基于太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)研究

華 馳， 畢海峰， 王 輝， 楊 慧

(1. 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工程系， 江蘇 無(wú)錫 214101； 2. 無(wú)錫英臻科技有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214101； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 江蘇 徐州 216009 )

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后的新一輪信息技術(shù)革命[1]，是信息技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力,其作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)備制造、系統(tǒng)集成領(lǐng)域，還是在行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都需要大量的人才[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)作為新興專業(yè)，當(dāng)前綜合實(shí)訓(xùn)案例較少能按照物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目工程的方法以一個(gè)完整項(xiàng)目的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)組織[3]，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，過(guò)于偏重于理論的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，不利于模仿實(shí)現(xiàn)及項(xiàng)目式教學(xué)。本綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)依托于在企業(yè)參與完成的工程實(shí)踐項(xiàng)目及企業(yè)總經(jīng)理和項(xiàng)目經(jīng)理的充分參與，以企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程為主線，貫穿于整個(gè)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建過(guò)程中。

本研究通過(guò)構(gòu)建基于太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠從物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)出發(fā)[4]，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行模仿，深入學(xué)習(xí)和理解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，從而提升教學(xué)效果，增加學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，進(jìn)而提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與工作質(zhì)量[5]。

1 基于太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)是在每個(gè)光伏組件上安裝數(shù)據(jù)采集模塊，基于數(shù)據(jù)采集模塊中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成自組織網(wǎng)絡(luò)，各數(shù)據(jù)采集模塊的控制命令與采集的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐條地進(jìn)行傳輸，并經(jīng)過(guò)多條路由到匯聚節(jié)點(diǎn)——網(wǎng)關(guān)(中繼接受傳輸器)，最后通過(guò)有線以太網(wǎng)或WiFi、3G等無(wú)線通信方式送達(dá)監(jiān)控中心[6]。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)模型

監(jiān)控中心接收各中繼傳輸器傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，并通過(guò)顯示系統(tǒng)展示出太陽(yáng)能發(fā)電組件(矩)陣中每塊太陽(yáng)能電池板的工作狀態(tài)，從而起到對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的管理監(jiān)控、維修維護(hù)和安全防范的作用，保證系統(tǒng)的正常工作。用戶通過(guò)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)并分析、顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)如圖2所示，在服務(wù)器需調(diào)用太陽(yáng)能光伏電板數(shù)據(jù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)服務(wù)器向網(wǎng)關(guān)提出數(shù)據(jù)申請(qǐng)，而該請(qǐng)求又由網(wǎng)關(guān)傳遞到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將該請(qǐng)求傳遞到逆變器，逆變器進(jìn)行分析后，再向太陽(yáng)能光伏電板的串設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，串設(shè)備再發(fā)送請(qǐng)求給多個(gè)電板設(shè)備；當(dāng)該請(qǐng)求得到電板設(shè)備響應(yīng)后，則包含多個(gè)電板信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包由電板向太陽(yáng)能光伏電板的串設(shè)備傳遞，再進(jìn)一步傳遞到逆變器、數(shù)據(jù)采集器，最終被發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)根據(jù)IP地址發(fā)送、傳遞給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，系統(tǒng)管理門戶應(yīng)用服務(wù)器則實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，從而使系統(tǒng)管理門戶應(yīng)用服務(wù)器可以實(shí)時(shí)獲取太陽(yáng)能光伏電板的信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新電板的實(shí)時(shí)信息表，而電板的歷史數(shù)據(jù)信息表也在不斷地更新，數(shù)據(jù)也在不斷地增加。

圖2 太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

溫度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)信息則是直接經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器傳遞到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送，傳遞到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，系統(tǒng)管理門戶應(yīng)用服務(wù)器實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并更新其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息表，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移和更新其歷史數(shù)據(jù)信息。

