光伏儲能電動(dòng)汽車(chē)充電站的監控系統研究

引言

近年來(lái)，尋找可再生清潔能源成為人們研究的焦點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)的應用也是其中一個(gè)重要方面。之前的電動(dòng)汽車(chē)充電站多為電力系統直接供電，本文采用光伏這一新能源對其供電，既節約能源，又為未來(lái)智能電網(wǎng)的建設奠定基礎。為保證未來(lái)高速公路上電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充電站監控系統。

嵌入式技術(shù)經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應用。尤其是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的快速發(fā)展，為以數據采集、信息處理、遠程傳輸和終端監控為核心的實(shí)時(shí)智能監控系統的開(kāi)發(fā)提供了強大的技術(shù)保障。傳統的監控系統都是采用有線(xiàn)方式將監測數據傳送到遠程監控中心，布線(xiàn)困難，耗費人力、物力及財力。本文設計了基于ZigBee和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的電動(dòng)汽車(chē)光伏儲能充電站的在線(xiàn)監控系統。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是：通信距離近、功耗低、傳輸速率較低、節點(diǎn)成本低、協(xié)議復雜度低并且能夠自組網(wǎng)，在無(wú)線(xiàn)定位和數據傳輸等領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢。

1 光伏儲能及電動(dòng)汽車(chē)充電站監控系統

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(dòng)汽車(chē)充電站是光伏與電網(wǎng)協(xié)調配合對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。電站在使用清潔能源對電動(dòng)汽車(chē)充電的基礎上，可與電網(wǎng)協(xié)調、配合，實(shí)現“削峰填谷”的作用，符合智能電網(wǎng)的要求。本系統是依據參考文獻優(yōu)化后的光伏并網(wǎng)運行的充電站設計，整體框架如圖1所示。

1.2 充電站監控系統的整體設計

系統網(wǎng)絡(luò )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(guò)ZigBee將相關(guān)數據傳遞給監控中心，由監控中心統一管理、發(fā)布。

光伏儲能電動(dòng)汽車(chē)充電站監控系統的網(wǎng)絡(luò )結構分為三層，結構圖如圖2所示。

第一層為遠程監控中心，包括數據服務(wù)器、Web服務(wù)器和監控主機等設備;第二層為監控工作站，包括數據處理和數據傳輸模塊;第三層是充電站的各監控終端子系統，包括配電監控、充電監控、煙霧監視、溫濕度監測和視頻監視等監控子系統。視頻監控子系統直接與監控工作站相連，其他的子系統均采用ZigBee的方式間接地與工作站連接。監控工作站將采集到的數據處理后，利用移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到中央監控管理系統，實(shí)現對整個(gè)充電站的數據匯總、統計、故障顯示和監控。

1.3 監控系統的功能

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

充電監控功能是整個(gè)充電站監控系統的核心功能，監控系統監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(shí)監控開(kāi)關(guān)機，修改電池管理系統，保證充電站正常運行。

2 監控系統的硬件設計

2.1 監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(gè)DDR3，每個(gè)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A(yíng)RMv7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(shí)時(shí)性快、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對成本要求低、處理速度快的應用領(lǐng)域，如工業(yè)控制行業(yè)，電子、通信、醫療機械、多媒體、安全消防、車(chē)載電子、金融行業(yè)、消費類(lèi)電子、手持終端、顯示控制器、多媒體教學(xué)等領(lǐng)域。監控工作站系統硬件結構圖如圖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(wú)線(xiàn)發(fā)射器?，F在的數據處理發(fā)送模塊設計主要分為兩類(lèi)，一種是將處理器芯片與無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片分開(kāi)設計，另一種是將兩者集成在一個(gè)芯片上。

將處理器芯片和無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片分開(kāi)的設計方法的優(yōu)勢在于，可以選用更為專(zhuān)業(yè)的處理器芯片，芯片的功能比較強大，實(shí)現的功能比較多，但是這種設計方式會(huì )造成功耗和制造成本的增加，并且整個(gè)電路及其布線(xiàn)較為復雜。

