds t r e e tl a m p sf e a t u r e sw i d ed i s t r i b u t i o n,h a r dt om a i n t a i n,a n di m p
3、 o s s i b l ef o rr e a l-t i m ec o n-咖1 t h u st h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o rw i n da n ds o l a rp o w e r e ds t r e e tl a m p s T h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h i sw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y
4、s t e ma r ei n t r o d u c e d;a n dt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o n-w i r e l e s se o m m u n i e a t i o nm o d ea n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t i n gm e t h o do fm o n i t o r i n gp r o g r a mi nh o s tc o m p u t e ra r ea n a l y z e d T h et e s ti n d i c a t e
5、st h a tt h es y s t e mi ss t a b l yr u n n i n g-r e l i a b l e。a n da b l et om o n i t o rt h ec r i t i c a ld a t aa n do p e m t l o ns t a t u so fs t r e e tl a m p ss y s t e mi nr e a lt i m e It h u sr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf o rw i n da n ds o l a rp o w e r e
6、ds t r e e tl a m ps y s t e mc a nb ea c c o m p l i s h e d K e y w o r d s:M o n i t o r i n gs y s t e mW i r e l e 黯c o m m u n i c a t i o nW i n da n ds o l a rp o w e r e dS t r e e tl a m pV BG S M0 引言风光互补L E D 路灯系统由小型风力发电机、太阳能电池、智能控制器、蓄电池和L E D 光源等部分组成,其中控制器将太阳能和风能转换为电能,并利用铅酸蓄电池储能,为直流负载L E
7、 D 供电。光照强度、风速、温度等环境因素随时间、天气等条件的变化差异很大,对系统发电量有很大的影响,因而需要有一套完整的监控系统对风光互补路灯的主要参数进行全程监控,以保证路灯的安全稳定运行;同时,实施优化控制,实现最大功率点跟踪M P F F,延长蓄电池的使用寿命,从而提高系统运行效率。随着风光互补L E D 路灯数量的不断增多(主干道平均每5 0m 的间距安装一盏路灯),其维护及管理问题显得尤其突出,迫切需要开发基于无线技术的远程路灯监控系统,实现对每台路灯的状态监控,继而对整个路灯系统实现遥测、遥控、遥信智能数据采集和集中监控,提高处理事故的能力、保证亮灯效率。中国博士后基金资助项目(
8、编号:2 0 0 8 0 4 4 0 0 8 8);上海市博士后基金资助项目(缡号:0 8 R 2 1 4 1 3 4);上海市科技发展基金资助项目(编号:0 9 1 9 5 8 0 2 9 0 0);上海市教育发展基金资助项目(编号:0 9 I 朋3 7);上海市白玉兰科技人才基金资助项目(编号:2 0 0 9 舶晒)。修改稿收到日期:2 0 0 9 一1 0 一1 6。第一作者罗德塔男,1 9 8 6 年生,现为上海交通大学电机与电器专业在读硕士研究生;主要从事风光互补路灯系统等方面的研究。自动化仪表第3 l 卷第3 期2 0 1 0 年3 月1系统构成与功能设计由于风光互补路灯系统比较复
