基于無線通信和Android手機的光伏監控系統的實現

薛家祥，龔 普，吳 堅

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

能源問題一直是當今世界關注的重大問題，隨著化石能源等不可再生能源的耗盡，太陽能作為來源廣、資源足、用之不竭的新能源迅速得到廣泛地應用，隨之而來的是光伏發電作為應用太陽能的技術得到了各國政府的大力支持。但是由于太陽能在分布上一般處于偏遠的地區，對于人力監控提出了很高的要求。再者，隨著網絡技術的發展，無線通信被應用到了光伏監控系統上，并且得到了廣泛的應用。另外，隨著近年來手機行業的發展，手機應用已經深入到大眾之中，所以開發出一套基于無線通信和手機應用的智能光伏監控系統對于當前光伏發電監控行業具有十分重大的應用價值。

本文提出的智能光伏監控系統采用WiFi232作為無線通信模塊，采用JAVA語言開發手機端監控應用來達到實時監控的目的，為發電系統提供服務。目前，此款手機應用處在試驗階段。

1 系統總體方案的設計

1.1 系統總體結構

光伏發電監控系統包括太陽能板、光伏發電逆變器、WiFi無線通信板、智能手機客戶端等，智能手機客戶端利用當前很流行的手機應用來監控，WiFi無線通信則使用WiFi232模塊作為通信技術，其系統結構如圖1所示。本系統對光伏發電系統的各個參數進行監控，讓用戶可以了解每日發電量、總發電量等直觀的參數，也可以讓專業人員監測到電壓、電流、效率等專業參數。

圖1 系統結構Fig.1 Structure of control system

1.2 網絡通信部分

本系統網絡通信采用局域網絡內由光伏逆變器集成的USART串口，結合WiFi232來達到無線通信的功能。

光伏逆變器通過傳感器對光伏發電系統運行過程中太陽能板的電壓、電流等進行檢測并且通過USART串口通信把數據傳遞到建立了WiFi通信的終端（設置成為AP和Sta模式）上，由于這些WiFi232模塊通過路由器已經建立了Internet網絡，把數據傳到本地計算機上，進而將這些數據傳到Bomb數據庫，最后通過手機應用訪問這些數據，最終顯示在用戶的手機上，達到實時監控的目的。其通信框圖如圖2所示。

圖2 網絡流程Fig.2 Network communication flow chart

1.3 數據庫

本文采用的數據庫是Bmob云端數據庫，是一種后端服務（BaaS）。Bmob作為后端服務，為移動應用和游戲開發提供后端服務，包括數據存儲、文件存儲、云參數、推送、支付等各個方面。BaaS產品目的是降低開發者的成本、簡化開發流程，讓開發者只需要關心具體業務和邏輯的實現，而不需要關心后端基礎設施運行相關工作。Bmob后端云為移動應用程序提供了一整套完整的后端解決方案，目的是消除編寫服務器代碼以及維護服務器的煩惱，讓移動開發變得簡單有效。

光伏監控系統創建了名為PvData的表，其字段有電壓 PvVoltage、電流 PvCurrent、效率 Efficient、頻率Hz等。

1.4 手機客戶端

手機客戶端使用的是Android智能手機，采用的編程語言為JAVA語言。JAVA語言由于其具有跨平臺、易于理解等特點，已經成為最廣泛使用的語言之一[1]。而Android自從其問世以來，基于其開源性，直接促進了Android系統的崛起，且逐步占據主流市場，據研究表明截至到2015年，Android市場份額達到45.4%，成為全球最大智能手機操作系統。而正是由于Android系統的崛起，所以采用了JAVA和Android相組合的手機客戶端應用開發[3]。

