CN102545327A - 嵌入式风光互补智能电源管理系统及其控制流程 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种风光互补智能电源管理系统，由软硬件两部分组成，所述硬件部分结构包括MCU微处理器、蓄电池、太阳能板、风力发电机、GPRS接口板、调试信息输出模块、电源输出模块和温度传感器模块。本发明的电源管理系统是在嵌入式操作系统的基础上进行的，通过该系统可以对电源进行远程控制，包括电源系统的开启、关闭和重启，可向外提供12V，5V，3.3V等多种直流电源输出、对过充过放的保护等操作。可以通过发送短信息到绑定的手机号上的方式实现对系统的控制，该系统能够充分利用安装场地的风能和光能，实现系统较为稳定的供电。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统，尤其是涉及对风力发电和太阳能发电进行远程控制，实现稳定发电的智能电源管理系统及其控制流程。
背景技术
利用自然能发电，既能节省煤炭、石油等有形的能源，同时又环保，有利于自然保护。开发新能源和可再生能源是二十一世纪经济发展中最具决定性影响的五项技术之一，充分开发利用太阳能与风能是世界各国政府可持续发展能源的战略决策。由于环境污染压力越来越重，减少能源消耗和污染物的排放，将成为未来几年治理全球性环境污染的重要眼点。
由于地域间的太阳能和风力资源不平衡，采用太阳能发电还是风能发电，或者太阳能发电和风能互补发电，要根据当地的太阳能风力资源来选择。一般情况下，五级风才能正常发电，风能是无穷尽的能源，但它的能量密度很小，不能持续稳定发电，这使得风力发电受到了限制。
风能与太阳能光伏发电站，涉及的是风能与太阳能利用的技术领域，特别涉及风能与太阳能发电装置的技术领域。其电源是由太阳能电池和风力发电机发电，经蓄电池贮能，从而给负载供电的一种新型电源。
现有利用太阳能、风能发电的装置较多，既有单独利用太阳能或风能发电的装置，又有组合利用太阳能、风能发电的装置，但不管是单独的、还是组合利用自然能发电的装置，都有以下一些共同的特点，一是利用太阳能电池板直接发电，二是利用风机带动发电机发电。
现有的小功率太阳能风能发电系统，均由风机、太阳能电池板、太阳能风能控制器、蓄电池组成，太阳能风能控制器分别与风机、太阳能电池板、蓄电池和发电装置连接，太阳能电池板和风机都是系统的发电装置，太阳能风能控制器是用以控制发电的装置，控制着风能，太阳能的切换，控制对系统蓄电池的充电和放电，同时对系统的运行状态和故障进行指示和报警。由于太阳能、风能是自然的能源，所以在某段发电的时间里，在风机、太阳能电池板与太阳能风能控制器之间设有恒流调节装置。其发电特性剩余发电电流造成对蓄电池过大电流的冲击，而影响系统的使用寿命，甚至造成元件的损坏。
因此，迫切需要一种风光互补智能电源管理系统，通过该系统可以对电源进行远程控制，包括电源系统的开启、关闭和重启，对过充过放的保护等操作，向外提供多种直流电源输出。对于系统的控制可以通过发送短信息的方式实现。使系统能够充分利用场地的风能和光能，实现系统稳定的供电。
发明内容
本发明的目的是采用远程控制方式，对安装场地的风能和光能发电系统进行管理，将风能与太阳能有机的结合在一起的风能与太阳能互补发电方案，实现系统较为稳定的供电。
为了实现本发明的任务，提出一种风光互补智能电源管理系统，由软硬件两部分组成，所述硬件部分结构包括以下部分：
(1)MCU微处理器，内嵌嵌入式操作系统，采用半导体的STM32fX系列32位微处理；
(2)12V蓄电池，由太阳能板和风力发电机对该蓄电池进行充电，所述蓄电池为系统提供电源，并向外提供电源输出；
