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低功耗風光互補電源控制系統(tǒng)
來源：電子技術應用2014年第2期
劉龍飛1，賈科進2，杜太行1，錢春陽3，王文貞1
1.河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津300130；2.河北工業(yè)大學 信息工程學院，天津300130；3.天津市農(nóng)業(yè)科學院 信息研究所，天津300192
摘要： 以無線電監(jiān)測基站為工程背景，設計了一種為其供電的風光互補電源控制系統(tǒng)，設計過程中著重考慮了系統(tǒng)的低功耗。系統(tǒng)通過LIN總線實現(xiàn)對分布式電池組、太陽能電池板和風機的控制。設計了一種無干擾的電源切換方法?；竞凸ぷ髡局g需要進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)控制器經(jīng)由無線AP實現(xiàn)工作站與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸和對基站的遠程監(jiān)控。
中圖分類號： TP23
文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)02-0059-03
Low-power wind-solar hybrid power control system
Liu Longfei1，Jia Kejin2，Du Taihang1，Qian Chunyang3，Wang Wenzhen1
1.School of Control Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130，China；2.School of Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130，China；3.Tianjin Academy of Agricultural Sciences, Tianjin 300192，China
Abstract： On the engineering background of the radio monitoring station, this paper designs a wind- solar hybrid power control system, the low power consumption is emphatically considered during the design process. Control for the distributed battery packs, solar panels and wind driven generator, is implemented by the LIN bus. A kind of non-interference power switching method is proposed and designed. The Ethernet controller achieves data transmission between workstation and base station and the remote monitoring for the base station via the wireless AP.
Key words : radio monitoring station；wind-solar hybrid；low-power consumption；LIN bus

    城市或者有人居住的區(qū)域一般電磁環(huán)境比較復雜，而無線電監(jiān)測設備對各種電磁信號比較敏感，因此監(jiān)測基站通常設在人員活動較少或不便的地區(qū)。這些地區(qū)由于自身所處環(huán)境的限制，難以架設供電線路，很難獲得電網(wǎng)市電的供應。
    風能和太陽能作為可再生能源，分布廣泛，越來越受到人們的重視，而且風能和太陽能不論在地域還是時間上的分布都具有一定的互補性?；陲L能和太陽能的這些特點，采用風光互補可以理想地實現(xiàn)基站的離網(wǎng)供電。本文介紹了一種具有低功耗、對監(jiān)測設備無污染、功能豐富等特點的風光互補電源控制系統(tǒng)[1]。
1 原理與設計
1.1 系統(tǒng)總體構架
    系統(tǒng)大致可以分為電源管理、以太網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸和液晶顯示三個部分。
    (1)電源管理部分：系統(tǒng)具有4組分布式電池組，風機和太陽能電池板產(chǎn)生的電能先儲存到4組蓄電池組中，兩組為無線電監(jiān)測設備供電，另外兩組作為控制器的電源。主控芯片通過LIN總線獲得風機、太陽能電池板和各組蓄電池的實時狀態(tài)，以此為根據(jù)實現(xiàn)對蓄電池的充放電控制。
    (2)以太網(wǎng)無線傳輸部分：系統(tǒng)通過SPI接口實現(xiàn)和以太網(wǎng)控制器ENC28J60的數(shù)據(jù)交換，進而通過無線AP與工作站互相連接通信。工作站可據(jù)此獲得基站的實時狀態(tài)，進而實現(xiàn)對基站的遠程控制。
    (3)液晶顯示部分：具有3個可切換的顯示界面。液晶屏具有較高的功耗，現(xiàn)場無人時不需要開啟，因此系統(tǒng)設有2個垂直放置的雙元探頭熱釋電模塊，當檢測到現(xiàn)場有人時啟動顯示屏。
    系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。


