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开放源代码的远程太阳能监控系统的应用

尼古拉斯沃尔夫

独联体4914高级项目

顾问：戴夫小（dts@cise.ufl.edu）

12 / 11 / 09

摘要

新能源发电系统是一种逐渐流行的发电方式。作为一种新的技术，新能源系统利用的挑战已经浮现。监控技术对远程分散的发电系统的补偿正是其中一个特殊的挑战。这项工程详细介绍远程太阳能发电系统开源监控的发展。难点就在于这项工程关注的是减少能耗和平台的利用，目的就是使太阳能监控在发展中国家能够有效利用，能源和科学技术在发展中国家使用需要去承担的任务是很少的。

当前，太阳能监控技术价格高昂，专利的价格同样如此，因而限制其的普及应用。这个系统利用非客户化的硬件和开源软件，是否能够得到发展和在世界各地应用，引起了剧烈的讨论。这项工程讨论的问题之一就是展示太阳能远程监控既便宜也不复杂的概念，通过开放的能源条件来鼓励研究调查和发展。

1 介绍说明

1.1问题陈述

太阳能电池板的功率输出能力和蓄电池间状态的远程监测，对于太阳能发电系统有效的长期维护极其重要。不幸的是，当下远程监控技术价格高昂，限制其的应用，并且通常需要支付服务费给第三方，超越基本的费用，太阳能发电作为基础设施建设，作为电能供给不足的时候而被利用，这项花费可能导致远程太阳能监控系统的放弃。因此，高昂的价格和远程监控技术的专利在发展中国家的新能源系统的发展受限。

1.2远程监控系统的工作原理

太阳能发电系统存在离网和并网的工作模式。远程监控系统连接电网，并且用独立的电源为其供电。并网系统连接电网提供交流电源，这个系统的提出和远程监控系统技术的开发意义重大。远程太阳能监控系统利用控制器对蓄电池组进行算法充放电，控制器使得太阳能电池板对蓄电池充电不再是一件繁琐的任务，因而具有重要的作用；蓄电池需要的理论充电要求和充电过程的细微不平衡，事实上太阳能电池板的功率输出能够达到要求与否取决于天气状况。

监控系统是通过询问太阳能发电系统充电控制器的运行数据实现的，并且将该数据传输到远处或者指定的人。蜂窝式调制解调器或者其他的发送装置通常作为一种传输工具。许多太阳能控制器是由一系列部分组成，能够测试发送给系统的数据的传输协议。下图所示的功能图能够解释远程监控系统的高技术过程。

图1：晨星三星网络视图专用的远程监控系统

1.3监控系统如何实现离网监控

这项工程展现了太阳能监控技术的重要意义，因为它的目的是对太阳能发电系统的开源监控。更为重要的是，这个问题在国际社会和发展中国家在太阳能的应用上一直以来没有引起重视。

1.4解决方案

这项工程的目的就是设计和实施远程太阳能开源监控系统，并且实现向监察员发送有用的诊断信号。这个系统由两个部分组成，第一部分是硬件中心接到充放电控制器，以获取太阳能发电系统的诊断信号。这个部分将通过获取数据并利用电话通讯工具传输数据给服务器或者指定的人。这个系统的第二个部分是发送终端的接受软件，这个软件能够存储太阳能发电系统的历史数据，提供长久的状态监测和有效网页浏览显示。

1.5贡献

这项工程首次提供了良好的开源监控系统，而且这样的监控系统能够被使用和实现。与其他系统一样，该系统有许多应用，太阳能的监控只是其中的一个应用而已。实际上这项工程的任何装置对于远程监控而言有一定潜在的问题。最重要的是，我不想过多的去评价太阳能发电技术的应用在国际社会上所带来的价值。我坚信远程太阳能监控技术的花费在发展中国家是不符合实际的，在太阳能开源监控中适当的维护是实现学习的一种方式。

2问题领域

总而言之，远程监控是一种有用的方法。随着世界能源逐渐向绿色和新能源领域发展，发电方式将会变得分散。对比现在主流的大系统，集中式发电厂服务于广大地区的能源消费者，未来的能源基础设施将会根据不同的需求，存在不同形式的发电方式。协调这样一个庞大的系统不可能没有一个强大的监控系统。测量位置和区域性能是至关重要的，如果发电的分散能量能够被利用和并网，那么将会是非常好的。事实上，远程监控能够实现智能的并网。前面已经陈述了应用领域里总的内容，我再次回顾这项工程与其他工程的不同点，这项工程是实现最经济的的能源手段。它利用广泛有效和价格实惠的技术，以实现非传统的应用，例如，将手机作为数据传输装置。只要规划走在前沿，这项工程中的的每个设计理念都将会变成现实，并且它的功效将会被世界所模仿和学习。

