基于云計(jì)算的GPRS風(fēng)光互補(bǔ)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙小龍，張為民

（1.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系，安徽 合肥 230051；2.合肥為民電源有限公司，安徽 合肥 230088）

基于云計(jì)算的GPRS風(fēng)光互補(bǔ)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙小龍1，張為民2

（1.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系，安徽 合肥 230051；2.合肥為民電源有限公司，安徽 合肥 230088）

本文設(shè)計(jì)一種基于云計(jì)算的GPRS風(fēng)光互補(bǔ)控制器的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由云服務(wù)器端程序、客戶端監(jiān)控程序、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、GPRS模塊等構(gòu)成，風(fēng)光互補(bǔ)控制器采用單片機(jī)完成風(fēng)機(jī)、太陽能電池板的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過GRPS模塊發(fā)送到云服務(wù)器，云服務(wù)器程序和客戶端監(jiān)控程序交互，完成數(shù)據(jù)的下發(fā)和采集，通過云服務(wù)器，提高了程序的讀寫能力，監(jiān)控性能得到了優(yōu)化和提高，簡(jiǎn)化了現(xiàn)在工業(yè)監(jiān)控GPRS復(fù)雜的配置程序，提升了監(jiān)控性能，減少了維護(hù)成本，隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制器的故障排除，企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中，性能穩(wěn)定可靠。

云計(jì)算；GRPS；風(fēng)光互補(bǔ)控制器；監(jiān)控系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境越來越惡化，霧霾肆虐。國(guó)家十三五規(guī)劃中實(shí)施污染防治行動(dòng)，制定空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)計(jì)劃，大力發(fā)展綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，推廣節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。太陽能和風(fēng)能是清潔能源，新能源節(jié)能產(chǎn)品的綜合開發(fā)已納入國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

風(fēng)光互補(bǔ)控制器是風(fēng)能和太陽能能源采集的核心部件，廣泛應(yīng)用于照明工程、發(fā)電基站、通信基站、船舶、污水處理、高速公路等供電系統(tǒng)。控制器作為離網(wǎng)型供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的穩(wěn)定性和性能決定了供電系統(tǒng)狀態(tài)，監(jiān)控控制器的數(shù)據(jù)、性能、故障排除等就非常重要[1-2]。

現(xiàn)行的工業(yè)系統(tǒng)采用的GPRS無線監(jiān)控，GPRS模塊要通過專門的軟件來進(jìn)行配置，配置指令復(fù)雜，同時(shí)對(duì)客戶端監(jiān)控軟件也要進(jìn)行相應(yīng)的配置，客戶對(duì)這些配置不熟悉，容易出錯(cuò)且花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間摸索[3-4]。

本文設(shè)計(jì)一種基于云計(jì)算的GPRS風(fēng)光互補(bǔ)控制器的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過云服務(wù)器，提高了程序的讀寫能力，監(jiān)控性能得到了優(yōu)化和提高，通過GPRS對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)控制器的維護(hù)提供了一個(gè)更加便捷的通道，簡(jiǎn)化了現(xiàn)行工業(yè)監(jiān)控GPRS復(fù)雜的配置程序，提升了監(jiān)控性能，減少客戶維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地控制器的故障排除。

1 總的架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算的GPRS風(fēng)光互補(bǔ)控制器監(jiān)控系統(tǒng)，包括云服務(wù)器、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、GPRS模塊、客戶端桌面監(jiān)控、手機(jī)監(jiān)控等，總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖1。

圖1 基于云計(jì)算的GPRS風(fēng)光互補(bǔ)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

該系統(tǒng)通過風(fēng)光互補(bǔ)控制器的單片機(jī)完成風(fēng)能、太陽能電池板的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過RS232/ 485總線進(jìn)入GPRS模塊，無線發(fā)送到云服務(wù)器端，云服務(wù)器程序和客戶端監(jiān)控程序交互，完成數(shù)據(jù)的下發(fā)和采集。GPRS模塊不需要進(jìn)行配置，在出廠前貼有標(biāo)簽上指明該GPRS模塊連接云服務(wù)器端的ID和Password，客戶端監(jiān)控軟件只要輸入監(jiān)控相應(yīng)的GPRS模塊的ID和Password就可以監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)控制器發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備主要有：光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、逆變器組、大容量蓄電池組和交流、直流負(fù)載等。風(fēng)光互補(bǔ)控制器采用16F1947單片機(jī)，由防反沖電路、電子開關(guān)電路、驅(qū)動(dòng)電路、卸荷電路、工頻升壓電路和逆變電路等部分構(gòu)成[5-8]，如圖2。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)控制器發(fā)電系統(tǒng)框圖

