英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用于远程光伏（PV）抽水系统的低成本无线数据采集系统
Ammar Mahjoubi *，Ridha Fethi Mechlouch and Ammar Ben Brahim
摘要：本文介绍了基于16F877微控制器的无线数据采集系统的设计和开发，以及与远程光伏（PV）抽水系统现场数据采集相关的现有方法的可行性研究。论文研究了各种现有的数据传输技术，特别是卫星，无线电，全球移动通信系统（GSM）和通用分组无线业务（GPRS）；描述了系统的硬件和软件以及测试其性能的应用程序。该系统将用于阅读，存储和分析位于突尼斯南部干旱地区偏远地区的几个光伏水泵站的信息。远程通信基于GSM网络，特别是短文本消息服务（SMS）。通过这个集成系统，我们可以编制一个完整的与突尼斯PV水泵系统有关的参数数据库。这些数据可通过互联网提供给感兴趣的各方。
关键字：数据采集系统;数据传输;全球移动通信系统（GSM）;短消息服务（SMS）;光伏水泵系统;偏远地区
- 介绍
凭借良好的地理位置，人们认为突尼斯是能够充分利用太阳能辐射的国家之一。光伏（PV）抽水是突尼斯主要的太阳能应用之一，位于突尼斯南部干旱地区的偏远地区有几个光伏水泵站。
准确掌握给定的光伏水泵系统参数信息，对项目的开发至关重要。除了其他气象信息，如倾斜和水平表面上的全球太阳辐射以及环境温度，此信息（特别是光伏电场的水流量，电压和电流，以及环境温度）用于设计，成本分析和计算一个项目的效率。
对于突尼斯来说，由于测量设备的成本和维护以及校准要求，这些数据不易获得。 因此，在突尼斯组装完整的与PV水泵系统有关的参数数据库是非常重要的。 这些数据可以通过互联网提供给感兴趣的各方。
利用电子系统实现实验自动化将使这些地区的气象资料获取变得更加容易。目前，使用传统电子设备或基于微处理器数据采集系统的仪器被用于收集，登记，整合和记录气象数据，其中大部分是专门为太阳能应用而设计的[1-7]。
最近，Koutroulis [8,9]提出了一种基于计算机的数据采集系统，用于监测可再生能源系统的气象数据和运行参数。 Belmili等人的论文[10]提出了一个基于计算机的仪器系统，用于表征光伏（PV）转换过程。它基于数据采集系统（DAQS）设计，允许在真实的气象测试条件下采集和绘制光伏组件的特性测量。 2008年，Rosiek等人[11]还建立了太阳能和环境监测数据采集系统。该系统基于ATmega 16微控制器，可在任何可编程间隔内一起扫描八个传感器。本文介绍了该项目的研究，应用和原型系统及其程序的一些主要特征。
Benghanem [12]建立了一个基于微控制器的实验系统，以获取从孤立场地的光伏设备发出的数据。这项工作介绍了一个通用数据采集系统的设计，该系统由易于使用的组件组装而成，并可从中央服务器轻松访2010年，Benghanem开发了一款使用PIC16F877微控制器的无线数据采集系统（WDAS）[13,14]。拟议的WDAS基于精密电子电路和使用LabVIEW软件进行图形化处理，显示和存储收集的数据。
Tseng等人的论文[15]研究了使用GSM-SMS技术进行现场数据采集的可行性，以便对精准农业中的环境参数进行有效的现场测量。 SMS数据格式设计用于传输测量的现场数据，并设立了原型测试系统来执行相关的实验。考虑的参数包括时、位置、温度、湿度、风速和捕获的有害生物的数量的测量。
在这篇文章中，设计了一个基于微控制器的数据采集系统。这个系统将在下面的章节中介绍，它是围绕10位16F877微控制器设计的，并将应用于远程光伏水泵系统。选择这个特定的微控制器是为了生产一个快速和低成本的原型。来自传感器的信息传送到微控制器，在那里处理它，然后将其发送到外部EEPROM存储器，并通过全球移动通信系统（GSM）网络传送到个人计算机，特别是使用短文本消息服务（SMS）。
- 方法