(3)太阳能板，将光能转换成电能对所述蓄电池进行充电；
(4)风力发电机，将风能转换成电能对所述蓄电池进行充电；
(5)GPRS接口板，该接口板接收远程控制指令，所述指令为短信模式或GPRS数据，然后交给所述微处理器进行解析，并反馈系统信息给远程控制端；
(6)调试信息输出模块，该模块通过RS232接口将系统工作信息、电源信息输出至带有RS232接口的设备；实现远程控制的功能并实时显示各种信息。
(7)电源输出模块，该模块提供多路12V/5V/3.3V直流电源输出，该输出都由MCU微处理器进行单独控制打开或关闭；
(8)温度传感器模块，采集环境温度对电池进行充放电管理；
所述对所述蓄电池进行充电的电路包括太阳能充电管理模块及风力发电机充电管理模块；其中，
所述太阳能充电管理模块包括电压输入口JP2、二极管D6、电容C8和电压转换芯片LM2575，通过二极管D6的限压作用及电容C8的滤波作用，将太阳能板电压限制在18V以内，通过电压转换芯片LM2575将18V电压转化为12V的标准电压输出，通过JP3为所述蓄电池充电；
风力发电机充电管理模块包括输入口JP4、电容C2、C11和电压转换芯片L6727，通过电容C2、C11的滤波作用，将风力发电机电压限制在24V以内，通过电压转换芯片L6727将24V电压转化为12V的标准电压输出，通过JP3为所述蓄电池充电。
所述电源输出模块通过电压转化芯片，将5V和12V的输入电压转化为3.3V、5V的输出电压，供给MCU微处理器主板的各个模块使用。
所述MCU微处理器包括：
系统CPU，通过程序控制实现环境温度测量、电源充放电管理、GPRS通信模块管理、电源输出管理；
电源电压检测部分，通过电阻的分压作用提供微处理器所需电压，实现微处理器的采样等功能；
系统指示灯部分，通过程序控制指示灯的亮灭及闪烁频率，判别系统的各种工作状态，包括系统是否正常工作、调试中、发送数据、接收数据。
所述GPRS接口板包括，GPRS控制模块、GPRS通信模块以及串行接口；所述GPRS控制模块实现电压由12V到3.8V的转换以及GPRS通信启动控制；GPRS通信模块的启动由三极管的开关电路控制；所述串行接口模块实现GPRS模块与微处理器间的通信，控制数据收发。
本发明还提出一种风光互补智能电源管理系统的控制流程，所述智能电源管理系统采用嵌入式操作系统，通过操作系统的任务调度，完成用户任务，从而实现对电源系统的智能化管理，所述控制流程包括以下步骤：
1)系统采样流程，对太阳能板电压、风力发电机电压和电池电压采样测量，以便获取电压值；
2)GPRS模块相关任务：包括接收并解析GPRS收到的数据和短信；发送相关回馈信息和系统信息；
3)系统输出电源的控制；
4)系统远程控制流程，执行串口任务，实现GPRS模块与微处理器间的通信，控制数据收发。
所述系统采样流程包括：
①系统开始执行；
②判断采样时间；
③若采样时间到，则采集太阳能、风力发电机、蓄电池等电压以及环境温度值，然后延时一段时间后，转②继续执行；否则，延时后，转②继续执行。
所述系统远程控制流程包括：
①系统开始执行；
②启动GPRS模块；
③收到短信或数据？；
④若收到短信或数据，则对指令进行解析；否则，延时后，转③继续执行；
⑤指令是否有效；
⑥若指令有效，则根据指令执行相应动作；
⑦需要发送数据？；
⑧若需要发送数据，则发送数据；否则，延时后，转③继续执行。
所述系统输出电源的控制流程为：
①通过外部温度传感器对环境温度进行测量，得到实时的环境温度值；
②通过环境温度和电池的最大充电电压值曲线图，得出该温度下的最大充电电压Vt；
③检测此时的太阳能板或风力发电机经过电压转换后输出的充电电压Vo；
