基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗研究

華 馳， 畢海峰， 王 輝， 楊 慧

(1. 江蘇信息職業技術學院 物聯網工程系， 江蘇 無錫 214101； 2. 無錫英臻科技有限公司， 江蘇 無錫 214101； 3. 中國礦業大學 資源與地球科學學院， 江蘇 徐州 216009 )

物聯網是繼計算機、互聯網、移動通信之后的新一輪信息技術革命[1]，是信息技術領域未來競爭的制高點和產業升級的核心驅動力,其作為國家重點發展的新興產業，無論是在基礎研究、產品開發、設備制造、系統集成領域，還是在行業應用領域都需要大量的人才[2]。物聯網技術專業作為新興專業，當前綜合實訓案例較少能按照物聯網項目工程的方法以一個完整項目的具體實現過程來進行實驗組織[3]，對于物聯網應用技術專業的學生來說，過于偏重于理論的專業綜合實訓實驗，不利于模仿實現及項目式教學。本綜合實驗的開發依托于在企業參與完成的工程實踐項目及企業總經理和項目經理的充分參與，以企業物聯網應用系統的開發過程為主線，貫穿于整個專業綜合實驗的構建過程中。

本研究通過構建基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗，使學生能夠從物聯網感知層、傳輸層和應用層3層結構出發[4]，對物聯網應用系統的設計和開發過程進行模仿，深入學習和理解物聯網應用系統開發過程中的重點和難點，引導學生進行自主學習，從而提升教學效果，增加學生的自主創新能力，進而提高學生的就業競爭力與工作質量[5]。

1 基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗系統架構

1.1 基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統整體設計

基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統是在每個光伏組件上安裝數據采集模塊，基于數據采集模塊中的無線傳感器網絡組成自組織網絡，各數據采集模塊的控制命令與采集的數據沿著其他傳感器節點逐條地進行傳輸，并經過多條路由到匯聚節點——網關(中繼接受傳輸器)，最后通過有線以太網或WiFi、3G等無線通信方式送達監控中心[6]。系統模型如圖1所示。

圖1 太陽能光伏組件監控系統模型

監控中心接收各中繼傳輸器傳輸來的數據后進行分析處理，并通過顯示系統展示出太陽能發電組件(矩)陣中每塊太陽能電池板的工作狀態，從而起到對整個太陽能發電系統的管理監控、維修維護和安全防范的作用，保證系統的正常工作。用戶通過遠程管理系統對傳感器網絡中數據采集模塊進行配置和管理，發布監測任務并分析、顯示監測數據。

系統數據流程設計如圖2所示，在服務器需調用太陽能光伏電板數據信息時，數據服務器向網關提出數據申請，而該請求又由網關傳遞到數據采集器，數據采集器將該請求傳遞到逆變器，逆變器進行分析后，再向太陽能光伏電板的串設備發送請求，串設備再發送請求給多個電板設備；當該請求得到電板設備響應后，則包含多個電板信息數據的數據包由電板向太陽能光伏電板的串設備傳遞，再進一步傳遞到逆變器、數據采集器，最終被發送至網關，由網關根據IP地址發送、傳遞給數據庫服務器，系統管理門戶應用服務器則實時調用數據庫服務器中的數據，從而使系統管理門戶應用服務器可以實時獲取太陽能光伏電板的信息數據，實時更新電板的實時信息表，而電板的歷史數據信息表也在不斷地更新，數據也在不斷地增加。

圖2 太陽能光伏組件監控系統數據流程圖

溫度傳感器、光照傳感器、風速傳感器的數據信息則是直接經由數據采集器傳遞到網關，由網關發送，傳遞到數據庫服務器，系統管理門戶應用服務器實時調用數據庫服務器中的數據，并更新其實時數據信息表，實時轉移和更新其歷史數據信息。

1.2 綜合實驗系統構架設計

根據物聯網系統主要是由感知層、傳輸層、應用層3個層次組成，基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗系統結構設計，主要也就是根據此3個層次來完成3個學習情境的設計。

學習情境一為系統感知層，也就是底層硬件上傳的數據，包括每塊電板的5路電壓值、電板的及時電流值、電板的及時溫度值、中繼器與電板之間的連接狀態等數據。

學習情境二為系統傳輸層，也就是上位機根據底層硬件上傳的數據進行計算的數據，包括根據發電量、電池板光效值計算電壓、溫度是否處在設定的報警條件區間內以及根據光照度、發電量等數據計算是否有局部的陰影遮蓋。

學習情境三為系統應用層，也就是系統管理門戶軟件，主要以直觀、易操作的特點讓用戶能夠快速地完成各類數據的統計及分析。

通過在綜合實驗過程中對以上3個學習情境的模仿，從而達到深入學習和理解物聯網應用系統開發過程中的重點和難點的目的，培養出符合社會需求的物聯網應用技術合格人才。

2 專業綜合實驗系統感知層設計

基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統的感知層結構示意圖如圖3所示。光照輻射傳感器、風向傳感器、風速傳感器、組件溫度傳感器等通過0～5 V轉ModBUS 設備和8位單片機R5F212B8相連，溫濕度傳感器直接與8位單片機R5F212B8相連；8位單片機R5F212B8中包含了內存，SD卡及各類外圍電路；感知層對外通信接口類型包括RS232、RS485、網絡接口、LAN、WiFi、GPRS等。

