英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
摘要
利用可再生能源系统发电是一种越来越流行的发电方式。与任何新的技术范例一样，已经出现了可再生能源系统的新的独特挑战。特别是其中的一项是开发有效的监测技术以补偿远程发电的分散性质。该项目详细介绍了远程太阳能系统的开源监控系统开发。该项目特别关注的问题空间涉及成本的降低和开放平台的使用使太阳能监测在发展中国家具有可行性，在这些发展中国家，实现这些项目的推进所需的资源和基础知识都特别稀缺。
目前，太阳能监测技术昂贵，应用受限，并且大部分具有专有权。可以说，让这样可以使用非定制硬件和开源软件的系统能够在世界任何地方得到并使用，是本文的一个观点。这种概念的证明足以表明太阳能远程监控的开发应用既不昂贵也不特别麻烦，因此值得开源社区进一步调查和开发。
1 介绍
1.1问题陈述
远程监控太阳能电池板功率输出和电池组状态数据的能力对太阳能系统的正常长期维护至关重要。遗憾的是，现有的远程监控技术昂贵，应用受限，并且通常需
要向第三方支付高于基本通信成本的服务费。在太阳能系统被用来替代缺乏电网基础设施的地方，这种成本可能导致完全放弃远程监控的想法。因此，远程监控技术昂贵的费用和专有权的现实威胁了可再生能源系统在发展中国家的可行性。
1.2远程监控的工作原理
太阳能系统往往存在两种存在-远程遥控和并网，远程系统未连接到电网并且用作主电源。并网系统与电网集成，并且倾向于用作辅助电源。这里提出和实施的系统是在考虑远程系统的情况下开发的。远程太阳能系统使用的设备称为充电控制器，其能将充电算法应用于深循环电池组。控制器是必不可少的，因为使用太阳能电池板为电池充电并非易事；必须保持电池充电使用对确定并相同的充电周期需求与太阳能电池板的输出根据天气不一致和不稳定这一事实两者之间达成的微妙平衡。检测器通过询问充电控制器以获得关于太阳能系统性能的数据，并将该数据传输到远程位置或特定人员来运行。蜂窝式调制解调器或其他传输设备通常是用传输的载体。许多太阳能控制器都内置了串行端口，可以使用某种传输协议轮询有关给定的系统数据。一个实用的有助于理解远程监控高级过程的图表如下所示。
图1：晨星三星网络视图专有远程监控系统
Customer site:用户现场——PV Array：光伏阵列、Tristar:三星
GSM modem：全球移动通信系统调制解调器、Battery Bank:电池组、
Tristar WebView Communicator:三星网络视图交互器
System Portal Server：系统门户服务器——Local Cellular Tower本地蜂窝塔
Web Server：网络服务器
Customer View From Web-Enabled Devices：支持网络设备的用户端
1.3与现有监控系统的区别
该项目与现有的太阳能监测技术有很大的不同，因为其特殊之处在于除实际太阳能系统本身之外，它的每个方面都是开源的。此外，这个问题从未在国际发展或发展中国家的背景下应用。
1.4解决方案
该项目的目的是为远程太阳能电力系统设计和实施一个能向系统监督员提供有用的诊断信息的开源监测系统。该系统分为两个不同的部分。第一个是以硬件为中心的组件，它与太阳能充电控制器连接，以确定有关电力系统的诊断信息。该组件将处理获得的数据并通过电话通信协议将其传输到服务器或可能是特定的人。系统的第二个组件是此传输另一端的接收方软件。该软件应能存储有关太阳能系统的历史数据，并提供一个网络界面，通过该界面可以确定长期统计数据并进行有效监测。
1.5贡献
该项目首次提供了一个方向，朝着严谨的、功能强大的、可使用的、可维护的开源监控系统的目标发展。这样的系统有很多应用程序。监控太阳能功率阵列只是其中一种可能性。实际上，任何在远程环境中运行的具有可测量输出的设备都表现了该项目未来的潜在扩展。此外，虽然我没有时间或空间完全公正地宣称这将成为一项涉及太阳能技术利用的国际发展项目的资产，但我认为远程监控的成本在发展中国家是不切实际的，因此，开源系统代表了一种可能的方法，即能进行适当维护的基本练习。
2.问题域
一般来说，远程监控是个实用的想法。随着世界能源经济逐渐向更环保及更可再生能源的方向发展，发电将变得更加分散。与目前为大量能源消费者服务的大型集中式发电厂系统相比，未来的能源基础设施将看到许多不同的发电形式在有需求的任何地方出现。如果没有强大的监控基础设施，那么协调如此庞大的系统是不可能的。如果要利用分散发电的力量并使电网变得更智能，衡量现场和区域绩效的能力至关重要。从本质上讲，远程监控将成为将未来智能电网联系在一起的粘合剂。
