光伏储能电动汽车充电站的监控系统研究
引言
近年来，寻找可再生清洁能源成为人们研究的焦点，电动汽车的应用也是其中一个重要方面。之前的电动汽车充电站多为电力系统直接供电，本文采用光伏这一新能源对其供电，既节约能源，又为未来智能电网的建设奠定基础。为保证未来高速公路上电动汽车光伏储能充电站的安全和智能运行，需要建立起完善的光伏储能电动汽车充电站监控系统。
嵌入式技术经过近些年的发展，已经在各个领域得到广泛的应用。尤其是网络技术的快速发展，为以数据采集、信息处理、远程传输和终端监控为核心的实时智能监控系统的开发提供了强大的技术保障。传统的监控系统都是采用有线方式将监测数据传送到远程监控中心，布线困难，耗费人力、物力及财力。本文设计了基于ZigBee和4G移动网络的电动汽车光伏储能充电站的在线监控系统。
ZigBee技术的特点是：通信距离近、功耗低、传输速率较低、节点成本低、协议复杂度低并且能够自组网，在无线定位和数据传输等领域有明显优势。
1 光伏储能及电动汽车充电站监控系统
1.1 光伏储能充电站整体框架
参考文献介绍的光伏储能电动汽车充电站是光伏与电网协调配合对电动汽车进行充电。电站在使用清洁能源对电动汽车充电的基础上，可与电网协调、配合，实现“削峰填谷”的作用，符合智能电网的要求。本系统是依据参考文献优化后的光伏并网运行的充电站设计，整体框架如图1所示。
1.2 充电站监控系统的整体设计
系统网络采用分布式部署方式，即在充电站内建立站内控制中心，通过ZigBee将相关数据传递给监控中心，由监控中心统一管理、发布。
光伏储能电动汽车充电站监控系统的网络结构分为三层，结构图如图2所示。
第一层为远程监控中心，包括数据服务器、Web服务器和监控主机等设备;第二层为监控工作站，包括数据处理和数据传输模块;第三层是充电站的各监控终端子系统，包括配电监控、充电监控、烟雾监视、温湿度监测和视频监视等监控子系统。视频监控子系统直接与监控工作站相连，其他的子系统均采用ZigBee的方式间接地与工作站连接。监控工作站将采集到的数据处理后，利用移动无线网络将数据传输到中央监控管理系统，实现对整个充电站的数据汇总、统计、故障显示和监控。
1.3 监控系统的功能
充电监控系统由一台或多台工作站或服务器组成，当充电站的规模较小、充电机数量不多时，采用单台监控工作站即可满足监控要求;当充电站的规模较大、充电机数量较多时，可以采用两台或两台以上监控工作站。
充电监控功能是整个充电站监控系统的核心功能，监控系统监控所有充电机的运行数据、故障报警信号，以及所有充电电池组的单体电池电压和温度，并提供充电机远程控制功能，设置运行参数、参数编号及充电容量等数据;同时监控开关机，修改电池管理系统，保证充电站正常运行。
2 监控系统的硬件设计
2.1 监控工作站的硬件设计
主控模块采用FS4412核心板，主要由CPU(EXYNOS4412)、内存(4个DDR3，每个256 MB)、EMMC、PMU(TPS65910A3，电源管理芯片)及其他外围电路组成。
Samsung公司研发的嵌入式微处理器EXYNOS4412是一款基于ARMv7指令集的Cortex—A9核的4核32位RISC微控制器，主频最高支持1.4 GHz。
EXYNOS4412芯片包含很多强大的硬件编解码功能，内建MFC，支持MPEG-1/2/4、H.263及H.264等格式视频的编解码，支持模拟/数字TV输出。该处理器具有功耗低、实时性快、性价比高等优点，特别适用于对成本要求低、处理速度快的应用领域，如工业控制行业，电子、通信、医疗机械、多媒体、安全消防、车载电子、金融行业、消费类电子、手持终端、显示控制器、多媒体教学等领域。监控工作站系统硬件结构图如图3所示。
2. 2 数据采集模块的硬件设计
数据采集模块在硬件结构上分为三部分，分别为传感器模块、数据处理发送模块和电源模块。其中，数据处理发送模块是数据采集模块的核心，包括了处理器和无线发射器。现在的数据处理发送模块设计主要分为两类，一种是将处理器芯片与无线发射芯片分开设计，另一种是将两者集成在一个芯片上。
将处理器芯片和无线发射芯片分开的设计方法的优势在于，可以选用更为专业的处理器芯片，芯片的功能比较强大，实现的功能比较多，但是这种设计方式会造成功耗和制造成本的增加，并且整个电路及其布线较为复杂。
针对第一种设计带来的负面影响，本系统选择TI公司为ZigBee协议量身定做的CC2530芯片作为处理发送模块，集成符合2.4 GHz IEEE802.15.4的无线收发器。它能够以很低的成本建立功能和规模强大的网络节点。CC2530具有优良的RF收发性能，内置了标准的增强型8051 CPU，系统内具有可编程闪存与8 KB RAM。
CC2530芯片具有不同的休眠运行模式，使得它适合具有超低功耗要求的系统。TI公司搭配CC2530系列芯片，发布了ZigBee协议栈——Z-Stack协议栈，利用CC2530芯片与Z-St ack协议栈可以建立强大和完整的ZigBee系统。
2.3 无线通信模块
