光伏儲能電動汽車充電站的監(jiān)控系統(tǒng)研究

引言

近年來，尋找可再生清潔能源成為人們研究的焦點，電動汽車的應用也是其中一個重要方面。之前的電動汽車充電站多為電力系統(tǒng)直接供電，本文采用光伏這一新能源對其供電，既節(jié)約能源，又為未來智能電網的建設奠定基礎。為保證未來高速公路上電動汽車光伏儲能充電站的安全和智能運行，需要建立起完善的光伏儲能電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)。

嵌入式技術經過近些年的發(fā)展，已經在各個領域得到廣泛的應用。尤其是網絡技術的快速發(fā)展，為以數據采集、信息處理、遠程傳輸和終端監(jiān)控為核心的實時智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了強大的技術保障。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)都是采用有線方式將監(jiān)測數據傳送到遠程監(jiān)控中心，布線困難，耗費人力、物力及財力。本文設計了基于ZigBee和4G移動網絡的電動汽車光伏儲能充電站的在線監(jiān)控系統(tǒng)。

ZigBee技術的特點是：通信距離近、功耗低、傳輸速率較低、節(jié)點成本低、協議復雜度低并且能夠自組網，在無線定位和數據傳輸等領域有明顯優(yōu)勢。

1 光伏儲能及電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 光伏儲能充電站整體框架

參考文獻介紹的光伏儲能電動汽車充電站是光伏與電網協調配合對電動汽車進行充電。電站在使用清潔能源對電動汽車充電的基礎上，可與電網協調、配合，實現“削峰填谷”的作用，符合智能電網的要求。本系統(tǒng)是依據參考文獻優(yōu)化后的光伏并網運行的充電站設計，整體框架如圖1所示。

1.2 充電站監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計

系統(tǒng)網絡采用分布式部署方式，即在充電站內建立站內控制中心，通過ZigBee將相關數據傳遞給監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心統(tǒng)一管理、發(fā)布。

光伏儲能電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構分為三層，結構圖如圖2所示。

第一層為遠程監(jiān)控中心，包括數據服務器、Web服務器和監(jiān)控主機等設備;第二層為監(jiān)控工作站，包括數據處理和數據傳輸模塊;第三層是充電站的各監(jiān)控終端子系統(tǒng)，包括配電監(jiān)控、充電監(jiān)控、煙霧監(jiān)視、溫濕度監(jiān)測和視頻監(jiān)視等監(jiān)控子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)直接與監(jiān)控工作站相連，其他的子系統(tǒng)均采用ZigBee的方式間接地與工作站連接。監(jiān)控工作站將采集到的數據處理后，利用移動無線網絡將數據傳輸到中央監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現對整個充電站的數據匯總、統(tǒng)計、故障顯示和監(jiān)控。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)的功能

充電監(jiān)控系統(tǒng)由一臺或多臺工作站或服務器組成，當充電站的規(guī)模較小、充電機數量不多時，采用單臺監(jiān)控工作站即可滿足監(jiān)控要求;當充電站的規(guī)模較大、充電機數量較多時，可以采用兩臺或兩臺以上監(jiān)控工作站。

充電監(jiān)控功能是整個充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控所有充電機的運行數據、故障報警信號，以及所有充電電池組的單體電池電壓和溫度，并提供充電機遠程控制功能，設置運行參數、參數編號及充電容量等數據;同時監(jiān)控開關機，修改電池管理系統(tǒng)，保證充電站正常運行。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

2.1 監(jiān)控工作站的硬件設計

主控模塊采用FS4412核心板，主要由CPU(EXYNOS4412)、內存(4個DDR3，每個256 MB)、EMMC、PMU(TPS65910A3，電源管理芯片)及其他外圍電路組成。

Samsung公司研發(fā)的嵌入式微處理器EXYNOS4412是一款基于ARMv7指令集的Cortex—A9核的4核32位RISC微控制器，主頻最高支持1.4 GHz。

EXYNOS4412芯片包含很多強大的硬件編解碼功能，內建MFC，支持MPEG-1/2/4、H.263及H.264等格式視頻的編解碼，支持模擬/數字TV輸出。該處理器具有功耗低、實時性快、性價比高等優(yōu)點，特別適用于對成本要求低、處理速度快的應用領域，如工業(yè)控制行業(yè)，電子、通信、醫(yī)療機械、多媒體、安全消防、車載電子、金融行業(yè)、消費類電子、手持終端、顯示控制器、多媒體教學等領域。監(jiān)控工作站系統(tǒng)硬件結構圖如圖3所示。

2. 2 數據采集模塊的硬件設計

數據采集模塊在硬件結構上分為三部分，分別為傳感器模塊、數據處理發(fā)送模塊和電源模塊。其中，數據處理發(fā)送模塊是數據采集模塊的核心，包括了處理器和無線發(fā)射器?，F在的數據處理發(fā)送模塊設計主要分為兩類，一種是將處理器芯片與無線發(fā)射芯片分開設計，另一種是將兩者集成在一個芯片上。

將處理器芯片和無線發(fā)射芯片分開的設計方法的優(yōu)勢在于，可以選用更為專業(yè)的處理器芯片，芯片的功能比較強大，實現的功能比較多，但是這種設計方式會造成功耗和制造成本的增加，并且整個電路及其布線較為復雜。

針對第一種設計帶來的負面影響，本系統(tǒng)選擇TI公司為ZigBee協議量身定做的CC2530芯片作為處理發(fā)送模塊，集成符合2.4 GHz IEEE802.15.4的無線收發(fā)器。它能夠以很低的成本建立功能和規(guī)模強大的網絡節(jié)點。CC2530具有優(yōu)良的RF收發(fā)性能，內置了標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內具有可編程閃存與8 KB RAM。