2 監控系統的硬件設計

光伏監控系統中，通信是實現逆變器與監控系統信息交換的關鍵。目前，在無線通信方面可供選擇的方式主要有ZigBee通信技術、藍牙通信技術以及WiFi通信技術。這3種通信技術各有優缺點。ZigBee技術具有低成本、低功耗、可靠性高、安裝方便等優點，但是也同樣因為數據傳輸率低、通信距離短、開發難度大而制約了其發展；藍牙技術的推出使得終端之間通信速度更快速、更高效，大大改善了電力企業部門之間通信電纜數據巨大、分布散亂的狀況，但是藍牙技術相對來說成本頗高，且通信協議復雜、通信距離有限，限制了其進一步的發展壯大；WiFi通信技術是一種基于IEEE802.11b協議的無線局域網技術，其通信距離長、通信速率快、兼容性高、使用范圍廣，因而在很多領域得到大力推廣。對比藍牙通信技術來說，其通信范圍達到了200 m，是藍牙通信技術的5～10倍。

綜上所述，我們選擇WiFi通信技術作為我們監控系統的通信技術。

2.1 WiFi通信技術電路設計

WiFi網絡主要由以下幾部分組成[2]：

（1）無線保真聯結點成員和結構站點（Sta），是網絡最基本的部分；

（2）基本服務單元（BBS），是網絡最基本的服務單元；

（3）分配系統（DS），分配系統用于連接不同的基本服務單元，分配系統使用的媒介邏輯上和基本服務單元使用的媒介是分開的，盡管它們物理上可能會是同一媒介；

（4）接入點（AP），接入點既有普通站點的身份，又有接入到分配系統的功能；

（5）擴展服務單元（ESS），由分配系統和基本服務單元組合而成。這種組合是邏輯上而并非物理上的，不同的基本服務單元有可能在地理位置上相去甚遠，分配系統也可以使用各種各樣的技術；

（6）關口（Portal），用于將無線局域網和有線局域網或其他網絡聯系起來。

2.2 WiFi模塊及其電路分析

本文選用微雪WiFi232模塊，該模塊支持802.11b無線標準、支持TCP/IP/UDP網絡協議棧、支持USART/GPIO/以太網數據通信接口，可以工作在Sta/AP/Sta+AP模式，這些特點就足以保證了此模塊在光伏監控系統中的應用。

由于此WiFi232模塊需要工作在3.3 V，且其需要和逆變器的串口連接起來才能工作，因此為其設計了WiFi通信底板，此底板不僅為其提供3.3 V標準電壓，還提供串口接口供其串口通信，連接電路如3所示。由于在監控系統中，有些功能接口并未用到，因此未標出。在標出的接口中，nReload為恢復出廠設置，nLink為WiFi連接指示，RESET為模塊復位口，低電平觸發，WiFi_RXD為串口發送端，WiFi_TXD為串口收發接口端。

圖3 WiFi232模塊與底板連接電路Fig.3 Connection of WiFi232 module and bottom plate

3 監控系統的軟件開發

光伏監控系統的軟件開發包括WiFi模塊組網開發和手機端應用的開發。

3.1 WiFi組網

WiFi232模塊既可以配置成AP（無線接入點），也可以配置成STA（無線站點），還可以配置成AP+STA工作模式，因此WiFi232無線組網十分靈活，大致上有3種組網方式：①其中1個作為AP，其他的作為STA接入；②都作為STA連入到其他AP上組成網絡；③單個模塊支持AP接口和STA接口，模塊的STA接口可以與其他的AP相連，同時其他的STA可以連入到AP接口上。

針對以上3種組網模式，本系統選擇將WiFi232模塊配置成AP+STA模式，將STA接入到可以上網的路由器上，AP配置成其他STA接入的無線接入點。在這樣的配置下，只要路由器可以連入Internet，連入這個WiFi232網絡的設備就都可以直接訪問Internet，達到了與Internet直連的目的。

3.2 手機端應用開發

手機端應用開發選擇Android系統作為開發平臺，主要是基于其廣闊的市場，以及其開源的特性。在語言的選擇上，選擇JAVA作為開發語言，JAVA作為一門面向對象的語言，對于以后的擴展有更好的支持。光伏監控應用的界面主要包括登錄界面、首頁、實時監控界面、歷史數據查詢界面、設置界面。

