一種基于云平臺(tái)的微電網(wǎng)光伏模塊數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)

余翼，孫川，王凡，劉金華

（電子科技大學(xué)中山學(xué)院，廣東 中山 528402）

0 引言

小型微電網(wǎng)的位置分布零散，一般沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)值守的運(yùn)行和維護(hù)人員，而光伏發(fā)電平臺(tái)容易出現(xiàn)光伏板遮擋、光伏組件隱裂、接線(xiàn)故障等問(wèn)題，一旦出現(xiàn)故障，從工作人員發(fā)現(xiàn)故障、到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，維修，直到最后解決故障問(wèn)題的時(shí)間周期會(huì)很長(zhǎng)，會(huì)影響原本微電網(wǎng)的供電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[1]。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)加裝數(shù)據(jù)測(cè)量裝置和通信裝置，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量通過(guò)云平臺(tái)將數(shù)據(jù)發(fā)送到總控室進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，使得當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障后，維修人員能立即知曉從而迅速響應(yīng)，此外主控室的主控機(jī)對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析處理，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)預(yù)評(píng)估，評(píng)估可能發(fā)生的故障類(lèi)型以及發(fā)生故障的可能性，現(xiàn)場(chǎng)可以重點(diǎn)關(guān)注，維修人員能夠預(yù)知故障類(lèi)型，可以減少現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，減少維修時(shí)間[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為控制器、光伏組件測(cè)量模塊、WiFi模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、總控室PC和手機(jī)app如圖1。除了一些偏遠(yuǎn)地區(qū)建立的離網(wǎng)微電網(wǎng)，比如通信基站等，不方便搭建WiFi傳輸環(huán)境之外，對(duì)于一些家用的微電網(wǎng)、大型工廠(chǎng)、工業(yè)園區(qū)和科技園等區(qū)域一般都有WiFi覆蓋，因此選擇WiFi來(lái)作為無(wú)線(xiàn)通信方式可以極大降低項(xiàng)目成本?？刂破鞯墓δ苁鞘占瘻y(cè)量模塊的數(shù)據(jù)，發(fā)送給WiFi模塊，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一些信號(hào)燈以及開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。WiFi模塊的功能是將控制器傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，以及將云平臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳遞給控制器[3-4]。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的功能是將WiFi模塊上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)app和主控室的主控機(jī)。用戶(hù)通過(guò)手機(jī)app可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一些信號(hào)燈和開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。用戶(hù)還可以通過(guò)總控室的PC對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，在總控室的PC上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障診斷，從而減少設(shè)備因故障停運(yùn)的時(shí)間。

2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的選擇

在本方案里的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)選擇了機(jī)智云開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)有面向個(gè)人用戶(hù)和企業(yè)用戶(hù)的機(jī)智云平臺(tái)，通過(guò)自助的工具、軟件開(kāi)發(fā)工具包和應(yīng)用編程接口服務(wù)等，將物聯(lián)網(wǎng)硬件開(kāi)發(fā)人員的技術(shù)壁壘盡可能地減少，開(kāi)發(fā)人員的研發(fā)時(shí)間降低，提高了開(kāi)發(fā)商的生產(chǎn)速度，還幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行智能升級(jí)，更好連接、服務(wù)終端消費(fèi)者[5-6]。要使用本云平臺(tái)，用戶(hù)只需要編寫(xiě)建立連接和傳輸協(xié)議，將GAgent植入到WiFi模塊中，并將WiFi模塊與路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)中，控制器就可以通過(guò)WiFi模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)的服務(wù)器。用戶(hù)通過(guò)在手機(jī)端平臺(tái)提供的APP應(yīng)用里進(jìn)行綁定，就可以通過(guò)手機(jī)查看相關(guān)數(shù)據(jù)或者收發(fā)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。

GAgent是一個(gè)可以在許多不同類(lèi)型的通信模塊上運(yùn)行的應(yīng)用程序，也叫作固件。它不僅提供了手機(jī)應(yīng)用、其他控制終端和云平臺(tái)與產(chǎn)品設(shè)備之間的三向的數(shù)

基金項(xiàng)目：…本文系廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目…“基于分布式檢測(cè)系統(tǒng)的離網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)故障深度檢測(cè)分析系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：419N24）；廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目“水冷板分集水流道優(yōu)化研究”（項(xiàng)目編號(hào)：419N04）。

作者簡(jiǎn)介：余翼，男，湖北武漢，碩士，講師。研究方向：微電網(wǎng)、開(kāi)關(guān)電源。據(jù)通信，而且還提供對(duì)設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)接入、發(fā)現(xiàn)綁定等多元化功能。主要用于數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，是硬件數(shù)據(jù)、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、移動(dòng)應(yīng)用端的數(shù)據(jù)交互橋梁?？梢栽诟鞣N通信模塊上寫(xiě)入GAgent固件，實(shí)現(xiàn)WIFI模塊、 GPRS模塊、藍(lán)牙模塊、電腦端等聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電路分為MCU主控電路、測(cè)量電路、WiFi通信電路、供電電路和控制繼電器電路四個(gè)部分。其中MCU主控電路由STM32F103C8T6作為控制芯片，還包括芯片運(yùn)行所需要的最小系統(tǒng)如圖2，比如供電電路、晶振電路、復(fù)位電路。