无线通信模块以中兴公司的ME3760芯片为核心设计，该芯片支持4G TDD-LTE/FDD-LTE网络、全频段，适用于TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA HSPA三种基本网络。通过EXYNOS 4412的UART0(RXD0)、UART0(TXD0)分别与EM3760 TXD1、RXD1相连，通过串口AT命令实现对EM3760数据通信。在数据传输速度的提高、音频信号的传输以及多媒体业务的扩展上和前三代有所不同。4G无线网络在不同的环境具有不同的数据传输速率，在室内、室外和动态的环境中能够分别支持下行100Mbps、上行50 Mbps的传输速率。
3 系统软件的设计
光伏充电站实时监控系统的软件设计采用C/S模式，以EXYNOS4412平台作为客户机，以PC上位机监测中心作为服务器。客户机的主要任务是把实时采集的数据通过无线网络发送到Internet上，服务器的任务是从Internet上接收所监测到的数据并存储到数据库。
3.1 系统移植
3.1.1 环境搭建
本文以PC机为宿主机，在Win7系统上安装虚拟机软件模拟计算机，并装有Ubuntu12操作系统。本文采用的交叉编译器为arm-linux-gcc-4.6.4，将压缩包解压到安装目录下，命令行输入“#tar-xvf Arm-linux-gcc-4.6.4.tgz-c/命令”后完成解压;再把编译器路径加入系统环境变量，执行命令“#vim～/.bashrc编辑～/.bashrc文件”，在最后一行添加“export PATH=(编译器的安装目录)/bin：$PATH”，这样虚拟机上就安装好了交叉编译环境。
开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及链接工具形成可执行的二进制代码，然后通过串口利用Windows上的超级终端软件把可执行文件下载到目标板上运行。
3.1.2 Bootloader的移植
Bootloadm‘以其本身的含义来讲就是下载和启动系统，它类似于PC中的BIOS(基本输入输出系统)，使用Uboot作为引导加载程序。首先，选择Uboot的版本，本文选择的是最新的支持使用的CPU版本，CPU是EXYNOS4412，Uboot-2013.01.tar.gz版本是支持比较完善的，具有BOARD功能的型号。选择好版本后到官网下载源码，然后解压缩，最后配置编译源码(尽量少改代码，先保证最基本的编译通过、能运行)。具体步骤如下：
①修改Makefile，改成上面安装的交叉编译工具链;
②使用官网上已经发布的和本系统开发板最接近的board配置，编译运行。
3.1.3 内核移植
目标板采用的内核版本是Linux-3.14，解压后进入源码的顶层目录，具体的步骤：
①修改Makefile，指定交叉编译工具链;
②导入配置，选择最接近本系统板子的官方配置，执行命令#Make exynos_defconfig;
③输入命令#make menuconfig进入内核配置界面，完成对串口、SD卡、CMOS摄像头和USB无线上网卡等多项驱动的配置，并对YAFF2S根文件系统进行配置，配置完成后在主菜单选择
④输入命令make uImage开始编译内核，编译完成后会在arch/arm/boot目录下生成内核镜像文件uImage;
⑤编译设备树，执行命令#make dtbs。
最后将编译好的内核和设备树文件下载到板子上运行。
3.2 ZigBee模块的软件设计
TI公司为CC2530芯片搭配了Z—Stack协议栈，用户使用这款芯片可以很简单地开发自己的应用程序。Z—Stack协议栈使用了名叫OSAL的操作系统来对协议栈中的进程进行调度，不需要了解这个操作系统的细节，只需要调用系统提供的API接口来开发程序，就如同开发Windows应用程序一样。
Z—Stack由主函数main()函数开始执行，主要完成两项工作：一是系统初始化，二是进行轮询操作。时间查询流程图如图4所示。
服务器使用socket()函数创建一个套接字，然后用bind()函数将套接字与本地地址和端口号进行绑定;绑定成功后，客户端根据服务器域名获取服务器的IP地址，然后利用socket()创建套接字;客户端调用sendto()函数向服务器发送服务请求报文，调用recvfrom()函数等待并接收服务器的应答报文;双方通过socket套接字进行数据的发送与接收，实现Cortex—A9平台与PC上位机之间通信。
其他的检测信息和控制命令采用基于连接的、可靠的TCP/IP协议进行传输。
结语
设计了一个基于嵌入式Linux的光伏电动汽车充电站的监控系统，以嵌入式微处理器EXYNOS4412为核心，结合ZigBee模块和4G无线网络模块，实现与底层传感器和上位机的通信。
在本系统中应用了设备树方式编写驱动，简化了代码。经测试，该系统具有性能稳定、实时性好、可靠性高等优点，可广泛应用在我国高速公路网中的光伏储能电动汽车充电站中，以解决监测中的问题。
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