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基于无线数据采集系统监测的气象数据测量
摘 要：估算一个地区的太阳能潜力需要详细的太阳辐射气候学，并且有必要收集覆盖该地区所有气候带的高精度辐射数据。 在这方面，考虑到偏远地区的能源需求，无线数据采集系统（WDAS）将有助于估算太阳能潜力。 本文解释了WDAS评估太阳能的设计和实施。 所提出的系统由一组用于测量气象参数的传感器组成。 收集的数据首先使用精密电子电路进行调节，然后通过无线单元使用RS232连接与PC连接。 LabVIEW程序用于进一步处理，显示和存储收集到的数据到PC磁盘中。 所提出的架构允许快速系统开发并具有灵活性的优点，并且可以容易地扩展用于控制诸如光伏系统的可再生能源系统。 带有行政信息系统和报告工具的WDAS有助于挖掘大量数据资源并提供信息。
关键词：无线数据采集系统远程；气象站LabVIEW监控；微控制器；可再生能源
引言
过去二十年来，可再生能源的迅速发展导致世界各地安装了许多可再生能源电力系统。 但是安装成本仍然很高，所以他们的设计优化是可取的。 然而，由于相应的能源生产受到气候条件的高度影响，因此需要详细了解系统安装地点的气象数据。 在许多情况下，需要来自许多不同地点的气象数据，以评估描述可再生能源空间变异性的模型。 因此，自动化数据库管理系统的发展是不可或缺的。 这样的系统通常由用于记录感兴趣的信号的基于微控制器的单元组成，而收集的数据通常被传输到PC以用于存储和进一步处理。
另一个应用是在远程部署的可再生能源系统，尤其是光伏（PV）安装中收集天气数据和模块性能数据。 收集的天气数据包括风速，风向，降雨量，环境温度，大气压力，相对湿度和太阳辐照度。 因此，PV系统的性能监测需要记录适当的天气参数。
数据采集系统广泛用于可再生能源应用中，以便收集有关已安装系统性能的数据，用于评估目的 [1]。 一个真正的风力和太阳能潜力测量被用来确定一个孤立的可再生能源的规格 [2].
为了收集和处理这些数据以及监测运行中的可再生能源系统的性能，已经开发了许多数据采集系统以评估其性能 [3–5]。 数据采集系统已经设计并用于监测光伏电池充电和水泵系统的性能 [6,7]。 连接到基于微控制器的单元的A / D转换器记录一组传感器的信号，而收集的数据存储在本地EPROM中。 微控制器收集的数据通过一个RS-232串行连接传输到一台PC上，并存储起来作进一步处理。 太阳照射和环境温度测量实施了相同的架构 [8– 10]。 已经制定并提出了一种不同的方法 [11]。 商业数据记录单元已被用于测量混合光伏 - 柴油系统的一组气象和运行参数。 收集到的数据通过RS-232串行接口传输到PC，使用LabVIEW数据采集软件进行处理。 然而，与数据采集卡方法相比，数据记录单元缺乏灵活性，另外，它不能用于可再生能源系统控制。 上述设计方法的一个共同特点是基于微控制器的数据记录单元用于测量感兴趣的信号并通过RS-232串行接口将收集的数据连接到PC。但是，如果需要高级控制功能，串行数据传输会限制系统性能。
已经开发了用于可再生能源系统监控的集成数据采集系统 [12]。 一组传感器用于测量大气和土壤条件以及与混合光伏/风力发电机组电力系统产生的能量有关的量，例如光伏阵列电压和电流，风力发电机速度。 收集到的数据进一步处理，显示在显示器上并存储在磁盘中。 由于用户的需求，所有这些数据采集系统都有非常广泛的应用。 为此，我们设计的无线测量系统将受到普通用户的欢迎。
气象数据的另一个应用是生成典型的气象年（TMY）数据。 实际上，有三种方法用于生成TMY数据集，使用10年（1995-2004年）来自热带环境中四个台站的气象数据 [13]。 因此，为了验证这些方法，作者比较了从TMY方法获得的月平均全球辐射和10年小时数据。 同时，作者还比较了从TMY方法获得的月平均温度，相对湿度和风速的变化以及10年小时数据。 由于空气温度和风速是3小时周期数据，因此这些数据通过数学插值得到小时数据。 10分钟的平均太阳辐射再次平均为每小时