在陈述了应用领域的一般背景之后，我必须再次回到该项目与通常范例的不同之处上来。该项目以最微薄的经济手段为目标。它仅使用广泛可用且廉价的技术，并且探索了例如旧的蜂窝电话作为数据传输设备的非常规使用。就经验法而言，本项目中的每一项设计考虑都是关于为使其能在世界各地重复应用而做出的努力。
3.文献评述
目前没有多少文献探讨将远程监控作为一个开源问题或应在国际发展的背景下加以考虑的具体概念。但是，可以找到关于远程监控的核心概念和现有实现的文献，以及关于发展中国家业务的技术现实的资料。
3.1现有的监控系统
业界领先的监控系统是Sunny Webbox，这是一家由德国太阳能设备供应商SMA Solar Technology维护的远程监控设备。Sunny Webbox本质上是一个经过美化的调制解调器，可以插入逆变器，允许系统监控器通过互联网远程监控给定太阳能发电系统的输出。不幸的是，Sunny Webbox和实际的SMA逆变器之间的通信协议并没有很好地文档化或得到SMA的支持，因此很难对其进行编程。此外，Sunny Webbox需要有线以太网来远程传输数据，如果我们打算监视在真正的远程环境或没有足够internet基础设施的地方运行的设备，其依赖性十分严重且明显。
另一个行业领先的系统由Fat Spaniel实施，该公司提供基于网络的高质量太阳能监控服务，每月收费。Fat Spaniel使用蜂窝调制解调器远程传输来自给定太阳能控制器的数据。一家太阳能公司通过Fat Spaniel提供监控服务（如图1所示）是晨星太阳能公司。晨星在一个特定方面与SMA区别开来，因为它们使用开放式Modicon Modbus传输协议，允许外部设备查询其控制器。它们为协议的实现提供了规范，从而允许其他实现技术与其控制器相对容易地使用。
3.2互联网资源和硬件选择
我设计的太阳能控制器与晨星三星45太阳能控制器兼容(至少作为概念验证)。这是由于几个因素，包括我个人过去使用晨星太阳能控制器的经验，国际上晨星控制器的可用性，以及应用程序可以轻松开发以与晨星控制器配合使用，因为它们使用开放式Modbus硬件通信协议。
Modicon Modbus协议参考指南可在线免费获取，还包括示例代码，用于执行更繁琐的实现细节，例如创建工作循环冗余校验（CRC）功能。我使用此规范来实现询问TriStar-45控制器所需的软件。晨星公司提供所有必需的文档，以便在线与控制器一起开发应用程序。例如“TriStar应用指南”描述了一个用于太阳能系统的数据采集和远程监控的配置样本。
该项目中使用的另一项主要技术是Arduino电子原型制作平台。Arduino是一个开源硬件平台，主要面向业余爱好者和休闲硬件爱好者。可以在线找到并下载构建Arduino克隆所需的所有硬件部件清单，电路板原理图和文档。将程序编写和上传到Arduino板所需的软件环境也是免费提供的，完全是开源的。 Arduino硬件环境是这样一个项目的理想平台，因为它允许在任何可以找到部件的环境中重现所需的硬件。为了证明这种可能性，我选择使用了Freeduino板而不是Arduino板，Freeduino是Arduino Decimilia板的开源克隆，它能在业余爱好者电子网站上购买，作为未装配的零件包和切割PCB板，价格仅为预组装Arduino板的一小部分。
该项目中使用的最后一项硬件技术是摩托罗拉W260g手机，我将其设计为数据传输设备。我选择使用这款手机因为它的价格，但我认为这个项目中硬件设计的任何部分都不依赖于摩托罗拉W260g的具体设计。解决方案部分将更详细地讨论这些设备交互及完成太阳能远程监控任务的方式。列举上述的产品可用的全套在线资源和文档将是一项繁琐且耗费精力的任务，因此我只需将读者引导至本文的参考文献部分即可。
4.解决方案
如果我们接受该论点，即维护太阳能系统本质上是获取系统关键信息并采取适当的行动，则可以提出远程监控系统形式的解决方案。然而，除此之外还有更多需要考虑。远程监控的最大问题之一是其成本。因此，除了其实用性之外，为达成在发展中国家和农村环境中利用远程监控服务的目的的系统必须是廉价的。在安装后使其成本的最小化是重要工作。
4.1系统的深层概述
该系统分为两部分。第一部分是与太阳能控制器连接的硬件设备，通过轮询以获取信息，将该信息处理成可以通过某种电话通信协议（在本例中为DTMF）传输的格式，然后将该数据传输到远程服务器或遇到问题时可能的特定人员。该系统的第二部分是一个软件程序，它将收集传输的数据，存储作为历史数据以分析该系统，同时允许通过Web界面便捷的显示诊断信息。我无法完成系统的这一部分，所以不在这里深入讨论它。
