基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；光伏能源；數(shù)據(jù)監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

能源危機(jī)的日益加劇與環(huán)境問題的不斷突顯，讓清潔能源的開發(fā)與利用已成為全球范圍內(nèi)的熱門議題[1]。在清潔能源領(lǐng)域中，光伏能源作為一種可再生、環(huán)保的能源形式，受到了廣泛關(guān)注[2]。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性受到諸多因素的影響，如天氣、陰影、灰塵等。因此，為了有效監(jiān)測和管理光伏發(fā)電系統(tǒng)，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究顯得尤為重要。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3-4]的不斷發(fā)展和普及，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為一個(gè)重要的方向。這種系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，能夠有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。然而，目前對(duì)于基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)的研究還比較匱乏，尤其是在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)、通信方法等方面的深入探討不多。因此，本文針對(duì)以上問題，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。首先，對(duì)分布式光伏能源檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)、通信方法研究等內(nèi)容。隨后，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)建過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，包括硬件選型、基于低代碼技術(shù)的軟件平臺(tái)構(gòu)建等方面。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。通過本文研究，不僅可以為光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測與管理提供技術(shù)支持，提高其效率和穩(wěn)定性，還可以推動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 分布式光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的光伏電站分布式監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，包括光伏電站節(jié)點(diǎn)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和監(jiān)測終端。光伏電站節(jié)點(diǎn)在各光伏電站內(nèi)采集數(shù)據(jù)，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。監(jiān)測終端為用戶提供實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理界面，可通過軟件應(yīng)用程序查看光伏電站數(shù)據(jù)和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這一架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程控制，提高了系統(tǒng)的智能化管理水平。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

該監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)的核心組件，其工作原理主要涉及光照強(qiáng)度傳感器、定位模塊、溫濕度傳感器、STM32微控制器[5-6]、供電單元和SIM800 模塊、智能電表、數(shù)據(jù)傳輸單元等部分的協(xié)同作用，如圖2所示。

首先，光照強(qiáng)度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測光照條件，可用于評(píng)估光伏電站的光照條件，從而影響發(fā)電效率的預(yù)測和優(yōu)化。其次，定位模塊用于獲取光伏電站的地理位置信息，可以幫助監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的定位追蹤和地理信息管理，為系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控提供位置依據(jù)。接著，溫濕度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度和濕度，對(duì)光伏電站的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，有助于評(píng)估系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。然后，STM32微控制器作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。STM32微控制器通過與各傳感器模塊的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度、溫濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。同時(shí)，供電單元為數(shù)據(jù)采集模塊提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。供電單元通常采用電池、太陽能電池板等方式為系統(tǒng)提供電能，以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下的供電需求。最后，SIM800模塊用于數(shù)據(jù)的無線傳輸，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。SIM800 模塊通過與STM32 微控制器的串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，保障監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理和控制。

在智能電表數(shù)據(jù)方面，智能電表與STM32連接，并經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transmission Unit，DTU） TAS-LET-892C模塊進(jìn)行有線通信，相比無線通信方式具有更高的靈活性。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)通信方法研究

針對(duì)傳感器模塊，本研究基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用了MQTT通信協(xié)議[7-8]進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括數(shù)據(jù)采集模塊、MQTT客戶端、MQTT Broker。首先，數(shù)據(jù)采集模塊（如圖2所示）負(fù)責(zé)采集光伏電站節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如光照強(qiáng)度、溫濕度、用電發(fā)電等信息，并將其封裝成消息進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)采集模塊作為MQTT通信的一端，扮演著數(shù)據(jù)發(fā)布者的角色。接著，MQTT客戶端是數(shù)據(jù)的發(fā)布者或訂閱者，在該研究中主要是數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集模塊作為MQTT客戶端的發(fā)布者，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT Broker；而服務(wù)器則作為MQTT客戶端的訂閱者，訂閱感興趣的數(shù)據(jù)主題。最后，MQTT Broker是消息傳輸?shù)闹虚g代理，負(fù)責(zé)接收來自發(fā)布者的消息并將其路由給對(duì)應(yīng)的訂閱者。MQTT Broker接收到數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)布的消息后，根據(jù)訂閱者的需求進(jìn)行消息分發(fā)，將數(shù)據(jù)傳輸給訂閱了相應(yīng)主題的MQTT客戶端（如服務(wù)器）。

總的來說，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用MQTT通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髟硎菙?shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)封裝成消息并發(fā)布到MQTT Broker，MQTT Broker 將消息路由給相應(yīng)的訂閱者（如服務(wù)器），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸和實(shí)時(shí)更新。這種基于發(fā)布/訂閱模式的通信方式具有較好的靈活性和可擴(kuò)展性，適用于光伏電站分布式監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和管理。