太阳辐照度的平均值。
然而，在我们的情况下，为了避免数学插值，我们设计了一个无线数据采集系统（WDAS），为我们提供实验小时数据。 这提高了测量数据的精度，然后将测量数据与模型模拟的数据进行比较将更加显着。
在测量系统的设计中，我们必须选择合适的精密电子电路以及构成气象传感器的不同部件，以减少测量误差。 事实上，一个地点的风速可以通过在气象（气象）塔顶安装风速计来测量 [14]。 作者认为，顶部安装的风速计应位于其相遇塔的迎风面，提高5米直径，在顶部以上。 这会将加速错误降低到1％以下。 其他误差来源，加速航行或加速时，会聚塔顶部可能导致不正确的风速计测量。 在这种情况下，我们首先选择了无线系统，以最大限度地减少传统采集系统连接电缆导致的测量误差，传感器距离采集系统超过200米。 其次，我们选择了一个合适的电子精密电路作为接口
在传感器和测量站之间。
这项工作的主要目的是设计一个从远端站接收的数据传输系统，以显着促进数据的接收并最大限度地减少这些台站的维护成本。
在本文中，我们开发了一种低成本，自主的远程天气数据采集系统（WDAS），它使用易于使用的设备来收集本地数据并将其传输到任何配有Internet连接的PC。 WDAS用于使用无线接口收集数据并将其传输到远程服务器进行存储和处理。 数据从远程站移动到存储和分析此数据的服务器。 一组传感器用于测量气象数据（太阳辐射，气温，相对湿度，压力，风速和方向）。 传感器信号首先经过精密电子电路过滤和放大，然后通过PCI总线通过无线单元与PC连接。 收集到的数据进一步处理，显示在监视器上，并使用LabVIEW软件存储在磁盘中。 这种方法具有快速数据采集系统开发的优点，并提供了一个易于使用的图形环境，允许系统操作员轻松处理收集的数据。 所提出的无线数据采集系统没有限制，其用于大功率容量的可再生能源系统，这是这种监测和控制系统的主要目标。
本文的结构如下：对WDAS的描述，对传感器和开发的电子电路的分析将在本节中介绍 2。 远程和基站，气象监测应用程序将在章节中介绍 3 实验结果在第一节中给出 4。
2.无线数据采集系统的描述
气象站是一个现场数据采集系统，旨在收集和传输天气数据，包括降雨，风速，方向，室外温度，湿度和气压。 该系统的要求是：
- 测量天气相关数据。
- 能够无线传输数据。
- 耐候性。
- 太阳能。
实现的系统是一个便携式数据采集系统，可以在任何位置收集，存储和传输数据。
无线气象站由一个远程站和一个基站组成。 远程站采用太阳能供电，每分钟唤醒一次以收集和传输数据。 基站接收并缓冲输入数据，然后通过RS232连接将其传输到PC进行处理。 在每个站内都有专用电路卡以及独立的RF电路卡。
2.1远程站设计
远程站由四个功能部分组成：传感器，微控制器PIC（并行接口控制器）16F877，RF电路和电源。 示意图如图所示， 图1显示了所使用的不同传感器和微控制器PIC16F877的框图。
图1 远程站中的传感器和接口电子电路
传感器的电子电路和接口电路如图2所示：
图2 传感器和微控制器领域
2.1.1太阳辐射传感
太阳辐射的度量是专门用太阳能电池进行预先校准的，并使用日射强度计Kipp和Zonen。 光电流由硅PN结产生的太阳辐射传感器。
我们使用单晶硅太阳能电池来测量太阳辐射。 所使用的太阳能电池具有比普通日射强度计更重要的大光谱响应。 太阳能电池作为太阳辐射计的使用降低了所有系统的成本。 太阳能电池设备调节由两个运算放大器假定。
测量方法包括获取与入射太阳辐射成正比的短路电流ISC。 太阳能电池的校准允许根据入射的太阳能照射获得短路电流：
（1）
其中K是校准因子，Hi是入射太阳辐射。 我们使用的太阳能电池的校准系数为80mA/kW/。
短路电流的测量是通过测量分流电阻两端的电压来实现的。 为了适应，我们使用第一个运算放大器（OPA1）作为跟随器，为了进行大规模测量，我们通过电阻，和第二个运算放大器（OPA2）放大信号。 我们使用的LM 324系列由四个独立的高增益内部频率补偿运算放大器组成，这些运算放大器专门设计用于在一系列电压范围内使用单一电源供电。
