基于阿里云平臺的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)

薛家祥，葉 興，吳 堅

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

隨著化石能源的消耗和環(huán)保觀念的深入人心，尋找可再生、綠色的能源代替化石能源已經成為必然的趨勢。光伏發(fā)電是一種綠色、安全、取之不盡的新能源，然而，光伏發(fā)電功率極易受到溫度、濕度、太陽能輻射等因素的影響而出現(xiàn)波動[1]。近年來隨著云計算技術快速的發(fā)展，云計算已經廣泛地運用到各行業(yè)。為了方便用戶獲取實時監(jiān)控發(fā)電狀況以及維修人員快速排除故障，因此開發(fā)基于阿里云平臺的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)對于當前的光伏發(fā)電監(jiān)控具有極大的應用價值。

在此所提出的云平臺智能監(jiān)控系統(tǒng)采用阿里云ECS服務器，以STM32為主控芯片的通信模塊作為云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信網關，使用Java語言搭建了后臺服務器并且開發(fā)了Android系統(tǒng)移動端監(jiān)控App。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)的總體結構

基于云平臺的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)包括：太陽能板、光伏發(fā)電逆變器以及電池組、太陽能輻射采集模塊、通信網關、智能移動設備端、阿里云服務器。系統(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)可對光發(fā)電參數(shù)、太陽能輻射強度、天氣狀態(tài)進行實時監(jiān)控。用戶可以直觀地獲取每日以及歷史發(fā)電量，檢修人員可以遠程在線監(jiān)測電參數(shù)。

圖1 光伏監(jiān)控總體框架Fig.1 Overall frame of PV monitoring

1.2 通信網關部分

所設計的通信網關模塊具有WiFi以及ZigBee兩種無線通信方式。通信網關模塊以STM32F103為主控芯片，ZigBee通信模塊選用廣州致遠公司的ZM5168模塊，WiFi無線通信選用深圳安信可公司基于樂鑫ESP8266模塊開發(fā)的ESP-12F。兩者均通過與主控芯片串口端相連接。通信網關模塊通過RS-232總線與光伏逆變器通信，逆變器主控芯片采集光伏電站各組成部分的狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)骄W關模塊進行解析和重新打包，然后通過WiFi模塊（STA+AP模式）上傳到云端服務器中。網關模塊通過Zig-Bee模塊與輻射傳感器模組通信，采集太陽輻射強度數(shù)據(jù)，再通過WiFi上傳到云端服務器中。云端服務器讀取通信網關數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)存入云數(shù)據(jù)庫。網關通信如圖2所示。

圖2 網關通信示意圖Fig.2 Gateway communication schematic diagram

1.3 數(shù)據(jù)庫

采用MySQL 5.7數(shù)據(jù)庫。MYSQL占用體積小，操作簡單，提供多種編程接口，通過自身的權限訪問控制機制限制用戶訪問，保證所存儲數(shù)據(jù)的安全；以表格的形式存儲數(shù)據(jù)，訪問速度較快，靈活度較高，有效地防止數(shù)據(jù)冗余。因此，選用MYSQL作為本監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫并將其部署到阿里云ECS服務器，并將其部署到阿里云ECS服務器，作為監(jiān)控系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)庫，云數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，至關重要，不僅起到了存儲數(shù)據(jù)的作用，還可提供邏輯計算。

光伏監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建 pvindata，grid，battery，history表格。pvdata表格存儲光伏組件工作數(shù)據(jù)，記錄光伏組件的實時發(fā)電的電壓、電流等數(shù)據(jù)。grid表存儲實時電網數(shù)據(jù)，記錄電網的電壓、電流等參數(shù)。battery表格記錄電池組的電壓、電流、功率以及電池電量。history表格記錄光伏發(fā)電的歷史數(shù)據(jù)，包括年發(fā)電量、月發(fā)電量。

1.4 云服務器與智能移動端

云服務器采用阿里云ECS服務器。阿里云ECS是基于阿里云飛天操作系統(tǒng)的云服務器，可根據(jù)用戶需求提供彈性可伸縮的計算服務。在阿里云后臺部署Windows系統(tǒng)，并且安裝Java環(huán)境以及TOMCAT 8.5軟件，開放服務器訪問端口。