9、杂,需要监控的参数比较多,因此,采用在路灯控制器内部对各路灯系统的主要参数和外界主要因素进行数据采集,并利用现有的G S M 网络对数据进行传输,在监控中心采用V B软件对数据的接收和处理方案进行编程。风光互补路灯无线监控系统由三个模块组成,即数据采集模块、数据通信模块和数据处理模块。数据采集模块由D S P 和各信号采集电路构成,实现对各参数的数据采集;数据通信模块由西门子的无线G S M 模块组成,实现数据的远距离无线传输;数据处理模块由P C 机上的V B 软件构成,实现对数据的实时显示、分析和存档,同时对异常数据进行报警,并通知相关人员,从而完成对路灯运行状况的有效监控。1 1 数据采
10、集为了使风光互补路灯系统长期稳定运行,需要对大量的数据进行检测,如发电机参数(各相电压、电流、功率,总功率,发电量等)、蓄电池参数(端电压、充电电流、放电电流等)、环境参数(温度、风速、光照强度等)、状态参数(报警状态、工作状态、充电状态等)。由于这些不同类型的信号输入方式不同,测量范围和输出范围也各不相同,因此,要求采集系统稳定可靠。5 3万方数据风光互补路灯无线监控系统的设计罗德塔,等1 1 1 数据采集系统构成数据采集系统由数据检测、数据处理、数据传输三部分组成。其硬件电路框图如图1 所示。图1 硬件电路框图F i g 1S t r u c t u r eo fh a r d w a r
11、 ec i r c u i t图1 中:电流传感器、温度传感器、风速传感器和光照强度传感器等用来完成数据的检测;高效的信号处理器D S P 2 8 1 2 用来进行数据的处理,并通过D S P 自带的串行通信接口(S C I)实现与上位机的通信心。1 1 2 硬件设计风速风向仪风速风向仪采用S X 8 0,风速测量范围为0 5 0m s,由三个互成1 2 0 0 角、固定在支架上的抛物锥空杯组成的三杯式回转架作为感应部分,空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上,信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力的作用下,风杯组绕轴以正比于风速的转速旋转,并通过主轴带动磁棒盘旋转。风向
12、仪的3 6 个磁体形成1 8 个小磁场。风杯组每旋转l 圈,在霍尔开关电路中感应出1 8个脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加。风向传感器测量范嗣为1 6 方位,感应元件为风向标组件,角度变换为格雷码盘加光电电路。当风向标组件随风向旋转,带动主轴及码盘一同旋转时,组件每转动2 8 1 25 0,位于光电器件支架上下两边的七位光电变换电路就输出一组新的七位并行格雷码,经整形电路整形后反相输出。照度测量仪照度测量仪Z D H V B 采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器。将环境的光能量转换成电信号;电信号再经过运算放大器转换为电压信号输出,最终输出与环境照度值成正比的0 5V 电压
13、信号。光电探测器和电路处理部分完全密封在机壳之内,被测量的光信号经与机壳一体的光学保护罩入射到光电探测器,从而实现照度仪光能量的接收。当光一一工驴吲黼掣指岢一5 4P R o C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I o NV o L3 1N o 3M a r c h2 0 l O万方数据风光互补路灯无线监控系统的设计罗德塔,等并通过M C 3 5 模块转换成短消息发送至D S P 端的G S M模块,D S P 接收来自G S M 模块所收到的监控中心的指令并执行。报警时,P C 机发送报警信息,并通过G S M模块转换成短信息,
14、发送到远端工作人员的手机川。2 系统软件设计2 1D S P 程序设计本系统采用的是1 1 公司生产的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 D S P,它具有两个采用双线通信的异步串行通信接口S C I。S C I 的接收器和发送器各具有一个1 6 级深度的F I F O,这样可以减少空头服务,也减少了通信时C P U 的开销;同时,它们还可以有各自独立的使能位和终端位,可以在全双工通信中同时进行操作口J。D S P 采用中断的通信方式,这使其在执行其他任务时能及时上传数据和接收指令,提高工作效率。D S P 串口通信主程序流程如图3 所示。图3D S P 串口通信主程序流程图F i g
15、 3M a i np r o g r a mf l o w c h a r to fD S Ps e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n2 2 上位机软件设计上位机采用V i s u a lB a s i c6 0 编程。V B 环境的采用为现场数据的采集提供了强有力的支持。通过V B软件,监控中心可以发送控制指令给远端设备,并接收远端设备发送回来的数据信息;根据采集到的数据信息,采取相应的报警措施,同时以良好的界面将接收到的重要参数显示出来,并存入数据库中,以利于对远端设备的总体运行情况进行分析,从而达到最好的监控目的。2 2 1 串口通信设计系统