2.1.2湿度感应
为了检测湿度，我们选择了Humirel HS1101电容式传感器。 该器件与CMOS 555定时器一起作为非稳态多谐振荡器使用时，会产生一个具有湿度依赖频率的信号。 为了最大限度地降低温度影响，在此设计中使用德州仪器TLC555器件非常重要。 还要注意，必须注意HS1101和555定时器的节点。 杂散电容值将导致错误和不可预知的测量。 555定时器的输出频率与相对湿度之间的关系可以从图中看出 图3。
图3 相对湿度与频率的关系
将相对湿度与频率 f 相关的一阶方程为：
（2）
二阶方程可用于提高精度，因此：
（3）
2.1.3 温度感测
LM335的温度感应非常直接。 该设备的输出等于开氏度除以100的绝对温度，因此：
Vout=温度（oK）/100
为了确定oC中的温度，我们使用等式：
= 100 * Vout -273 （4）
要用华氏度来确定温度，我们使用以下等式：（5）= 1.8 * oC 32.2=1.8* （100 * Vout -273） 32.2
然后：
= 180 * Vout -459.2 （5）
2.1.4 压力感测
摩托罗拉MPX5100A提供压力感测，其工作范围为0至16 PSI。 但是，我们只对该范围的很小部分感兴趣。 气压读数介于28至32英寸汞柱之间。 这转换为13.75-15.72 PSI。 为了增加输出的动态范围，我们增加了一个放大器电路（U4），从传感器输出中减去约3.7 V，然后将差值乘以4 。由于MPX5100可能需要高达10 mA，因此Q1被添加到提供微控制器控制的开关。
风速和方向感应使用Vector Instruments A100R型风速计和W200P型风向标分别测量风速和风向。 使用基于光耦合器和计数器的电路来测量风速。 正弦电压在风传感器的两个相位之间被转换成频率与风速成比例的TTL电平数字信号。
我们选择了Microchip PIC16F877，因为它具有正确的程序和数据存储器组合。 PIC16F877单片机包含8 Kb内部程序存储器，一起使用有一个大的RAM区域，一个内部EEPROM和三个定时器（一个16位定时器和两个8位定时器）。 一个8通道10位A / D转换器也包含在微控制器内，非常适合实时系统和监控应用程序。 所有端口连接器都带到标准接头，便于连接和断开连接。
定时器2用于测量湿度信号的周期。 A / D用于测量温度和压力传感器以及监测电池电压。 为了最大限度地提高精度，我们使用了美国国家半导体的外部4.096伏特0.1％的参考。 对于10位A / D，这提供了每个计数4 mV的分辨率。 RF链路的接口由一个使能线和一个数据输出端组成。 由于发射机电路工作在3.3 V，我们使用模拟开关从微控制器的ve-volt输出转换。
远程站的电源如图所示 图4。 当太阳照射在太阳能电池板上时，会产生足够的电力来驱动由Q1，U1和R1形成的50 mA电流源。 该电流充当三节AA NiCAD电池的涓流充电器。 电池供电U2 - 一个开关模式调节器，为微控制器和传感器提供5V电压。 其次是U3，它是一个线性稳压器，为射频电路提供3.3 V电压。 增加了L2和C5以减少来自U3的开关噪声。 当天黑时，D2用于将太阳能电池板与电路的其余部分隔离。
该设计的射频部分如图所示 图5是围绕RF Monolithic的TX5002和RX5002芯片构建的。 由于这些设备的占地面积，有必要设计一个小型印刷电路板。 幸运的是，这些芯片有一个引脚，可以让发射器和接收器都使用一块单板。 天线通过左侧的BNC插孔连接。 但是，为了使用面板安装连接器，可以将一定长度的同轴电缆连接到此焊盘。 为了最大化范围，发射器和发射器都使用k / 2接地层上的k / 4短截线天线接
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