圖3 系統感知層結構示意圖

數據采集模塊主要由風速傳感器、光照輻射傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器等完成。其中各類傳感器電路都由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及風速采樣電路組成，各類傳感器電路的電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路的設計基本是一致的，不同的就是根據各類傳感器的特點來設計其類型的數據采集電路，以下以風速傳感器電路的詳細設計為例來進行說明。

數據采集中最重要的環節分別為數據采集及數據傳送，其中數據采集由風速采樣電路完成，如圖4所示的風速采樣電路中，4針插座的1腳接地，4腳接Vcc，2腳和3腳為風速傳感模塊的數據腳，輸出信號經過電容和電阻的處理濾波后進入模擬量計算電路中。數據傳送由通信電路完成，如圖5所示的通信電路中，通信電路由無線收發芯片SI4432、晶振XA3、切換開關U6、天線P4及外圍的一些電容和電阻等組成。

圖4 風速采樣電路

圖5 通信電路

3 綜合實驗系統傳輸層設計

基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統傳輸層中數據獲取及上傳處理如圖6所示，在圖中，基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統中各類傳感器不工作時處于休眠低功耗運行狀態。在需要調用太陽能光伏組件監控系統數據信息時，各終端訪問云計算中心，云計算中心向網關提出數據申請，而該請求又由網關傳遞到逆變器，逆變器進行分析后，喚醒各個低功耗運行的傳感器，各類傳感器開始工作后基于RS485接口，通過Modbus協議把數據發送并存儲至網關SD卡或Flash ROM中，網關通過LAN、WiFi、GPRS等方式連入Internet并基于TCP/IP協議把數據傳輸并保存至云計算中心服務器中。

4 專業綜合實驗系統應用層設計

4.1 應用層流程設計

應用層位于系統管理門戶系統，該系統流程設計如圖7所示，系統管理門戶軟件中，管理員登錄系統后可以完成系統管理和系統設置，系統設置包括了太陽能電板管理、逆變器管理、網關管理及傳感器管理等。系統管理門戶普通用戶需要注冊后方可登錄系統，用戶成功登錄之后可以瀏覽包括每日電量、每日功率、天氣信息、電站圖片、環境報告等信息在內的系統整體狀況，還可以瀏覽各太陽能電板實施狀態，進行圖表查詢、報警信息查看及報表生成等操作。

圖6 數據獲取及上傳處理流程程圖

4.2 應用層系統架構設計

在軟件體系架構設計中，分層式結構是最常見也是最重要的一種結構[7]。本系統也使用分層式結構，從下至上分別為數據訪問層、業務邏輯層、表示層。系統主要功能和業務邏輯都在業務邏輯層進行處理，而用戶的交互式操作界面與數據庫的訪問功能則主要由表示層與數據訪問層實現，具體如圖8所示，其中數據庫部署在云計算中心。

圖7 系統管理門戶系統流程圖

圖8 系統架構示意圖

4.3 應用層功能模塊設計及實現

基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統的系統管理門戶系統用戶的角色分為2類，一類是普通用戶，一類是管理員。根據這2類用戶角色的功能區別[8]，將管理門戶軟件系統功能分為前臺功能和后臺功能[9]。

系統管理門戶軟件前臺功能的主要使用角色為普通用戶，系統前臺功能如圖9所示。

圖9 系統管理門戶軟件前臺功能示意圖

普通用戶主要功能有整體狀況查看、實時狀態查看、歷史圖表查看、報警信息查詢等。系統管理門戶軟件后臺功能如圖10所示，主要使用角色為管理員，管理員主要功能有系統設置和用戶管理。

圖10 系統管理門戶軟件后臺功能示意圖

系統客戶端軟件的設計遵循界面友好，操作簡便的原則來完成對系統采集數據的統計分析處理[10]，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監測結果。用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼登錄系統，進入該太陽能光伏組件監測系統。系統訪問時序如圖11所示。本系統軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發，圖形顯示界面基于JavaScript技術，另外還在開發過程中使用了WebService、Ajax等其他技術。系統完成后電板發電電壓日查詢功能界面如圖12所示。

5 結束語

本研究通過構建基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗，使學生能夠從物聯網感知層、網絡層和應用層3層結構出發，對物聯網應用系統的設計和開發過程進行模仿。開發過程進行模仿。基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗系統的設計與實現過程可以完成物聯網技術專業綜合實訓。通過該實驗的完成，學生能夠加深對物聯網系統設計及實現過程的理解，掌握物聯網應用系統感知層中各種傳感器的數據采集、傳輸層中數據的傳輸及存儲以及上位機遠程監控系統的設計[11-12]。該綜合實驗系統為物聯網應用系統的設計和開發提供了一種解決的方案。

圖11 系統訪問時序圖

圖12 日電壓查看示意圖

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