針對第一種設計帶來(lái)的負面影響，本系統選擇TI公司為ZigBee協(xié)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器。它能夠以很低的成本建立功能和規模強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。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。TI公司搭配CC2530系列芯片，發(fā)布了ZigBee協(xié)議棧——Z-Stack協(xié)議棧，利用CC2530芯片與Z-St ack協(xié)議?？梢越姶蠛屯暾腪igBee系統。

2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )、全頻段，適用于TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA HSPA三種基本網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)EXYNOS 4412的UART0(RXD0)、UART0(TXD0)分別與EM3760 TXD1、RXD1相連，通過(guò)串口A(yíng)T命令實(shí)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(wù)的擴展上和前三代有所不同。4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(dòng)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 系統軟件的設計

光伏充電站實(shí)時(shí)監控系統的軟件設計采用C/S模式，以EXYNOS4412平臺作為客戶(hù)機，以PC上位機監測中心作為服務(wù)器?？蛻?hù)機的主要任務(wù)是把實(shí)時(shí)采集的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到Internet上，服務(wù)器的任務(wù)是從Internet上接收所監測到的數據并存儲到數據庫。

3.1 系統移植

3.1.1 環(huán)境搭建

本文以PC機為宿主機，在Win7系統上安裝虛擬機軟件模擬計算機，并裝有Ubuntu12操作系統。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環(huán)境變量，執行命令“#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(kāi)發(fā)時(shí)使用宿主機上的交叉編譯、匯編及鏈接工具形成可執行的二進(jìn)制代碼，然后通過(guò)串口利用Windows上的超級終端軟件把可執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(lái)講就是下載和啟動(dòng)系統，它類(lèi)似于PC中的BIOS(基本輸入輸出系統)，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(wǎng)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(guò)、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(wǎng)上已經(jīng)發(fā)布的和本系統開(kāi)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(jìn)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，選擇最接近本系統板子的官方配置，執行命令#Make exynos_defconfig;

③輸入命令#make menuconfig進(jìn)入內核配置界面，完成對串口、SD卡、CMOS攝像頭和USB無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡等多項驅動(dòng)的配置，并對YAFF2S根文件系統進(jìn)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(kāi)始編譯內核，編譯完成后會(huì )在arch/arm/boot目錄下生成內核鏡像文件uImage;

⑤編譯設備樹(shù)，執行命令#make dtbs。

最后將編譯好的內核和設備樹(shù)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(xié)議棧，用戶(hù)使用這款芯片可以很簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)自己的應用程序。Z—Stack協(xié)議棧使用了名叫OSAL的操作系統來(lái)對協(xié)議棧中的進(jìn)程進(jìn)行調度，不需要了解這個(gè)操作系統的細節，只需要調用系統提供的API接口來(lái)開(kāi)發(fā)程序，就如同開(kāi)發(fā)Windows應用程序一樣。

Z—Stack由主函數main()函數開(kāi)始執行，主要完成兩項工作：一是系統初始化，二是進(jìn)行輪詢(xún)操作。時(shí)間查詢(xún)流程圖如圖4所示。

服務(wù)器使用socket()函數創(chuàng )建一個(gè)套接字，然后用bind()函數將套接字與本地地址和端口號進(jìn)行綁定;綁定成功后，客戶(hù)端根據服務(wù)器域名獲取服務(wù)器的IP地址，然后利用socket()創(chuàng )建套接字;客戶(hù)端調用sendto()函數向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求報文，調用recvfrom()函數等待并接收服務(wù)器的應答報文;雙方通過(guò)socket套接字進(jìn)行數據的發(fā)送與接收，實(shí)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(xié)議進(jìn)行傳輸。

結語(yǔ)

設計了一個(gè)基于嵌入式Linux的光伏電動(dòng)汽車(chē)充電站的監控系統，以嵌入式微處理器EXYNOS4412為核心，結合ZigBee模塊和4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊，實(shí)現與底層傳感器和上位機的通信。

在本系統中應用了設備樹(shù)方式編寫(xiě)驅動(dòng)，簡(jiǎn)化了代碼。經(jīng)測試，該系統具有性能穩定、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用在我國高速公路網(wǎng)中的光伏儲能電動(dòng)汽車(chē)充電站中，以解決監測中的問(wèn)題。