3文献综述

现阶段并没有太多的文献对于远程开源监控系统问题的明确研究，应该在国际社会的发展中给予关注。然而，远程监控系统的文献和技术可以在发展中国家中得以实现。

3.1现有的监控系统

推动工业领域监控系统发展的是网络通讯箱，远程监控装置的维护通过太阳能安全管理审核技术实现，由一个德国的太阳能装置供应商提供。网络通讯箱本质就是调制解调器，通过实现反向和让观察员对太阳能发电系统监控。遗憾的是，网络通讯箱和安全管理审核之间的通讯协议没有很好的记载，或是安全管理审核技术的困难。然而，网络通讯箱需要通过以太网以实现远程数据的传输，在没有充分的网络通讯的情况下，如果我们想要让监控系统装置实现远程监控，网络通讯箱的独立作用就显得非常明显。

另外一个领先的领域由看门狗实现，是一个提供基于网络模式的高质量太阳能监控的公司。看门狗利用调制解调器从太阳能控制器发送远程数据，晨星公司的太阳能技术通过看门狗提供的监控服务。晨星太阳能通过特殊的方式与安全管理审核隔离，其使用莫迪康Modbus的通讯协议与控制器通讯。对于通讯协议的安装调试，他们提供详细的说明，因此其他的应用技术能够和他们的控制器很好的连接应用。

3.2互联网资源和硬件的选型

我们所设计的这个系统控制器是晨星—45太阳能控制器，这里有几个因数，包括我自己在以往的涉及太阳能控制器的工作经验、晨星太阳能控制器的普及应用、晨星太阳能控制器比较顺畅的事实，因为他们使用开放式Modbus的硬件通讯协议。

莫迪康Modbus通讯协议对于联网通讯的指导非常有效，也包括示例代码和更多繁琐的细节，如建立一个工作循环校验（CRC）的功能。我使用的这个说明去安装软件需要访问晨星—45太阳能控制器。晨星太阳能提供所有的文档在联网情况下去发展它的应用。“晨星应用指导手册”，例如，为数据的获得和太阳能系统的远程监控指导配置。

其他主要的技术，利用在这个项目的是开源电子原型平台。开源电子原型平台是一个开源的硬件平台，为大部分硬件爱好者所青睐。所有的硬件部分和原理图，需要建立开源电子原型平台，通过文档克隆并在线下载。要求写入和上传软件程序的开源电子原型平台板也是免费提供的。开源电子原型平台硬件环境是一个理想平台，因为它允许所需要的硬件是在任何上下文中可以找到的地方。为了验证这种可能性，我选择使用一个软硬件结合的扩展平台板来代替一个开源电子原型平台板。软硬件结合的扩展平台是一个开源的克隆电子原型板，可以从业余电子网站购买，作为一个未组装的开源电子原型平台板的一小部分零件和多层印刷电路板板袋。

本项目硬件部分是摩托罗拉w260g手机，我设计成一个数据传输装置。我选择使用这个电话，因为它的价格便宜，但我认为任何部分的硬件设计在本项目都依赖于摩托罗拉w260g的具体设计。这些设备进行交互，完成太阳能远程任务的监测，是解决问题的进一步详细讨论。这将是一个繁琐和困难的工作，枚举网络资源和可用的上市产品文件复杂，所以我要请读者对本报告的参考部分进行解读。

3.3学术背景和个人经历

这将是不可能提出的想法，这个项目在此之前没有个人经验。我已独立研究太阳能发电系统，并拥有一个在光伏设计和太阳能安装的国际认证证书。此外，这个项目灵感来至于一个国际项目，并且我自己参与这个项目中。在2007年的春天和的夏天期间，我作为工程师在冈比亚的一所学校的建筑工程上工作，利用太阳能技术作为发电和抽水的一种方式。我的工作是设计和实现这两个应用的太阳能发电系统，并传授所需的知识，以指导他们当地的项目工作者。这项工程成功与失败的激烈讨论超越这篇文章的范畴，我可以说，在这个项目的过程中远程监控问题成为一个重要的问题。

在我离开冈比亚前的一个学期，我花时间学习太阳能技术在工程应用的文献。研究显示，绝大多数此类项目在其初步完成后未能完成，因为没有将当地设备纳入维护过程中，缺少后续维护和保养。特别重要的是，太阳能发电的失败几乎总是在农村和贫困地区，因为缺乏资源和知识来维护它们。

如果我们考虑太阳能发电系统所需组件的有效维护，首要问题就是突破信息技术的发展形状。面临的挑战是基于现有光照强度和电池的合理循环。所有这些工作的完成依赖于跟踪系统的能力。因此，对于任何技术，获取和分析数据是巨大的实用程序。这当然是远程监控的基本任务，所以这是在一个相当简单的情况下，在使用可用性太阳能发电系统技术的地方，希望可以有一个显著的作用区来维护这些系统。