測(cè)量電路是由HLW8012測(cè)量模塊和其他輔助元件組成如圖3。HLW8012是一款用于測(cè)量各類(lèi)電路中的各類(lèi)參數(shù)的芯片，可用于測(cè)量電路中電壓、電流值以及有功功率值等。同時(shí)通過(guò)內(nèi)部計(jì)算，輸出高頻脈沖，通過(guò)高頻脈沖得出相應(yīng)的參數(shù)值的大小[7-8]。廣泛應(yīng)用于各類(lèi)智能家居和智能電表中。

WiFi通信電路是由ESP8266芯片以及其他輔助元件組成如圖4。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括MCU主控程序、WiFi模塊程序。MCU主控程序主要包含外部設(shè)備的控制以及和WiFi模塊的通信程序。WiFi模塊的程序通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)進(jìn)行連接和通信。設(shè)備接上電源得電之后，進(jìn)行自動(dòng)搜索且根據(jù)記憶優(yōu)先搜索之前連接成功的路由器，如果連接成功后，將與云服務(wù)器進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)的通信，從而進(jìn)行對(duì)硬件設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)的傳輸通信。如果WiFi連接失敗，可能是WiFi路由器的內(nèi)部信息遭到更改導(dǎo)致無(wú)法連接上。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接失敗時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入另外一個(gè)工作模式，即AP模式，此時(shí)的系統(tǒng)會(huì)等待用戶(hù)來(lái)手動(dòng)配置入網(wǎng)信息，并且將手機(jī)連接同一局域網(wǎng)下的WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行與系統(tǒng)的對(duì)接，此時(shí)的路由器會(huì)使用UDP的形式將設(shè)備的一些信息進(jìn)行發(fā)送，收到設(shè)備信息的芯片系統(tǒng)將與路由器建立TCP連接，然后把路由器發(fā)送的信息記錄下來(lái)。系統(tǒng)工作于STA模式時(shí)是屬于一個(gè)正常的工作模式，在這樣的工作狀態(tài)下會(huì)通過(guò)路由器連接網(wǎng)絡(luò)后把智能設(shè)備的信息全部發(fā)送至云服務(wù)器去，當(dāng)系統(tǒng)芯片收到相關(guān)信息時(shí)，會(huì)對(duì)消息進(jìn)行相關(guān)的函數(shù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且對(duì)收到的信息進(jìn)行分析后，執(zhí)行相應(yīng)命令對(duì)硬件端進(jìn)行控制[9]。

5 應(yīng)用app的開(kāi)發(fā)

機(jī)智云平臺(tái)對(duì)軟件程序提供APP、IOS等開(kāi)源框架源碼，可以使用開(kāi)發(fā)者工具自動(dòng)生成APP與IOS程序。除此之外，開(kāi)發(fā)者還可以根據(jù)項(xiàng)目中的實(shí)際需求，選擇合適的方式對(duì)APP進(jìn)行開(kāi)發(fā)。機(jī)智云平臺(tái)為研發(fā)者提供了APP的開(kāi)源框架代碼，并且能根據(jù)研發(fā)人員所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)點(diǎn)自動(dòng)生成相應(yīng)的設(shè)備功能需求的控制APP，對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試以及開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的便利，降低了開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，從而深受電子開(kāi)發(fā)愛(ài)好者的喜歡。自動(dòng)生成的APP代碼模塊化集成了智能硬件所需的功能，主要包括：（1）用戶(hù)注冊(cè)、登錄，或者第三方登錄等功能。（2）配置設(shè)備入網(wǎng)分為三種Airlink+SoftAP+Airkiss模式。（3）設(shè)備進(jìn)行搜索，然后在APP中進(jìn)行列表。（4）對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作控制。

我們只需將源碼的壓縮包下載完之后進(jìn)行解壓，然后需要在控制功能部分對(duì)機(jī)智云的控制設(shè)備部分進(jìn)行同步對(duì)應(yīng)，編寫(xiě)控制流程，也可以根據(jù)自身需求對(duì)UI界面進(jìn)行更改以APP控制界面的修改設(shè)計(jì)，整個(gè)過(guò)程基本無(wú)需做太大的改變，只需將源碼下載修改后進(jìn)行打包安裝即可完成客戶(hù)端APP，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使生活更加貼近智能及方便[10]。

6 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為以下幾個(gè)步驟，首先是使用測(cè)量模塊對(duì)已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)MCU收集和顯示，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析測(cè)量模塊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。之后連接上WiFi模塊，通過(guò)在手機(jī)端和主控機(jī)端查看到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和對(duì)比。通過(guò)上述測(cè)試方法，本文設(shè)計(jì)的光伏模塊數(shù)據(jù)測(cè)量和采集裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都很高。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的微電網(wǎng)光伏模塊數(shù)據(jù)采集裝置具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，由于不需要布線(xiàn)，安裝方便，可以對(duì)大多數(shù)現(xiàn)存的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，通過(guò)控制總站的數(shù)據(jù)收集和分析，可以實(shí)現(xiàn)一總站監(jiān)控多光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能。維護(hù)人員還可以在總站之外通過(guò)網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)或者移動(dòng)端管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行管理。