CC2530芯片具有不同的休眠運行模式，使得它適合具有超低功耗要求的系統(tǒng)。TI公司搭配CC2530系列芯片，發(fā)布了ZigBee協議棧——Z-Stack協議棧，利用CC2530芯片與Z-St ack協議?？梢越姶蠛屯暾腪igBee系統(tǒng)。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊以中興公司的ME3760芯片為核心設計，該芯片支持4G TDD-LTE/FDD-LTE網絡、全頻段，適用于TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA HSPA三種基本網絡。通過EXYNOS 4412的UART0(RXD0)、UART0(TXD0)分別與EM3760 TXD1、RXD1相連，通過串口AT命令實現對EM3760數據通信。在數據傳輸速度的提高、音頻信號的傳輸以及多媒體業(yè)務的擴展上和前三代有所不同。4G無線網絡在不同的環(huán)境具有不同的數據傳輸速率，在室內、室外和動態(tài)的環(huán)境中能夠分別支持下行100Mbps、上行50 Mbps的傳輸速率。

3 系統(tǒng)軟件的設計

光伏充電站實時監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計采用C/S模式，以EXYNOS4412平臺作為客戶機，以PC上位機監(jiān)測中心作為服務器?？蛻魴C的主要任務是把實時采集的數據通過無線網絡發(fā)送到Internet上，服務器的任務是從Internet上接收所監(jiān)測到的數據并存儲到數據庫。

3.1 系統(tǒng)移植

3.1.1 環(huán)境搭建

本文以PC機為宿主機，在Win7系統(tǒng)上安裝虛擬機軟件模擬計算機，并裝有Ubuntu12操作系統(tǒng)。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.6.4，將壓縮包解壓到安裝目錄下，命令行輸入“#tar-xvf Arm-linux-gcc-4.6.4.tgz-c/命令”后完成解壓;再把編譯器路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量，執(zhí)行命令“#vim～/.bashrc編輯～/.bashrc文件”，在最后一行添加“export PATH=(編譯器的安裝目錄)/bin：$PATH”，這樣虛擬機上就安裝好了交叉編譯環(huán)境。

開發(fā)時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及鏈接工具形成可執(zhí)行的二進制代碼，然后通過串口利用Windows上的超級終端軟件把可執(zhí)行文件下載到目標板上運行。

3.1.2 Bootloader的移植

Bootloadm‘以其本身的含義來講就是下載和啟動系統(tǒng)，它類似于PC中的BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))，使用Uboot作為引導加載程序。首先，選擇Uboot的版本，本文選擇的是最新的支持使用的CPU版本，CPU是EXYNOS4412，Uboot-2013.01.tar.gz版本是支持比較完善的，具有BOARD功能的型號。選擇好版本后到官網下載源碼，然后解壓縮，最后配置編譯源碼(盡量少改代碼，先保證最基本的編譯通過、能運行)。具體步驟如下：

①修改Makefile，改成上面安裝的交叉編譯工具鏈;

②使用官網上已經發(fā)布的和本系統(tǒng)開發(fā)板最接近的board配置，編譯運行。

3.1.3 內核移植

目標板采用的內核版本是Linux-3.14，解壓后進入源碼的頂層目錄，具體的步驟：

①修改Makefile，指定交叉編譯工具鏈;

②導入配置，選擇最接近本系統(tǒng)板子的官方配置，執(zhí)行命令#Make exynos_defconfig;

③輸入命令#make menuconfig進入內核配置界面，完成對串口、SD卡、CMOS攝像頭和USB無線上網卡等多項驅動的配置，并對YAFF2S根文件系統(tǒng)進行配置，配置完成后在主菜單選擇保存退出;

④輸入命令make uImage開始編譯內核，編譯完成后會在arch/arm/boot目錄下生成內核鏡像文件uImage;

⑤編譯設備樹，執(zhí)行命令#make dtbs。

最后將編譯好的內核和設備樹文件下載到板子上運行。

3.2 ZigBee模塊的軟件設計

TI公司為CC2530芯片搭配了Z—Stack協議棧，用戶使用這款芯片可以很簡單地開發(fā)自己的應用程序。Z—Stack協議棧使用了名叫OSAL的操作系統(tǒng)來對協議棧中的進程進行調度，不需要了解這個操作系統(tǒng)的細節(jié)，只需要調用系統(tǒng)提供的API接口來開發(fā)程序，就如同開發(fā)Windows應用程序一樣。

Z—Stack由主函數main()函數開始執(zhí)行，主要完成兩項工作：一是系統(tǒng)初始化，二是進行輪詢操作。時間查詢流程圖如圖4所示。

服務器使用socket()函數創(chuàng)建一個套接字，然后用bind()函數將套接字與本地地址和端口號進行綁定;綁定成功后，客戶端根據服務器域名獲取服務器的IP地址，然后利用socket()創(chuàng)建套接字;客戶端調用sendto()函數向服務器發(fā)送服務請求報文，調用recvfrom()函數等待并接收服務器的應答報文;雙方通過socket套接字進行數據的發(fā)送與接收，實現Cortex—A9平臺與PC上位機之間通信。

其他的檢測信息和控制命令采用基于連接的、可靠的TCP/IP協議進行傳輸。

結語

設計了一個基于嵌入式Linux的光伏電動汽車充電站的監(jiān)控系統(tǒng)，以嵌入式微處理器EXYNOS4412為核心，結合ZigBee模塊和4G無線網絡模塊，實現與底層傳感器和上位機的通信。

在本系統(tǒng)中應用了設備樹方式編寫驅動，簡化了代碼。經測試，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、實時性好、可靠性高等優(yōu)點，可廣泛應用在我國高速公路網中的光伏儲能電動汽車充電站中，以解決監(jiān)測中的問題。