文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)02-0059-03
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。基于風能和太陽能的這些特點，采用風光互補可以理想地實現基站的離網供電。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[1]。
1 原理與設計
1.1 系統總體構架
系統大致可以分為電源管理、以太網無線數據傳輸和液晶顯示三個部分。
(1)電源管理部分：系統具有4組分布式電池組，風機和太陽能電池板產生的電能先儲存到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)，以此為根據實現對蓄電池的充放電控制。
(2)以太網無線傳輸部分：系統通過SPI接口實現和以太網控制器ENC28J60的數據交換，進而通過無線AP與工作站互相連接通信。工作站可據此獲得基站的實時狀態(tài)，進而實現對基站的遠程控制。
(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，現場無人時不需要開啟，因此系統設有2個垂直放置的雙元探頭熱釋電模塊，當檢測到現場有人時啟動顯示屏。
系統結構示意圖如圖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數據采集。
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實現對電壓電流的檢測。HFV10-25AS內部線圈匝比為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)，失調電壓溫漂±1.0 mV。ACS712內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。霍爾傳感器的應用可以精確快速地實現電壓電流的檢測，且應用方便、性價比高。
1.3.2 分布式電池組數據傳輸及控制
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類串行總線協議，只需要一根12 V的單線總線，最高數據傳輸速度為20 KBaud，最大傳輸距離為40 m，一個LIN網絡最大可掛載16個節(jié)點。LIN總線可以簡單方便地實現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)點的數據傳輸和控制[3]，而且其較低的數據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議控制器交換數據。主控芯片的發(fā)送數據流被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總線上的數據流時通過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，實現對蓄電池組的充放電控制。
控制系統需要的多種電壓值電源經過整流斬波得到，在此過程中不可避免地會在電源處產生干擾。如若控制系統和無線電監(jiān)測設備都直接使用風機、太陽能電池板產生的電能，無線電監(jiān)測設備就有可能在電源上受到干擾，影響監(jiān)測數據和結果。因此風機和太陽能電池板產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。考慮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，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，因此數據傳輸更安全可靠，干擾也較低。主控芯片通過SPI接口與以太網控制芯片ENC28J60實現數據交換，進而通過無線AP實現與工作站的連接和數據傳輸。當不需要進行遠程數據傳輸時，可使ENC28J60進入休眠模式，可以顯著地降低系統的功耗。
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)。系統中使用雙MOSFET芯片來控制液晶顯示屏地與系統地的連接，實現對屏上電與否的控制。
1.6 軟件設計
系統程序設計在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。
系統開機復位初始化后首先運行數據采集子程序，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。各電池組根據采集到的電池組電壓數據與設定的電壓閾值VMAX、VMIN做比較，若VBAT≤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，根據熱釋電的輸出信號對顯示屏的通斷進行控制。以太網子程序設計每半小時與工作站連接一次互相進行數據傳輸，傳輸完畢后選擇讓以太網控制器ENC28J60進入休眠模式。
2 實驗
經測試，LIN總線最大傳輸距離可達40 m，足以實現基站各個部分之間的數據傳輸；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對超過40 m2范圍的感應，可有效實現對基站內有人與否的監(jiān)控。
LIN總線的主/從機節(jié)點在睡眠模式下只有3 μA消耗，LIN發(fā)生故障對地短接時也才只有100 μA的消耗。熱釋電模塊也具有較低的功耗，靜態(tài)電流小于50 μA，液晶屏選擇合適的背光亮度，實際工作電流在480 mA。以太網控制芯片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。當顯示屏和以太網控制芯片同時工作時，系統的功耗最高，達到3.23 W；而當顯示屏處于關斷和以太網控制芯片處于休眠模式時，功耗只有0.06 W，系統絕大部分時間都運行在此狀態(tài)，故有著極低的功耗。
經實際測試及運用，不論風能和太陽能充足與否，控制系統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，且系統有著極低的功耗；設計人性化，可實現遠程監(jiān)控與控制等功能。
參考文獻
[1] 曹陽.小型高效風光互補電源的研究[D].貴陽：貴州大學，2009.
[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的開發(fā)與應用[J].電源技術，2007(8)：3-4.