④判断当Vt＞Vo时，通过电路控制，提高IYN-PWN、FD-PWN脉冲频率，继而提高Vo；
当Vt＜Vo时，通过电路控制，降低IYN-PWN、FD-PWN脉冲频率，继而降低Vo。
本发明的嵌入式风光互补智能电源管理系统是在嵌入式操作系统的基础上进行的，通过该系统可以对电源进行远程控制，包括电源系统的开启、关闭和重启，可向外提供12V，5V，3.3V等多种直流电源输出、对过充过放的保护等操作。可以通过发送短信息到绑定的手机号上的方式实现对系统的控制，该系统能够充分利用安装场地的风能和光能，实现系统较为稳定的供电。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是太阳能和风能充电部分电路图；
图3电源输出部分电路图；
图4是微控制器部分电路图；
图5是GPRS通信部分电路图；
图6是深度循环下电池最大充电电压关系图；
图7是电源模块的智能充电管理电路图；
图8是ZKOS的软件体系结构；
图9是系统采样流程图；
图10是系统远程控制流程图。
具体实施方式
本发明的风光互补智能电源管理系统主要由软硬件两部分组成，硬件部分结构如图1所示，该系统结构包括以下部分：
(1)MCU微处理器(内嵌嵌入式操作系统ZKOS)：系统采用半导体的STM32fX系列32位微处理作为智能电源管理系统的核心控制部件。
(2)12V蓄电池：该蓄电池为系统提供电源，并向外提供电源输出；由太阳能板和风力发电机对电池进行充电。
(3)太阳能板：将光能转换成电能存储在蓄电池中。
(4)风力发电机：将风能转换成电能存储在蓄电池中。
(5)GPRS通信模块：该模块接收远程控制指令(短信模式或GPRS数据)，然后交给微处理器进行解析，并反馈系统信息给远程控制端。
(6)调试信息输出模块：该模块可以通过RS232接口将系统工作信息、电源信息等输出至带有RS232接口的设备。该模块可以实现远程控制的所有功能并可以实时显示各种信息，是对远程控制模块的补充。
(7)电源输出模块：该模块可以提供多路12V/5V/3.3V直流电源输出，且所有的输出都可以由MCU进行单独控制打开或关闭(用户可以通过短信发送相应指令智能控制电源管理系统)。
(8)温度传感器模块：因为铅酸电池的最高充电电压和环境温度相关，所以系统通过采集环境温度对电池进行充放电管理。
图2是太阳能和风能充电部分电路图；该电路实现对太阳能发电和风力发电机充电管理，其电源管理部分的电路图说明如下：
该充电管理电路板主要包括：太阳能充电管理及风力发电机充电管理两部分。
太阳能充电管理模块的工作原理为：太阳能板电压通过电压输入口JP2通过二极管D6的限压作用及电容C8的滤波作用，将太阳能板电压限制在18V以内。再通过电压转换芯片LM2575将18V电压转化为12V的标准电压输出，通过JP3为铅酸式电池充电。
同理，风力发电机充电管理模块的工作原理为：风力发电机提供的电压通过电压输入口JP4通过电容C2、C11的滤波作用，将风力发电机电压限制在24V以内。再通过电压转换芯片L6727将24V电压转化为12V的标准电压输出，通过JP3为铅酸式电池充电。
图3电源输出部分电路图；电路的上下两部分分别通过电压转化芯片及其外部电路，将5V和12V的输入电压转化为3.3V、5V的输出电压，供给主板其他模块使用。
图4是微控制器部分电路图；STM32F107VC为系统CPU，通过程序控制实现环境温度测量、电源充放电管理、GPRS通信模块管理、电源输出管理等功能。电源电压检测部分，通过电阻的分压作用提供微处理器所需电压，从而实现微处理器的采样等功能。系统指示灯部分，通过程序控制指示灯的亮灭及闪烁频率等，可判别系统的各种工作状态，如：系统是否正常工作、调试中、发送数据、接收数据等。