1.2 主控芯片
    主控芯片采用了基于ARM的32 bit Cortex-M3 MCU系列的STM32L152VBT6芯片。此芯片最大的特點是低功耗，在低功耗模式下，工作頻率為32 kHz時其電流消耗只有9 μA，睡眠模式下只有4.4 μA。STM32L152VBT6芯片工作電壓為1.65 V～3.6 V，具有24通道12 bit的A/D轉換器，模數(shù)轉換速率最高可達1 MS/s，采集精度和速度均可滿足電壓電流檢測所需的A/D數(shù)據(jù)采集。
1.3 電源管理部分
1.3.1 電壓電流檢測
    風機、太陽能電池板和分布式電池組均有電壓電流檢測部分。使用霍爾電壓傳感器HFV10-25AS和霍爾電流傳感器ACS712實現(xiàn)對電壓電流的檢測。HFV10-25AS內(nèi)部線圈匝比為2 500:1 000，能輸出與檢測的電壓成比例的電壓信號，線性度0.2%FS，響應時間快(只有40 μs)，失調(diào)電壓溫漂±1.0 mV。ACS712內(nèi)置有精確的地偏置線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測電流成比例的電壓信號，噪聲低，響應時間快(5 μs輸出上升時間，對應步進輸入電流)，總輸出誤差最大為4%，輸出靈敏度高(66 mV/A~185 mV/A)[2]。電壓電流檢測電路(1路)原理圖如圖2所示。

    I_IN+和U_IN+為需要檢測的電流電壓進口端，I_ADC和U_ADC為經(jīng)過霍爾傳感器變換后輸出的相應的電壓值，與控制器的A/D轉換器通道相連?；魻杺鞲衅鞯膽每梢跃_快速地實現(xiàn)電壓電流的檢測，且應用方便、性價比高。
1.3.2 分布式電池組數(shù)據(jù)傳輸及控制
    主控芯片通過LIN總線獲取各個部分的電壓電流等實時狀態(tài)信息。LIN總線是一個低速的A類串行總線協(xié)議，只需要一根12 V的單線總線，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為20 KBaud，最大傳輸距離為40 m，一個LIN網(wǎng)絡最大可掛載16個節(jié)點。LIN總線可以簡單方便地實現(xiàn)對傳輸速度和實時性要求不高、功能簡單、性能指標要求較低的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和控制[3]，而且其較低的數(shù)據(jù)傳輸速度和單總線可以減少總線上的功耗，有效降低由總線帶來的電磁干擾。LIN總線應用的結構圖如圖3所示。

    圖3中的TJA1020收發(fā)器是一個物理媒體連接，它是LIN主機/從機協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口。主控芯片通過串口與協(xié)議控制器交換數(shù)據(jù)。主控芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)流被LIN收發(fā)器轉換成總線信號，而且電平轉換速率和波形都受到限制，以減少電磁輻射（EME）。TJA1020的接收器檢測到LIN總線上的數(shù)據(jù)流時通過RXD引腳發(fā)送至主控芯片。不需要時可使TJA1020處于睡眠模式，此時功耗非常低；需要時，TJA1020收發(fā)器可以直接通過由主控芯片控制的NSLP引腳激活。
1.3.3 蓄電池組充放電控制
    控制器根據(jù)LIN總線接收到的各個部分的實時狀態(tài)信息，控制由繼電器組成的開關陣列，實現(xiàn)對蓄電池組的充放電控制。
    控制系統(tǒng)需要的多種電壓值電源經(jīng)過整流斬波得到，在此過程中不可避免地會在電源處產(chǎn)生干擾。如若控制系統(tǒng)和無線電監(jiān)測設備都直接使用風機、太陽能電池板產(chǎn)生的電能，無線電監(jiān)測設備就有可能在電源上受到干擾，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)和結果。因此風機和太陽能電池板產(chǎn)生的電能首先存儲到蓄電池組中，且采用不同的電池組分別為控制系統(tǒng)和無線電監(jiān)測設備供電，其中為無線電監(jiān)測設備供電的兩組蓄電池組采取了充放電不同時的控制方案，即對于J1和J2，若J1與觸點1導通，則J2與觸點2導通；若J1與觸點2導通，則J2與觸點1導通。采取這種供電方式，可杜絕電源處的干擾對監(jiān)測設備的影響?？紤]到各地各時的風能和太陽能分布情況有所不同，設計的風能和太陽能的配比為2:1，可以通過控制J3和J4選擇合適的配比，提高對能源的利用率。電源切換示意圖如圖4所示。

 

 