在本节中，描述了数据采集系统（数据记录器）设计和各种现有的远程数据传输技术。 数据记录仪由一组用于测量气象（例如太阳辐照度，温度等）和光伏参数（水流量，光伏电压和电流等）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，然后传输到个人电脑（PC）。下面的图1显示了现有系统设计的示意图。
图1.从PV水泵站到个人电脑的数据。
来自数据记录器的信息可以通过USB，RS232，RS485或以太网等直接连接或无线调制解调器、卫星、互联网或GSM调制解调器/ GPRS等远程传输方式传输至PC，在PC中使用适当的数据采集软件。然后使用合适的软件进一步处理，显示和存储收集到的数据到PC的数据存储系统。
图2显示了现场数据收集及其传输到个人计算机的各种可能性的总体方案。 考虑到上述情况，我们首先分析其中一些系统的优点和缺点。
图2.现场数据传输的可能性
-
- 卫星传输
卫星数据传输的使用为远程站点或难以接入的站点提供了一种诱人的方法，在这种站点上不可能安装电话线或无线电运营商网络。 如图3所示，通过将测量站与卫星发射机连接，从而将数据从现场发送到接收站，从而实现通信。发射机，天线，接口电缆和软件以及系统注意事项（用于例如：可用覆盖的宽度，传输窗口，成本和任何限制）根据所使用的卫星系统而有所不同。大多数通信选项可以集成到我们的系统中。卫星具有很好的空间和时间覆盖范围，并且在没有电话线路的地方非常有用，但它是一种非常昂贵的方法，其主要缺点是安装成本高。
图3.通过卫星传输现场数据的方案
-
- GSM调制解调器/ GPRS传输
以下是从数据记录器到GSM调制解调器的信息传输的描述。目前，数据传输领域已经成功实现了移动电话，特别是GSM / GPRS的使用。图4给出了通过GSM调制解调器/ GPRS进行现场数据传输的总体方案。来自传感器的信息会传送到数据记录器，并由RS 232或USB接口传送到GSM调制解调器（SIM卡），然后由另一个调制解调器发送到连接的PC。在由于电路或GSM调制解调器问题导致数据传输失败的情况下，它仍保存在存储器中。它的主要优点是灵活性和无限的覆盖范围，尽管后者受到蜂窝电话普及率的限制。另一个优点是传输数据的单位数量成本低，以及远程控制设备的可选性和简单的功率需求。
图4.通过GSM Modem / GPRS传输现场数据的方案
-
- 无线调制解调器传输
无线电提供了发送和接收大量信息并降低传输成本的可能性。 在缺少电话线的情况下，这也是一个很好的选择。它的主要缺点是难以获得访问传输频率的许可以及其安装的高价格。数据记录器存储传感器检索到的信息，直到无线调制解调器请求数据。无线调制解调器基站连接到计算机或服务器。 无线调制解调器通常运行在休眠状态，直到基站请求连接。 这些器件如图5所示。
图5.通过无线调制解调器传输现场数据的方案
- 开发数据采集系统
3.1 开发的数据记录器的描述
在本节中，我们将介绍现场数据采集系统，该系统用于收集传感器信息并将其传输至PC。 收集的数据首先使用基于16F877微控制器的精密电子电路进行调节，然后使用RS232连接与PC连接。图6给出了系统设计的示意图。
图6.系统设计的模式
以下是对数据采集系统组件的描述。来自传感器的信息发送到微控制器，在微处理器中进行处理，然后通过RS 232接口传送到外部24C32A EEPROM存储器，然后传送到PC。处理过的数据被转换成它们的真实物理值（电流，电压，照射等）并由个人计算机用来分析所考虑的光伏水泵系统的性能。设计此电路时，已考虑到传感器的数量和这些传感器提供的信号。
图7给出了ISIS程序中数据记录器电子电路的方案。接口电路框图由两个子电路组成：数据采集部分和串行通信部分。该接口基于一个工作频率为20 MHz的10位微控制器（16F877），通过相应的软件处理所有不同的过程。表1列出了数据记录器电子电路的组成部分。
图7.程序ISIS上数据记录器的电子电路图
表1.数据记录器的电子电路组件
图8显示了构建电路的每个组件，它由以下元素组成：
（1）16F877微控制器
- 外部24C32A EEPROM存储器
- LF398集成电路
- MAX 232驱动器/接收器
（5）DB 9F连接器
（6）电源