该项目使用的硬件系统在设计时考虑了一些限制因素。首先，系统不能依赖定制的硬件。 我不认为太阳能控制器是该规范的一部分，因为它可以独立于任何监测活动运行，并且是功能太阳能系统的基础要求。在我使用微处理器轮询控制器并将数据转换为DTMF数据的情况下，我没有编写任何代码来考虑使用特定的操作系统或编译器。
下一个主要限制因素是该硬件系统的基本逻辑不能依赖于特定的太阳能控制器通信协议。我已经将系统的这个方面完全抽象化为一个简单的C 对象，该对象使用的通用接口不会和任何底层硬件协议的细节有出入。对于每个与晨星Modbus具有不同的硬件协议的太阳能控制器，必须重新调整实施，当然这是可行的。
该项目的最后一个主要限制因素是它完全是开源的。在这个项目中所有还未实施的部分不需要使用任何专有软件，同时所有硬件都不需要特定公司的许可或特定版税。我使用的手机也是摩托罗拉W260g，其电路实际上是一个专利设计，但是我使用的任何内容都是所有手机的通用功能，所以这事实上是无关紧要的。
4.2零件组装
我使用的Freeduino设计称为MaxSerial板，内置RS-232端口。这需要与晨星光伏控制器连接，该控制器允许外部设备通过RS-232的9针串行端口进行访问。Freeduino板基于Arduino Decimilia规范，该规范使用ATMega328的16MHz微处理器，并具有14个数字I/O引脚。我将这些引脚通过焊接操作连接至摩托罗拉的W260g手机键盘上的电路。蜂窝键盘上有十四个输入，这是该项目所关注的重点，它们对所有蜂窝电话都是通用的：前十二个是蜂窝DTMF键盘的键，后两个是电源和启动按钮。
为了消除手机在不给Freeduino板供电的情况下给电池充电的繁琐过程，将正极电池端子用一根电线断开，连接到Freeduino板上的 5V输出。这使得手机的键盘可以在没有电池的情况下供电，并消除了潜在的复杂情况。最后一个必须内置在蜂窝主板上的电路是一个用于来电的中断电路。
光隔离器用于操纵蜂窝键盘的电路中的许多地方。因为手指按压键的机械动作表示键盘上的电隔离事件，为了使来自微处理器的控制信号能够正确地模拟功能，每个按键电路必须是电隔离的。一旦按下键盘上的按键的能力被抽取出来，通过简单地按顺序按键，可以将通过轮询太阳能控制器获得的数据转换为DTMF数据。键盘提供的值当然为十进制的0-9。 当呼叫接通时，可以简单地将太阳能控制器面板和电池的电压及电流值输入。为了减少软件系统的错误，必须在接收端解释该DTMF数据串，用lsquo;＃rsquo;键作字段分隔符。
5.结果
该项目的硬件方面成功地完成了该项目有问题和复杂的方面。软件方面却并没有。在本节中，我将描述数据传输设备的应用，软件规范在结论部分中将进一步详细讨论。
该项目的第一个阻碍是创建与蜂窝电话主板接口相连的适当电路。我能够结合使用仔细的焊接和一些创造性的叉子端子来构建适当的电路，以打破键盘上的节点进行外部操作。下一个很大的阻碍是弄清楚如何以电子方式切换按键。我用的的第一种方法是使用三态缓冲区。不幸的是，控制信号并没有从要切换的负载上电隔离。光隔离器最终成为这个问题的现成且廉价的解决方案。
optoisolators:光隔离器 cellular keypad：蜂窝键盘
freeduino maxserial: Arduino板子的一种型号 null modem：零调制解调器
5.1硬件代码
Arduino编译器要求为要上传到电路板的任何程序实现两个功能。有些非常直观和直接的方法：一个设置方法和一个循环方法。在这种情况下，设置功能很简单，只有一个例外。完成所有其他初始化后，设置功能会断掉手机上的电源按钮，持续时间为4秒，然后等待20秒。这是打开手机并允许手机达到准备好接听电话的状态所需的操作。一旦进入主控制循环，程序的逻辑也相当简单。void loop()
{
// check if time to do a transfer
if( incoming call interrupt has fired )
{
// output our data frame
start the call;
output current d
全文共8694字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[384]，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。