    系統(tǒng)所用繼電器為一繞組雙觸點閉鎖型繼電。繼電器通電動作以后，自動鎖定其狀態(tài)，只有為控制線圈通反向電流才可以改變觸點狀態(tài)。閉鎖型繼電器的使用，只需在繼電器切換的瞬間為控制線圈通電，從而可有效減少驅動繼電器所帶來的功耗。
1.4 以太網(wǎng)無線傳輸部分
    由于基站所處位置和環(huán)境，鋪設有線線路基本不可能實現(xiàn)，只能依靠無線通信。在此選用5.8G無線AP，因為其頻段由于應用較少，因此數(shù)據(jù)傳輸更安全可靠，干擾也較低。主控芯片通過SPI接口與以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，進而通過無線AP實現(xiàn)與工作站的連接和數(shù)據(jù)傳輸。當不需要進行遠程數(shù)據(jù)傳輸時，可使ENC28J60進入休眠模式，可以顯著地降低系統(tǒng)的功耗。
1.5 液晶顯示部分
    顯示屏為5英寸800×480圖形點陣，工作電壓為5 V，背光關閉時電流為180 mA，開背光時電流最大將達到600 mA，功耗較大，因此只有在熱釋電模塊感應到現(xiàn)場有人或者其他需要的情況時，才予以上電使液晶屏工作，其他時間都處于斷電狀態(tài)。系統(tǒng)中使用雙MOSFET芯片來控制液晶顯示屏地與系統(tǒng)地的連接，實現(xiàn)對屏上電與否的控制。
1.6 軟件設計
    系統(tǒng)程序設計在Keil uVision 4編譯環(huán)境下使用C語言編寫，軟件流程圖如圖5所示。

    系統(tǒng)開機復位初始化后首先運行數(shù)據(jù)采集子程序，隨后進入電源切換子程序。電源切換子程序運行時，首先根據(jù)檢測到的風機和太陽能電池板電壓電流情況控制圖4中所示J3和J4的配比，為需要的電池組進行充電。各電池組根據(jù)采集到的電池組電壓數(shù)據(jù)與設定的電壓閾值VMAX、VMIN做比較，若VBAT&le;VMIN則控制充電，若VMIN<VBAT<VMAX則可選擇此電池組供電[4]。對于顯示子程序，根據(jù)熱釋電的輸出信號對顯示屏的通斷進行控制。以太網(wǎng)子程序設計每半小時與工作站連接一次互相進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完畢后選擇讓以太網(wǎng)控制器ENC28J60進入休眠模式。
2 實驗
    經(jīng)測試，LIN總線最大傳輸距離可達40 m，足以實現(xiàn)基站各個部分之間的數(shù)據(jù)傳輸；熱釋電模塊最遠感應距離可達7 m，兩個垂直交叉放置的熱釋電模塊可以實現(xiàn)對超過40 m2范圍的感應，可有效實現(xiàn)對基站內(nèi)有人與否的監(jiān)控。
    LIN總線的主/從機節(jié)點在睡眠模式下只有3 &mu;A消耗，LIN發(fā)生故障對地短接時也才只有100 &mu;A的消耗。熱釋電模塊也具有較低的功耗，靜態(tài)電流小于50 &mu;A，液晶屏選擇合適的背光亮度，實際工作電流在480 mA。以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60工作電流為250 mA，當進入休眠模式時，電流消耗降為微安級別。當顯示屏和以太網(wǎng)控制芯片同時工作時，系統(tǒng)的功耗最高，達到3.23 W；而當顯示屏處于關斷和以太網(wǎng)控制芯片處于休眠模式時，功耗只有0.06 W，系統(tǒng)絕大部分時間都運行在此狀態(tài)，故有著極低的功耗。
    經(jīng)實際測試及運用，不論風能和太陽能充足與否，控制系統(tǒng)均可滿足負載的用電需求，且運行平穩(wěn)有效，能源利用率較高，能夠理想地解決離網(wǎng)的無線電監(jiān)測基站的供電問題；對監(jiān)測設備無干擾，且系統(tǒng)有著極低的功耗；設計人性化，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控與控制等功能。
參考文獻
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[2] 董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應用[J].中國科技信息，2010(5)：1-2.
[3] 汪淼.基于LIN總線的車身控制系統(tǒng)設計[J].合肥工業(yè)大學學報，2009，32(1)：1-2.
[4] 王宇.風光互補電源控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].電源技術，2007(8)：3-4.

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