首頁顯示當前正在檢測的光伏逆變器的今日發電量、總發電量，今日天氣、當前電網的信息，當然以后會有什么其他的功能都可以直接加入，而不需要重新開發，這就是選擇JAVA的原因。統計這些信息，可以為大數據分析提供數據，這樣可以大概對一個地區某一段時間內的發電量做一個估量，為光伏產業做一個評估。而實時監控界面提供的信息則包括了當前電網的具體電壓電流等信息，還有包括當天的溫度、濕度、日照時間等，最主要的是可以繪制當前發電情況的折線圖，這樣可以很具體直觀地得到各個時段內的發電量，讓技術人員了解到當天每個時間段內的發電信息和天氣情況的關系。歷史數據查詢界面則可以提供根據日期來對過往的數據進行查詢，可以把查詢當天的前后7天的數據進行比較，還可以根據月份進行比較，根據年份進行比較。初步設計是可以保存10年的數據，這樣一個地區10年的發電信息就可以很直觀地顯示在手機上了。至于設置界面則只是一些軟件上的升級，與客戶的交流等設計。光伏監控手機應用的開發界面目前已測試成功，基本功能都已實現，還有待更進一步的優化。

4 系統測試

4.1 WiFi模塊通信功能測試

在對WiFi232模塊進行通信功能測試前，需要先對其進行配置。本監控系統中，需要把模塊配置成AP/STA模式，其配置過程如下：首先，在模塊通電之后，瀏覽器打開10.10.100.254，登錄進入之后，在模式選擇選項中選擇Station模式；在無線終端設置選項中，選擇無線終端參數設置，選擇模塊要接入的網絡名稱（即需要接入的路由器的名稱），填上密碼（如果需要），保存；在串口及其他設置選項中，網絡參數設置一欄里填入網絡模式：Server，協議：TCP，端口：8899，服務器地址：10.10.100.100，保存；然后模塊管理選項中，確定，重啟模塊即可完成設置。這樣配置之后，重啟模塊會產生一個AP信號，默認為HFA11x_AP。只要終端設備，如手機、電腦等連入都可正常上網，連入Internet。這樣WiFi232模塊配置完成。

將電腦與WiFi232用USB連接起來，用手機安裝SocketTools軟件，即Android平臺下的TCPIP調試助手，手機也連入WiFi232模塊產生的HFA11x_AP網絡中，打開自己寫的接收程序，發送數據給WiFi232模塊，從圖4中可以看到，電腦端很快顯示了手機發送的數據。WiFi232模塊通信功能測試正常。

圖4 WiFi實物與測試結果Fig.4 WiFi connection test

4.2 手機應用功能測試

手機客戶端的功能測試很簡單，只要把開發的手機應用安裝到手機上，登錄之后，打開實時監控界面就可以看到監控的數據顯示在界面上。測試還包括軟件的切換流暢度、Bug產生、響應時間、數據實時監控正確性。實際的運行效果如圖5所示。在不同的測試條件下，手機應用都能正常工作，并且能夠做到不崩潰、流暢、實時顯示正常。

圖5 手機客戶端功能測試Fig.5 Test of cellphone interface

5 結語

本文通過利用WiFi通信技術、JAVA語言、Bmob云端數據庫、Android平臺，開發出了一套基于WiFi無線通信技術的光伏監控系統的Android手機應用。測試表明，整套系統通信正常、監控實時、工作穩定，達到了實時監控的要求。

[1]李冰.基于JAVA的光伏逆變器并網監控系統的設計與實現[D].濟南：山東大學，2014.

[2]王燕.基于WiFi模塊的多路燈光控制系統開發[J].電子世界，2015（17）：180-182.

[3]任玉剛.Android開發藝術探索[M].北京：電子工業出版社，2015.

[4]徐宜生.Android群英傳[M].北京：電子工業出版社，2015.

[5]Bruce Eckel.JAVA編程思想[M].北京：機械工業出版社，2005.