風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)主要包括風(fēng)光互補(bǔ)控制器和GPRS模塊的連接。由單片機(jī)、供電電路、通信接口、SIM卡、SIM900A和GSM模塊構(gòu)成，風(fēng)光互補(bǔ)控制器通過單片機(jī)MCU-16F1947，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過串口RS232進(jìn)入SIM900A控制模塊，SIM900A通過SIM卡和GSM模塊實(shí)現(xiàn)RS232采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線數(shù)據(jù)傳輸。風(fēng)光互補(bǔ)控制器單片機(jī)與GPRS控制模塊的硬件原理見圖3所示。Mcu-16F1947通過引腳4、5和SIM900A模塊引腳10、9相連，完成數(shù)據(jù)RS232的傳輸。通過第4TX2、5RX2引腳連接SIM900A模塊的第10RXD、第9TXD引腳，將RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GPRS無線數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器端程序接受。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分，嵌入式程序、云服務(wù)器端程序和客戶端監(jiān)控程序。嵌入式程序主要是風(fēng)光互補(bǔ)控制器的單片機(jī)程序和GPRS模塊的單片機(jī)程序部分，客戶端監(jiān)控程序包括：桌面監(jiān)控程序和移動(dòng)手機(jī)監(jiān)控程序。

3.1 GPRS控制模塊嵌入式軟件設(shè)計(jì)

GPRS模塊嵌入式設(shè)計(jì)流程分為兩個(gè)部分，GPRS模塊連接控制器的單片機(jī)部分和GPRS模塊和云服務(wù)器程序完成數(shù)據(jù)的讀寫的部分。具體又分為啟動(dòng)開機(jī)、控制器管理、短信監(jiān)聽、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)聽和控制器回復(fù)監(jiān)聽流程等幾個(gè)方面。首先，初始化GPRS模塊，讀取設(shè)備的ID號(hào)，完成開機(jī)初檢。進(jìn)入主程序循環(huán)，開始控制器管理流程，讀取控制器參數(shù)，解析控制器參數(shù)，然后循環(huán)讀取數(shù)據(jù)模塊。如果GPRS模塊和云服務(wù)器端程序完成數(shù)據(jù)的讀寫，需要完成網(wǎng)絡(luò)管理配置，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，打開網(wǎng)絡(luò)連接，將GPRS模塊注冊(cè)到云服務(wù)器等操作，并完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)聽流程，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，收到服務(wù)器端程序發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給控制器?？刂破魇盏綌?shù)據(jù)并給出返回?cái)?shù)據(jù)，解析并返回給云服務(wù)器端程序。

圖3 單片機(jī)與GPRS模塊的硬件原理電路圖

GRPS模塊是通過短信的方式來修改控制器的設(shè)備的ID號(hào)和Password密碼，流程見圖4。

圖4 短信監(jiān)聽流程圖

GPRS模塊在出廠的時(shí)候，就寫好了該模塊的ID和Password密碼，如果用戶更改用戶名和密碼可以通過編輯短信的形式來進(jìn)行更改，更改后GPRS模塊自動(dòng)將該ID和Password密碼在云服務(wù)器程序中進(jìn)行注冊(cè)。

3.2 云服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

云服務(wù)器端程序包括服務(wù)器端監(jiān)聽接受、線程管理網(wǎng)絡(luò)鏈接和線程資源回收等三個(gè)部分。主服務(wù)器通過服務(wù)器端套接字進(jìn)行監(jiān)聽和接受客戶端的申請(qǐng)連接，采用動(dòng)態(tài)數(shù)組的來接受存放網(wǎng)絡(luò)套接字，并接受客戶端請(qǐng)求。同時(shí)創(chuàng)建線程管理網(wǎng)絡(luò)連接，線程管理網(wǎng)絡(luò)連接流程見圖5。

資源回收線程，是一種自毀線程，可以關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)管理連接線程和自身線程，同時(shí)定時(shí)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)是否有錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)超時(shí)、長(zhǎng)時(shí)間有無心跳包等。該線程啟動(dòng)關(guān)閉管理，將當(dāng)前套接字移除動(dòng)態(tài)數(shù)組，并關(guān)閉自身線程。

3.3 客戶機(jī)程序設(shè)計(jì)

客戶端監(jiān)控程序分為移動(dòng)客戶端和PC客戶端程序，都是通過Socket編程來實(shí)現(xiàn)，客戶端監(jiān)控程序向云服務(wù)器程序發(fā)送連接請(qǐng)求，服務(wù)器接收請(qǐng)求，這樣客戶端和云服務(wù)器端建立網(wǎng)絡(luò)通訊通道，驗(yàn)證客戶端程序發(fā)送過來的ID和Password密碼，如果云服務(wù)程序在數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的ID和Password密碼，則驗(yàn)證通過?？蛻舳吮O(jiān)控程序下發(fā)讀寫指令并通過云服務(wù)端程序、GPRS模塊讀取風(fēng)光互補(bǔ)控制器的數(shù)據(jù)，流程見圖6。