移動端采用Android系統(tǒng)智能手機或者平板作為監(jiān)控客戶端。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

光伏監(jiān)控系統(tǒng)中，通信網關是信息交換的關鍵，承擔著逆變器與云服務、太陽能輻射模組傳感器與云服務器之間的通信。目前在物聯(lián)網應用上多采用esp8266 WiFi模塊進行聯(lián)網通信。WiFi通信模塊具有 AP（access point）工作模式、STA（station）工作模式、AP+STA模式[2-3]。WiFi模塊通過連接廣域網，即可與部署于云端平臺的遠程服務器進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)上云以及云端智能控制。

由于ZigBee模塊的價格相對較便宜，而且功耗低，自組網的能力強大，使得ZigBee通信技術在小型局域網通信中具有明顯優(yōu)勢[4-5]。故選用了ZigBee通信技術作為無線網關與太陽能輻射強度采集系統(tǒng)通信。

2.1 通信網關主控電路設計

通信網關主要包括：網關與逆變器的串口通信、網關與太陽能輻射采集模塊的ZigBee通信、網關與云服務器通信。綜上所述選取以ARM核心的STM32F103作為網關的主控芯片。網關主控電路如圖3所示。

圖3 網關模塊主控電路Fig.3 Main control circuit of gateway module

網關模塊通過STM32串口USART2與逆變器RS232總線相連接，接入光伏逆變器實現(xiàn)通信。

網關與太陽能輻射模組傳感器通過ZigBee通信。ZigBee通信選用ZM5168模塊，ZM5158模塊內集成了射頻電路以及復雜的通信協(xié)議，而且具有UART，SPI等通信接口，具有開發(fā)難度低、可靠性高、功耗低、性能高等特點。根據(jù)ZM5168模塊的電氣特性及管腳功能，設計其外圍電路，如圖4a所示。其中，TXD，RXD管腳分別與 MCU的 USART1的U1TX，U1RX相連接，通過與太陽能輻射采集模塊的ZigBee通信。

WiFi模塊ES-12F內集成了完整的TCP/IP網絡協(xié)議，支持IEEE802.11 b/g/n協(xié)議和實時操作系統(tǒng)（RTOS），可通過二次開發(fā)后接入云端服務，并支持云端進行OTA固件升級。據(jù)ESP-12F模塊管腳功能，設計電路如圖4b所示。其中，CH_PD管腳外接10 kΩ的上拉電阻，使能ESP-12F模塊；TXD，RXD管腳分別與MCU串口USART3的U3RX，U3TX相連接；RST管腳外接按鍵復位電路。

圖4 模塊外圍電路Fig.4 Module peripheral circuit

由于傳統(tǒng)的ARM程序燒寫方式需要配備仿真器，且需要人工手動設置啟動方式即ISP燒寫，ARM燒寫程序需要配備相對昂貴的仿真器以及特定的JTAG電路，ISP燒寫可利用STM32芯片USART1（使用跳線帽與ZigBee模塊隔離）進行燒寫。一鍵下載電路即在硬件層次的對ISP燒寫進行改進，無需手動設置啟動方式，便于實現(xiàn)程序下載。

一鍵下載電路如圖5所示。圖中，USB轉TTL電平采用CH340G芯片。該芯片不僅實現(xiàn)電平轉換還可由下載軟件控制DTR#，RTS#引腳輸出的高低電平。當DTR#輸出高電平，RTS#輸出低電平，則 Q1，Q2被導通，BOOT0被拉低，RST復位引腳也被拉低，實現(xiàn)S復位。緊接著DTR#輸出高電平，RTS#輸出低電平，芯片進入ISP模式，從而實現(xiàn)一鍵下載。

圖5 USB一鍵下載電路Fig.5 USB one-click download circuit

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

光伏監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要由通信網關軟件設計、云服務器后臺軟件設計、監(jiān)控移動端軟件設計三大部分組成。