图5是GPRS通信部分电路图；由图5可见，GPRS接口板主要包括：GPRS控制模块、GPRS通信模块以及串行接口。
GPRS控制模块实现电压由12V到3.8V的转换以及GPRS通信启动控制。电压转换通过三极管Q1的开关作用进行控制。其中，GPRS CS端为高电平时，三极管Q1导通，进行电压转换；GPRS CS端为低电平时，三极管Q1截止，不进行电压转换。通过三极管的开关电路，控制GPRS通信模块启动，当L2亮时，GPRS模块启动。
串行接口模块实现GPRS模块与微处理器间的通信，控制数据收发。
图6是深度循环下电池最大充电电压关系图；由图6可以得出相应环境温度下，电池的最大充电电压值。
图7为电源模块的智能充电管理电路图，其工作原理为：通过外部温度传感器对环境温度进行测量，得到实时的环境温度值，并通过图6所示曲线图，得出该温度下的最大充电电压Vt，同时检测此时的太阳能板或风力发电机经过电压转换后的输出电压Vo，即电池充电电压。当Vt＞Vo时，提高IYN-PWN、FD-PWN脉冲频率，通过内部电路控制，提高Vo；当Vt＜Vo时，降低IYN-PWN、FD-PWN脉冲频率，通过内部电路控制，降低Vo。
图8是软件体系结构，智能电源管理系统采用嵌入式操作系统，该嵌入式操作系统ZKOS具有代码量小、对堆栈、寄存器、定时器及中断等系统硬件依赖少、能在各种不同类型的单片机上实现等特点。通过OS任务调度，完成约定的用户任务，从而实现对电源系统的智能化管理。
除了嵌入式操作系统必须的任务外，该系统的软件实现了以下的任务，来保证系统的正常运行：
任务一：对太阳能板电压、风力发电机电压和电池电压采样测量，以便获取电压值。
任务二：GPRS模块相关任务：主要包括接收并解析GPRS收到的数据和短信；发送相关回馈信息和系统信息等。
任务三：系统输出电源的控制。
任务四：串口任务。
图9是系统采样流程图；主要程序流程图如下所示：
④系统开始执行；
⑤判断采样时间？；
⑥若采样时间到，则采集太阳能、风力发电机、蓄电池等电压以及环境温度值，然后延时一段时间后，转②继续执行；
否则，延时后，转②继续执行。
图10是系统远程控制流程图，系统主要程序流程图如下所示：
⑨系统开始执行；
⑩启动GPRS模块；
否则，延时后，转③继续执行；
否则，延时后，转③继续执行。
Claims (9)
1.一种风光互补智能电源管理系统，由软硬件两部分组成，其特征在于，所述硬件部分结构包括以下部分：
(1)MCU微处理器，内嵌嵌入式操作系统，采用半导体的STM32fX系列32位微处理；
(2)12V蓄电池，由太阳能板和风力发电机对该蓄电池进行充电，所述蓄电池为系统提供电源，并向外提供电源输出；
(3)太阳能板，将光能转换成电能对所述蓄电池进行充电；
(4)风力发电机，将风能转换成电能对所述蓄电池进行充电；
(5)GPRS接口板，该接口板接收远程控制指令，所述指令为短信模式或GPRS数据，然后交给所述微处理器进行解析，并反馈系统信息给远程控制端；
(6)调试信息输出模块，该模块通过RS232接口将系统工作信息、电源信息输出至带有RS232接口的设备；实现远程控制的功能并实时显示各种信息；
(7)电源输出模块，该模块提供多路12V/5V/3.3V直流电源输出，该输出都由MCU微处理器进行单独控制打开或关闭；
(8)温度传感器模块，采集环境温度对电池进行充放电管理。
2.根据权利要求1所述的风光互补智能电源管理系统，其特征在于，所述对所述蓄电池进行充电的电路包括太阳能充电管理模块及风力发电机充电管理模块；其中，