16、采用V B 软件自带的M S C o m m 控件来完成D S P 和P C 机的通信。V B 软件的M S C o m m 通信控件具有完善的串口数据发送和接收功能,它可以屏蔽对自动化仪表第3 l 卷第3 期2 0 1 0 年3 月硬件的操作,简易快捷地进行串行通信编程。为了实现数据完整接收,监控程序一直循环监测P C 机串口数据信息的状态。如有数据到达,则接收数据并对数据进行分析。如果数据正常,则在界面中显示并将数据入库,供以后分析使用;如果数据异常,将数据入库并标志为异常数据,同时报警,并将报警信息以短消息的方式转发给相关人员,以便及时发现故障并予以排除。V B 串口通信流程如图4 所示
17、。图4V B 串口通信流程图F i g 4F l o w c h a r to fV Bs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n2 2 2 人机界面设计上位机V B 可视化人机界面用于方便地获取数据、直观地反映路灯状态,并适时地下达操作指令,达到实时监控的目的。其主要功能如下。安全保护功能:系统管理员设定不同用户的操作等级,不同的操作等级具有不同的操作权限,从而最大限度地减少误操作和破坏性操作;远程操作功能:用户可以根据实际需求发送指令。对路灯进行远程开启、关闭操作;数据处理及实时显示功能:通过采集的数据,对L E D 路灯系统中各模拟量(如蓄电池
18、端电压、光伏输出电压、风机输出电压等)、各开关量(如路灯启停状态、蓄电池充放电状态等),以及电量参数(如能量利用率等)进行计算处理和实时显示;历史数据查询功能:存储所采集的数据,并将所要查看时间内的所有数据显示出来;实时历史曲线功能:以直观的图形方式绘制5 5万方数据风光互补路灯无线监控系统的设计罗德塔,等各监控参数的实时历史曲线,使用户更加方便地了解现场数据的变化情况;故障记录、报警功能:出现事故、故障时发出声光报警信号,显示系统报警信息,并对采集的电流、电压、风速等模拟量进行越限监视,如发生越限,立刻发出报警信号,并记录和显示越限时间和越限值,同时以短消息的方式给维修人员发送事故、报警信息
19、,保证对路灯系统的及时维护,用户还可以对未确认的报警信息进行确认;报表功能:生成远端系统各设备运行情况和报警情况的日报表、月报表、年报表,并提供打印功能;系统自检功能:用户可通过此功能了解L E D 路灯系统的运行状态,检测L E D 路灯系统是否正常运行,实现系统自检。3 系统运行测试根据搭建的实验系统,使用串口通信进行模拟测试,并对风光互补路灯系统进行监测实验,能够得到良好的监控数据和监控效果,其实时曲线湿示界面如图5所示。实时曲线显示界面反映了一段时间内路灯系统主要参数的变化曲线以及各参数之间的相互影响。图5实时曲线显示界面F i g 5D i s p l a y i n gi n t
20、e r f a c eo fr e a l-t i m ec u r v e从图5 可以看出,在当前状态下,当地的风速和光照强度都较低,风机和太阳能板输出不够大,都低于蓄电池端电压。为了保护蓄电池,防止蓄电池泄放,已将风机和太阳能板从系统断开。从以上实验数据可以看出,监控系统运行可靠,能实现对L E D 路灯系统的监控和管理功能。4 结束语该监控系统充分利用现有的无线基站网络,使用V B 软件提供的友好人机界面、完善的报警和数据分析、强大的数据库等功能模块,对风光互补L E D 路灯系统进行实时远程监控,具有网络投入费用少、运营成本低、维护管理方便等优点。经过实验验证,监控系统运行可靠、实时监
21、控能力强,可以快速预测、发现和解决系统故障,改善路灯系统的维护和管理,保证了亮灯效率,具有很好的推广和应用价值。参考文献 1 黎水平,贺建军基于G P R S 的配电变压器在线监控系统研究 J 自动化仪表,2 0 嘴,2 9(9):3 3 3 5 2 苏奎峰T M S 3 2 0 X 2 8 1 x D S P 原理及C 程序开发 M】北京:北京航窄航天大学出版社。2 0 0 8 3 李立伟,邹积岩蓄电池在线监测系统的设计与实现 J 电工技术杂志,2 0 0 2(1 1):7 9 4 欧阳名i 独立光伏系统中蓄电池管理的研究 D 合肥:合肥工业大学,2 0 0 4 5 逄玉台,王团部集成温度传
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