3.1 通信網軟件設計

通信網關部分軟件，主要是將光伏逆變器的數(shù)據(jù)和太陽能輻射的數(shù)據(jù)進行打包，上傳到云服務器。軟件流程如圖6所示。

首先初始化主控芯片，判斷云服務器是否下達指令，定時向云服務器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令，通信正常則將數(shù)據(jù)打包為JSON（JavaScript object notation）數(shù)據(jù)包上傳至云服務器，如果通訊超時則報錯[6]。

所設計的網絡通信數(shù)據(jù)格式為JSON數(shù)據(jù)格式，需要在STM32工程文件中導入cJSON庫。cJSON數(shù)據(jù)占用的STM32的堆內存，需要開辟充足的內存空間進行cJSON數(shù)據(jù)打包，以及時釋放內存，避免內存溢出。

圖6 網關通信流程Fig.6 Gateway communication flow chart

3.2 云服務器后臺軟件設計

阿里云云端部署Linux操作系統(tǒng)，開放公網訪問安全組，部署MySQL 5.7即可對云服務器進行公網訪問。

所用云服務器后臺程序采用Java語言編寫。基于SSM（Spring+SpringMVC+MyBatis）框架搭建云端后臺服務器，SSM框架是由Spring，MyBatis兩個開源框架整合而成的，常用于數(shù)據(jù)源較為簡單的Web項目框架。云端后臺代碼采用Eclipse進行編譯，將編譯成功的工程打包，發(fā)布到云端Tomcat 8.5服務器下，即完成云端部署。

網關通信模塊通過HTTP（HyperText transfer protocol）通信請求，將數(shù)據(jù)推送到云服務器。云服務器解析數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)寫入云端數(shù)據(jù)庫。云服務器根據(jù)智能移動端的HTTP請求，服務器后臺從數(shù)據(jù)庫讀取相應的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到智能移動端[7]。

3.3 移動端軟件設計

移動端光伏監(jiān)控應用的界面主要包括登陸界面、監(jiān)控主界面、交易界面、光伏發(fā)電歷史數(shù)據(jù)界面以及App設置界面。光伏發(fā)電監(jiān)控界面不僅顯示逆變器電參數(shù)，還顯示電池容量、天氣情況，讓用戶以最直觀的方式獲得光伏發(fā)電實時情況。歷史發(fā)電界面統(tǒng)計了月發(fā)電量以及年發(fā)電量。所設計的App已經成功地應用于實驗室光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件測試

4.1 通信網關測試

通信網關進行通信測試時，需要重新將WiFi模塊燒寫固件并且調成STA模式，并接入路由器。通過內置的軟件自動與光伏云端服務器建立TCP/IP連接后，隨即開始每隔1 s對光伏電站采集1次數(shù)據(jù)的循環(huán)過程，并對所采集數(shù)據(jù)包進行分段，然后傳輸?shù)焦夥贫朔掌鳌５顷懛掌鞯臄?shù)據(jù)庫后臺查看光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。

4.2 移動端測試

用戶賬戶登錄頁面如圖8所示。要求用戶正確輸入賬戶和密碼，云端服務器驗證賬戶和密碼正確后，方可登錄成功進入監(jiān)控頁面。用戶登錄后，進入“監(jiān)控”主界面，界面中只顯示部分最直接反應光伏電站工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如光伏發(fā)電功率、發(fā)電量等。遠程監(jiān)控App可通過4G網絡從云端服務器獲取光伏電站發(fā)電數(shù)據(jù)，同時也驗證了云端服務器可實現(xiàn)預定功能。

圖7 通信網關測試結果Fig.7 Test results of communication gateway

圖8 App測試結果Fig.8 App test results

5 結語

采用基于阿里云服務器部署了MySQL5.7數(shù)據(jù)庫、Tomcat 8.5，Java語言，編寫了云端后臺服務器代碼以及安卓監(jiān)控App，開發(fā)了以STM32為主控芯片下的多種協(xié)議下的通信網關，構成了完整的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。經過測試表明，以STM32為主控系統(tǒng)的通信網關與逆變器、太陽能模組傳感器、云端服務器通信正常穩(wěn)定，通信模塊工作狀態(tài)良好。監(jiān)控App能夠保持正常的運行狀態(tài)同時與云端服務器能夠實時交互，界面顯示良好。試驗結果表明，基于阿里云平臺的智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足光伏發(fā)電的實時監(jiān)控要求。