所述太阳能充电管理模块包括电压输入口JP2、二极管D6、电容C8和电压转换芯片LM2575，通过二极管D6的限压作用及电容C8的滤波作用，将太阳能板电压限制在18V以内，通过电压转换芯片LM2575将18V电压转化为12V的标准电压输出，通过JP3为所述蓄电池充电；
风力发电机充电管理模块包括输入口JP4、电容C2、C11和电压转换芯片L6727，通过电容C2、C11的滤波作用，将风力发电机电压限制在24V以内，通过电压转换芯片L6727将24V电压转化为12V的标准电压输出，通过JP3为所述蓄电池充电。
3.根据权利要求2所述的风光互补智能电源管理系统，其特征在于，所述电源输出模块通过电压转化芯片，将5V和12V的输入电压转化为3.3V、5V的输出电压，供给MCU微处理器主板的各个模块使用。
4.根据权利要求3所述的风光互补智能电源管理系统，其特征在于，所述MCU微处理器包括：
系统MCU，通过程序控制实现环境温度测量、电源充放电管理、GPRS通信模块管理、电源输出管理；
电源电压检测部分，通过电阻的分压作用提供微处理器所需电压，实现微处理器的采样等功能；
系统指示灯部分，通过程序控制指示灯的亮灭及闪烁频率，判别系统的各种工作状态，包括系统是否正常工作、调试中、发送数据、接收数据。
5.根据权利要求4所述的风光互补智能电源管理系统，其特征在于，所述GPRS接口板包括，GPRS控制模块、GPRS通信模块以及串行接口；所述GPRS控制模块实现电压由12V到3.8V的转换以及GPRS通信启动控制；GPRS通信模块的启动由三极管的开关电路控制；所述串行接口模块实现GPRS模块与微处理器间的通信，控制数据收发。
6.一种风光互补智能电源管理系统的控制流程，所述智能电源管理系统采用嵌入式操作系统，通过操作系统的任务调度，完成用户任务，从而实现对电源系统的智能化管理，其特征在于，所述控制流程包括以下步骤：
1)系统采样流程，对太阳能板电压、风力发电机电压和电池电压采样测量，以便获取电压值；
2)GPRS模块相关任务：包括接收并解析GPRS收到的数据和短信；发送相关回馈信息和系统信息；
3)系统输出电源的控制；
4)系统远程控制流程，执行串口任务，实现GPRS模块与微处理器间的通信，控制数据收发。
7.根据权利要求6所述的风光互补智能电源管理系统的控制流程，其特征在于，所述系统采样流程包括：
①系统开始执行；
②判断采样时间；
③若采样时间到，则采集太阳能、风力发电机、蓄电池等电压以及环境温度值，然后延时一段时间后，转②继续执行；否则，延时后，转②继续执行。
8.根据权利要求7所述的风光互补智能电源管理系统，其特征在于，所述系统远程控制流程包括：
①系统开始执行；
②启动GPRS模块；
③收到短信或数据？；
④若收到短信或数据，则对指令进行解析；否则，延时后，转③继续执行；
⑤指令是否有效；
⑥若指令有效，则根据指令执行相应动作；
⑦需要发送数据？；
⑧若需要发送数据，则发送数据；否则，延时后，转③继续执行。
9.根据权利要求8所述的风光互补智能电源管理系统，其特征在于，所述系统输出电源的控制流程为：
①通过外部温度传感器对环境温度进行测量，得到实时的环境温度值；
②通过环境温度和电池的最大充电电压值曲线图，得出该温度下的最大充电电压Vt；
③检测此时的太阳能板或风力发电机经过电压转换后输出的充电电压Vo；
④判断当Vt＞Vo时，通过电路控制，提高IYN-PWN、FD-PWN脉冲频率，继而提高Vo；
当Vt＜Vo时，通过电路控制，降低IYN-PWN、FD-PWN脉冲频率，继而降低Vo。
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