2 系統(tǒng)實(shí)施方法研究

2.1 硬件與軟件配置

為了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)施進(jìn)行深入探討，本文首先研究了所需要的硬件與軟件配置。本文采用的核心硬件信號(hào)包括光照強(qiáng)度傳感器BH1750、定位模塊NEO- 6M GPS、溫濕度傳感器DHT22、微控制器STM32、供電單元12V、通信模塊SIM80、Mosquitto MQTT Broker。

為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還需要合適的軟件平臺(tái)。本文基于低代碼技術(shù)對(duì)系統(tǒng)級(jí)的軟件部分進(jìn)行構(gòu)建，選用的軟件架構(gòu)為JEECG[9-10]。該架構(gòu)是一款低代碼開發(fā)平臺(tái)，無須編寫大量的代碼，并且提供了直觀易用的界面和豐富的功能組件，使用戶可以通過拖放和配置的方式構(gòu)建各種類型的應(yīng)用，包括移動(dòng)應(yīng)用、Web 應(yīng)用和桌面應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)實(shí)施方案

系統(tǒng)實(shí)施計(jì)劃主要包括硬件系統(tǒng)建設(shè)、軟件系統(tǒng)構(gòu)建以及系統(tǒng)集成三個(gè)步驟。

1） 硬件系統(tǒng)建設(shè)。將STM32微控制器與光照強(qiáng)度傳感器、定位模塊、溫濕度傳感器進(jìn)行連接，確保數(shù)據(jù)采集模塊能夠正常接收傳感器的數(shù)據(jù)。然后將該器件安裝在光伏電站節(jié)點(diǎn)的適當(dāng)位置，保證其能夠準(zhǔn)確地采集環(huán)境數(shù)據(jù)。并且，將SIM800蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接至微控制器，并進(jìn)行相應(yīng)的通信設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，將智能電表和微處理器相連接，通過TAS-LET-892C來實(shí)現(xiàn)有線通信。

2） 軟件系統(tǒng)構(gòu)建。在Linux上搭建研發(fā)環(huán)境，利用JEECG架構(gòu)，后端基于SpringBoot技術(shù)，前端采用VUE.JS框架、數(shù)據(jù)庫采用主從架構(gòu)的Mysql；總體基于低代碼技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用程序，主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3） 系統(tǒng)集成。將硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，確保數(shù)據(jù)采集模塊能夠正常與MQTT平臺(tái)進(jìn)行通信，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器后臺(tái)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面測試和調(diào)試，包括硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性測試以及軟件系統(tǒng)的功能完整性和性能測試。根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行必要的優(yōu)化和調(diào)整，在測試通過后，將系統(tǒng)部署至實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，并進(jìn)行光伏電站的環(huán)境監(jiān)測。

2.3 結(jié)果與分析

本文構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖3所示。

結(jié)果表明，在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的建設(shè)與集成過程中，成功實(shí)現(xiàn)了光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過對(duì)光照強(qiáng)度傳感器、溫濕度傳感器、定位模塊、光伏發(fā)電板、智能電表、DTU等硬件設(shè)備的合理配置和連接，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集光伏電站節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照等關(guān)鍵指標(biāo)。另外，也能夠采集光伏電站發(fā)電用電能源數(shù)據(jù)，如圖4所示。同時(shí)，利用低代碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，能夠直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化信息展示。通過監(jiān)控界面，用戶可以實(shí)時(shí)查看光伏電站各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息以及光伏電站的發(fā)電、用電、儲(chǔ)電等相關(guān)信息，這為用戶提供了直觀、方便的數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理手段，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)運(yùn)行中的異常情況，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，具有重要的使用和推廣價(jià)值。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和低代碼技術(shù)的分布式光伏能源監(jiān)測系統(tǒng)，通過對(duì)硬件選型和軟件平臺(tái)的合理選擇和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光伏電站環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。該系統(tǒng)結(jié)合了光照強(qiáng)度傳感器、定位模塊、溫濕度傳感器、智慧電表、數(shù)據(jù)傳輸單元等硬件設(shè)備，利用JEECG平臺(tái)構(gòu)建了用戶友好的監(jiān)控界面，為用戶提供了方便快捷的數(shù)據(jù)展示和管理方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，為清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用和“雙碳”目標(biāo)達(dá)成提供了新的思路和技術(shù)支持。未來，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能和功能，拓展其在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用范圍和推廣價(jià)值。