1.2 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是由感知層、傳輸層、應(yīng)用層3個(gè)層次組成，基于太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要也就是根據(jù)此3個(gè)層次來(lái)完成3個(gè)學(xué)習(xí)情境的設(shè)計(jì)。

學(xué)習(xí)情境一為系統(tǒng)感知層，也就是底層硬件上傳的數(shù)據(jù)，包括每塊電板的5路電壓值、電板的及時(shí)電流值、電板的及時(shí)溫度值、中繼器與電板之間的連接狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

學(xué)習(xí)情境二為系統(tǒng)傳輸層，也就是上位機(jī)根據(jù)底層硬件上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)，包括根據(jù)發(fā)電量、電池板光效值計(jì)算電壓、溫度是否處在設(shè)定的報(bào)警條件區(qū)間內(nèi)以及根據(jù)光照度、發(fā)電量等數(shù)據(jù)計(jì)算是否有局部的陰影遮蓋。

學(xué)習(xí)情境三為系統(tǒng)應(yīng)用層，也就是系統(tǒng)管理門戶軟件，主要以直觀、易操作的特點(diǎn)讓用戶能夠快速地完成各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)及分析。

通過(guò)在綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)以上3個(gè)學(xué)習(xí)情境的模仿，從而達(dá)到深入學(xué)習(xí)和理解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)的目的，培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)合格人才。

2 專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)的感知層結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。光照輻射傳感器、風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、組件溫度傳感器等通過(guò)0～5 V轉(zhuǎn)ModBUS 設(shè)備和8位單片機(jī)R5F212B8相連，溫濕度傳感器直接與8位單片機(jī)R5F212B8相連；8位單片機(jī)R5F212B8中包含了內(nèi)存，SD卡及各類外圍電路；感知層對(duì)外通信接口類型包括RS232、RS485、網(wǎng)絡(luò)接口、LAN、WiFi、GPRS等。

圖3 系統(tǒng)感知層結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要由風(fēng)速傳感器、光照輻射傳感器、風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器等完成。其中各類傳感器電路都由電源電路、控制電路、模擬量計(jì)算電路、通信電路及風(fēng)速采樣電路組成，各類傳感器電路的電源電路、控制電路、模擬量計(jì)算電路、通信電路的設(shè)計(jì)基本是一致的，不同的就是根據(jù)各類傳感器的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)其類型的數(shù)據(jù)采集電路，以下以風(fēng)速傳感器電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

數(shù)據(jù)采集中最重要的環(huán)節(jié)分別為數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送，其中數(shù)據(jù)采集由風(fēng)速采樣電路完成，如圖4所示的風(fēng)速采樣電路中，4針插座的1腳接地，4腳接Vcc，2腳和3腳為風(fēng)速傳感模塊的數(shù)據(jù)腳，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電容和電阻的處理濾波后進(jìn)入模擬量計(jì)算電路中。數(shù)據(jù)傳送由通信電路完成，如圖5所示的通信電路中，通信電路由無(wú)線收發(fā)芯片SI4432、晶振XA3、切換開(kāi)關(guān)U6、天線P4及外圍的一些電容和電阻等組成。

圖4 風(fēng)速采樣電路

圖5 通信電路

3 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳輸層設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)傳輸層中數(shù)據(jù)獲取及上傳處理如圖6所示，在圖中，基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)中各類傳感器不工作時(shí)處于休眠低功耗運(yùn)行狀態(tài)。在需要調(diào)用太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息時(shí)，各終端訪問(wèn)云計(jì)算中心，云計(jì)算中心向網(wǎng)關(guān)提出數(shù)據(jù)申請(qǐng)，而該請(qǐng)求又由網(wǎng)關(guān)傳遞到逆變器，逆變器進(jìn)行分析后，喚醒各個(gè)低功耗運(yùn)行的傳感器，各類傳感器開(kāi)始工作后基于RS485接口，通過(guò)Modbus協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送并存儲(chǔ)至網(wǎng)關(guān)SD卡或Flash ROM中，網(wǎng)關(guān)通過(guò)LAN、WiFi、GPRS等方式連入Internet并基于TCP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸并保存至云計(jì)算中心服務(wù)器中。