4解决方案

如果我们接受的这样的观点，促进太阳能发电系统发展的是一个基本挑战，就是获得系统的关键信息，并采取适当的行动，我们可以提出一个解决方案来完成远程监控系统的监控。然而，有更多的关注，不仅仅是这个。最大的远程监控的问题是它的成本。因此，一个旨在服务于系统的远程监控技术在发展中国家必须是廉价的和有效的。最重要的因素是安装后的成本最小化。

4.1系统的高级概述

这个系统分成两个部分，第一部分是硬件装置，它连接太阳能控制器，查询信息，并将信息转化为可以通过传输格式的电话通信协议（在这种情况下，是双音多频），然后在特定情况下发送数据到远程服务器或指定的人。本系统的第二部分是软件程序，将收集的数据进行传输，存储它是为了分析和进行历史数据保存的目的，允许诊断信息通过一个网络接口显示信息。我没能完成这个系统的一部分，所以我不会再深度讨论它。

本项目采用的硬件系统设计是在一定的约束条件下进行的。首先，系统不能依赖于定制的硬件。我不认为太阳能控制器是这一部分的规范，因为它可以独立操作任何监测活动，是一般要求的功能性太阳能发电系统。在我使用的微处理器中，检测控制器而让数据转换成双倍多音频翻译，我没有写过任何代码和使用专有的操作系统或者是编译器。

下一个主要约束是硬件系统的基本逻辑，其不能依赖于太阳能控制器通信协议。我已完全抽象出系统的这方面，让它在一个简单的C 对象中使用一个通用的接口，没有违背任何底层硬件协议。这个接口将必须连接每一个太阳能控制器，有一个不同的硬件协议比晨星Modbus协议容易实现，这当然是可以预期的。

这个项目的最后一个主要制约因素是完全开源。实施该项目没有利用任何专有软件，并没有硬件被用于一个特定环境，需要许可或特定的特许权使用费。我用的手机是摩托罗拉w260g，其电路实际上是一个专用的设计，但是我没有使用任何功能，对每一部手机而言这不是通用的，所以这一事实是不相关的。

4.2这些部分如何配合在一起

我用的开源电子原型平台设计称为串行接口通讯板，具有一个内置服务器-232端口。其需要与晨星太阳能控制器连接，它允许外部设备来审问它而通过一个服务器-232九针串口。软硬件结合的可扩展平台板是基于开源电子原型平台规范，并采用异步串口通讯控制芯片328 、16兆赫和14微处理器、数字I/O引脚。我用这些九引脚电路焊接到摩托罗拉w260g手机操作键盘。有十四个输入的键盘，之所以关注这个项目，原因是他们用的是共同的手机：第一个是双倍音频按键和两个电源开始按钮。

为了消除独立的电池充电的繁琐过程，因而由软硬件结合的可扩展平台板供电，蓄电池的正极端与电线连接到 5V输出的软硬件结合的可扩展平台板。这允许手机键盘的按键没有电池，并消除了潜在的并发症的问题。最后一个电路必须建立在蜂窝主板上，由一个中断电路的供电。

光隔离器中使用的电路，键盘操纵许多地方。因为一个手指按压的机械作用是在键盘上的一个电气隔离事件，在为了正确地模拟信号，从一个微处理器的每一个按键电路的控制信号必须是电气隔离。在键盘上按键是抽象的，获得的数据通过按下太阳能控制器右键，转换成双倍多音频。键盘提供0-9的值，这当然是一个十进制系统。面板上的电压值和太阳能控制器可以简单地按下逐字的呼叫。为了平息混乱的软件系统，必须解释这个双倍多音频字符串在接收端的电话，“#键作为字段分隔符。

5结果

这项工程的硬件方面，在成功完成中呈现出这项工程的许多问题和复杂方面。软件方面而不是，我描绘了数据传输装置的安装，在总结部分对软件说明进行了详细的讨论。

这项工程的第一个难题就是正确电路的合理设计，从而去连接蜂窝手机主板。我能用焊接和一些创造性的组合使用叉端子，以建立适当的电路，以打破外部的键盘上的节点操纵。下一个巨大的障碍是如何用电子方式来交换钥匙。我的第一次方法是使用三态缓冲区。不幸的是，控制信号不是通过电隔离方式切换。光隔离器解决了这一难题，成为廉价的解决方案。

图2：完成硬件的安装

5.1硬件编码

开源电子原型平台编译器拥有两种功能，实施的任何程序被上传到一个平板。这些都是相当直观和简单的：有一个设置方法和循环方法。在这种情况下设置的功能是简单的。在其他所有的初始化中完成了功能设置，手机上的电源按钮操作，一段时间为4秒，然后等待20秒。需要打开和允许手机到达一个准备接受电话的状态。只要内部主控制回路动作，逻辑程序也相当简单。

void loop()

{

// check if time to do a transfer

if( incoming call interrupt has fired )

{

// output our data frame

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