（7）LM016L LCD
（8）霍尔效应传感器
（9）传感器输出
图8.数据采集系统的组件
该项目专门选择了16F877微控制器，以便生产出快速且低成本的原型;它具有正确的程序和数据存储器组合。微控制器包含8 Kb内部闪存程序存储器，以及一个大型RAM区域和一个内部EEPROM以及三个定时器（一个16位定时器和两个8位定时器）。微控制器内还包含一个8通道10位A / D转换器，非常适合实时系统和监控应用。所有端口连接器都带出标准接头，便于连接和断开连接。
外部24C32A EEPROM存储器是4 Ktimes;8（32 K位）串行电可擦除PROM。它已被开发用于先进的低功耗应用，如个人通信或数据采集。24C32A还具有最多32字节数据的页面写入功能。它能够随机读取和顺序读取到32 K边界。功能地址线允许在同一总线上多达8个24C32A器件，最高可达256K位地址空间。
LF398集成电路非常适合各种采样保持应用，包括数据采集，模数转换，同步解调和自动测试设置。
PIC16F877使用C语言进行编程。计算机（PC）上的数据采集系统结果的可视化需要实现图形界面。桌面应用程序是使用WinDev10reg;开发的。它具有一个通信控件，用于访问串行端口以进行通信。桌面应用程序用于进一步处理，显示和存储收集到的数据到PC的磁盘上。图9显示了数据采集软件界面。
图9.数据采集软件的接口
3.2 电源
图10所示的电源是我们数据采集系统的重要组成部分，它为电路提供必要的电压。
图10.数据记录器的电源
它必须确保在稳定性和监管方面的良好表现。它包含5 V，12 V电源和9 V电池的plusmn;15 V电源。它必须为使用NE 555和1N4148的电流传感器提供 15 V和-15 V控制和稳定电压。它为微控制器和使用78L05稳压器的集成电路提供了5 V的稳定电源。在转换时它应该保持稳定和规则。它使用78L12稳压器为流量计的4-20 mA回路提供稳定的12 V电源。
3.3 传感器和接口电路
传感器提供传感器系统之间的测量接口，利用物理现象的变化来测量模拟参数。所有模拟信号都是按顺序采样的，并且输入电压数据被校准以对应于实际的物理单位。校准方程具有一般形式：
yi=aixi bi (1)
其中yi是物理单位的第i个传感器输出，xi是第i个样本，ai，bi是校准常数。该系统由一组传感器组成（可记录多达6个不同的传感器），用于测量气象（如太阳辐射，温度等）和光伏参数（水流量，光伏电压和电流等）。
测量斜坡和水平面上的全球太阳辐射（Ht，H）是主要测量参数，同时也测量了抽水流量，环境温度，光电场的电压和电流（V，I），以构建完整的网站和系统的数据库。以下传感器已用于各种测量：涡轮流量计已用于流量测量。这些流量计的工作范围为0-10 m3 / h，精度为plusmn;0.05％。流量计给出一个4:20毫安的模拟信号，校准到测量的流量。太阳能电池已被用于测量水平面和光伏阵列平面上的全球太阳辐射。使用屏蔽太阳的LM 35传感器测量环境温度。已使用适当范围的霍尔效应传感器测量了光伏阵列产生的直流电压和电流以及泵电机吸收的交流电压和电流。图11所示的原理图显示了所使用的不同传感器和PIC16F877单片机的框图。
图11.远程站中的传感器和接口电子电路
3.3.1 太阳能照射传感器
太阳辐照度测量是通过光伏电池的短路电流获得的。测量方法包括获取与入射太阳辐射E成比例的短路电流Isc。太阳能电池的校准允许我们根据入射的太阳辐射获得短路电流：
ISC = KE （2）
其中K是校准因子，H是入射太阳辐射。
知道K，我们将能够确定对应于短路电流的太阳辐射E：
E=ISC/K (3)
对于我们的系统，我们使用了一个参考电池，为1000 W / m2的照射提供约100 mV的电压。但是，我们需要一个介于0和5 V之间的信
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[22757]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