4 專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

4.1 應(yīng)用層流程設(shè)計(jì)

應(yīng)用層位于系統(tǒng)管理門戶系統(tǒng)，該系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)如圖7所示，系統(tǒng)管理門戶軟件中，管理員登錄系統(tǒng)后可以完成系統(tǒng)管理和系統(tǒng)設(shè)置，系統(tǒng)設(shè)置包括了太陽(yáng)能電板管理、逆變器管理、網(wǎng)關(guān)管理及傳感器管理等。系統(tǒng)管理門戶普通用戶需要注冊(cè)后方可登錄系統(tǒng)，用戶成功登錄之后可以瀏覽包括每日電量、每日功率、天氣信息、電站圖片、環(huán)境報(bào)告等信息在內(nèi)的系統(tǒng)整體狀況，還可以瀏覽各太陽(yáng)能電板實(shí)施狀態(tài)，進(jìn)行圖表查詢、報(bào)警信息查看及報(bào)表生成等操作。

圖6 數(shù)據(jù)獲取及上傳處理流程程圖

4.2 應(yīng)用層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)中，分層式結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)也是最重要的一種結(jié)構(gòu)[7]。本系統(tǒng)也使用分層式結(jié)構(gòu)，從下至上分別為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層。系統(tǒng)主要功能和業(yè)務(wù)邏輯都在業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理，而用戶的交互式操作界面與數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)功能則主要由表示層與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層實(shí)現(xiàn)，具體如圖8所示，其中數(shù)據(jù)庫(kù)部署在云計(jì)算中心。

圖7 系統(tǒng)管理門戶系統(tǒng)流程圖

圖8 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

4.3 應(yīng)用層功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)管理門戶系統(tǒng)用戶的角色分為2類，一類是普通用戶，一類是管理員。根據(jù)這2類用戶角色的功能區(qū)別[8]，將管理門戶軟件系統(tǒng)功能分為前臺(tái)功能和后臺(tái)功能[9]。

系統(tǒng)管理門戶軟件前臺(tái)功能的主要使用角色為普通用戶，系統(tǒng)前臺(tái)功能如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)管理門戶軟件前臺(tái)功能示意圖

普通用戶主要功能有整體狀況查看、實(shí)時(shí)狀態(tài)查看、歷史圖表查看、報(bào)警信息查詢等。系統(tǒng)管理門戶軟件后臺(tái)功能如圖10所示，主要使用角色為管理員，管理員主要功能有系統(tǒng)設(shè)置和用戶管理。

圖10 系統(tǒng)管理門戶軟件后臺(tái)功能示意圖

系統(tǒng)客戶端軟件的設(shè)計(jì)遵循界面友好，操作簡(jiǎn)便的原則來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析處理[10]，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來(lái)各類監(jiān)測(cè)結(jié)果。用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，進(jìn)入該太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)訪問(wèn)時(shí)序如圖11所示。本系統(tǒng)軟件基于eclipse平臺(tái)使用java語(yǔ)言完成開(kāi)發(fā)，圖形顯示界面基于JavaScript技術(shù)，另外還在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用了WebService、Ajax等其他技術(shù)。系統(tǒng)完成后電板發(fā)電電壓日查詢功能界面如圖12所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)構(gòu)建基于太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠從物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行模仿。開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行模仿。基于太陽(yáng)能光伏組件監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的完成，學(xué)生能夠加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程的理解，掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)感知層中各種傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳輸層中數(shù)據(jù)的傳輸及存儲(chǔ)以及上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[11-12]。該綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了一種解決的方案。

圖11 系統(tǒng)訪問(wèn)時(shí)序圖

圖12 日電壓查看示意圖

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