4 測(cè)試結(jié)果

本文以PC端監(jiān)控軟件作為客戶端，服務(wù)端程序安裝在阿里云服務(wù)器上，IP地址：115.124. 16.13，端口號(hào)：64250，風(fēng)光互補(bǔ)控制器采用合肥為民電源有限公司的生產(chǎn)的48 V、600 W機(jī)型，GPRS模塊的型號(hào)：SIM900A，ID：GPRS00000001，Password：11111；表1為性能測(cè)試指標(biāo)。

圖5 線程管理網(wǎng)絡(luò)連接流程圖

圖6 客戶端監(jiān)控程序流程圖

表1 監(jiān)控軟件性能測(cè)試指標(biāo)

PC客戶端監(jiān)控軟件采集數(shù)據(jù)如圖7。PC端監(jiān)控軟件可以采集蓄電池、光伏和風(fēng)能的電壓、電流及功率，每日的發(fā)電量和年、月的發(fā)電量的累積值，同時(shí)還能顯示碳減排值。

圖7 監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)采集界面截圖

5 總結(jié)

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，利用GPRS實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控，企業(yè)提供一個(gè)GPRS模塊監(jiān)控配置程序和使用說明書，按照說明書一步一步進(jìn)行配置，配置步驟繁瑣復(fù)雜，使一些用戶特別對(duì)GPRS模塊軟硬件不熟悉的用戶，使用起來非常困難，配置容易出錯(cuò)。針對(duì)這種情況，本文采用了云服務(wù)器程序解決了工業(yè)中采用GPRS無線監(jiān)控的復(fù)雜的配置過程，簡(jiǎn)化了客戶操作過程，客戶只要在PC段和移動(dòng)手機(jī)端輸入出廠配置好的粘貼在GPRS模塊標(biāo)簽上的ID和Password密碼，就直接可以監(jiān)控了?？蛻粢部梢酝ㄟ^發(fā)送短信的方式改變GPRS的ID和Password密碼。云服務(wù)器程序提高監(jiān)控程序的性能，保證隨時(shí)隨地通過客戶端來監(jiān)控控制器的數(shù)據(jù)，隨時(shí)可以調(diào)試、巡檢風(fēng)光互補(bǔ)控制器，并對(duì)出現(xiàn)的故障及時(shí)解決，降低了維護(hù)成本，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

[1]杜榮華，張 婧，王麗宏，等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J].節(jié)能，2007，26（3）：36-38．

[2]都志杰.可再生能源離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：3-4．

[3]鄭江送，徐建軍，李世中，等.運(yùn)用單片機(jī)及GSM模塊的遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2012（11）：84-86．

[4]趙玉江，林 君，楊泓淵，等.基于GPRS的無纜地震儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（10）：75-77．

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[7]趙小龍，張為民.Modbus協(xié)議在風(fēng)光互補(bǔ)控制器中的應(yīng)用研究[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，20（2）：62-65,69．

[8]趙小龍，張為民.基于Android平臺(tái)的智能監(jiān)控風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，31（1）：59-62．

Design and implementation of an intelligent monitoring system of GPRS wind solar hybrid controller based on cloud computing

ZHAO Xiao-long1,ZHANG Wei-min2
(1.Department of Computer Science&Technology,Anhui Technical College of Industry and Economy,Hefei Anhui230051, China;2.Hefei Weimin Power Co.,Ltd.,Hefei Anhui230088,China)

This paper designs a monitoring system based on cloud computing of GPRS wind solar hybrid controller.The system consists of a cloud server,client monitoring program,wind solar hybrid controller and GPRS module.Wind solar hybrid controller uses MCU to complete the data collection of wind and solar panels.The data will be sent to the cloud server via GRPS module,the cloud server program interacts with the client monitoring program to complete data collection and data acquisition. The cloud server improves the reading and writing ability of the program,optimizes and improves the monitoring performance, simplifies the complicated industrial monitoring GPRS configuration procedures,promotes the monitoring performance and reduces the maintenance cost,thus,making it possible to realize troubleshooting anytime and anywhere with the remote control, which will be stable and reliable in its application in the enterprises.

cloud computing;GPRS;wind solar hybrid controller;monitoring system

TP319

：A

：1004-4329（2016）04-074-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2016)04-074-04

2016-07-11

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2016A107）；安徽省教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2014jyxm588)；省級(jí)精品資源共享課程（2015gxk123）；校教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2015YJTD01）資助。

趙小龍（1974- ），男，碩士，副教授，研究方向：人工智能、算法設(shè)計(jì)、嵌入式軟件研發(fā)。