一種基于云平臺的微電網光伏模塊數據采集裝置的設計

余翼，孫川，王凡，劉金華

（電子科技大學中山學院，廣東 中山 528402）

0 引言

小型微電網的位置分布零散，一般沒有現場實時值守的運行和維護人員，而光伏發電平臺容易出現光伏板遮擋、光伏組件隱裂、接線故障等問題，一旦出現故障，從工作人員發現故障、到達現場進行監測，維修，直到最后解決故障問題的時間周期會很長，會影響原本微電網的供電設備的穩定運行狀態[1]。通過在現場加裝數據測量裝置和通信裝置，將現場設備運行的參數進行測量通過云平臺將數據發送到總控室進行監測和分析，使得當現場發生故障后，維修人員能立即知曉從而迅速響應，此外主控室的主控機對微電網的運行參數進行分析處理，可以對系統的運行狀態進行一個預評估，評估可能發生的故障類型以及發生故障的可能性，現場可以重點關注，維修人員能夠預知故障類型，可以減少現場監測環節，減少維修時間[2]。

1 系統方案設計

整個系統分為控制器、光伏組件測量模塊、WiFi模塊、物聯網云平臺、總控室PC和手機app如圖1。除了一些偏遠地區建立的離網微電網，比如通信基站等，不方便搭建WiFi傳輸環境之外，對于一些家用的微電網、大型工廠、工業園區和科技園等區域一般都有WiFi覆蓋，因此選擇WiFi來作為無線通信方式可以極大降低項目成本。控制器的功能是收集測量模塊的數據，發送給WiFi模塊，以及對現場一些信號燈以及開關進行控制。WiFi模塊的功能是將控制器傳送的數據發送到物聯網云平臺，以及將云平臺發送過來的數據傳遞給控制器[3-4]。物聯網云平臺的功能是將WiFi模塊上傳的數據發送給手機app和主控室的主控機。用戶通過手機app可以對實時數據進行查看和對現場一些信號燈和開關進行控制。用戶還可以通過總控室的PC對測量的數據進行收集，在總控室的PC上進行數據分析和故障診斷，從而減少設備因故障停運的時間。

2 物聯網云平臺的選擇

在本方案里的物聯網云平臺選擇了機智云開發平臺，這個平臺有面向個人用戶和企業用戶的機智云平臺，通過自助的工具、軟件開發工具包和應用編程接口服務等，將物聯網硬件開發人員的技術壁壘盡可能地減少，開發人員的研發時間降低，提高了開發商的生產速度，還幫助開發者進行智能升級，更好連接、服務終端消費者[5-6]。要使用本云平臺，用戶只需要編寫建立連接和傳輸協議，將GAgent植入到WiFi模塊中，并將WiFi模塊與路由器連接到互聯網中，控制器就可以通過WiFi模塊把數據傳輸到云平臺的服務器。用戶通過在手機端平臺提供的APP應用里進行綁定，就可以通過手機查看相關數據或者收發對應的控制信號。

GAgent是一個可以在許多不同類型的通信模塊上運行的應用程序，也叫作固件。它不僅提供了手機應用、其他控制終端和云平臺與產品設備之間的三向的數

基金項目：…本文系廣東省教育廳青年創新人才項目…“基于分布式檢測系統的離網微電網系統故障深度檢測分析系統研究”（項目編號：419N24）；廣東省教育廳青年創新人才項目“水冷板分集水流道優化研究”（項目編號：419N04）。

作者簡介：余翼，男，湖北武漢，碩士，講師。研究方向：微電網、開關電源。據通信，而且還提供對設備配置、網絡接入、發現綁定等多元化功能。主要用于數據的接收和轉發，是硬件數據、機智云物聯網平臺、移動應用端的數據交互橋梁。可以在各種通信模塊上寫入GAgent固件，實現WIFI模塊、 GPRS模塊、藍牙模塊、電腦端等聯網配網功能。

3 硬件設計

系統的電路分為MCU主控電路、測量電路、WiFi通信電路、供電電路和控制繼電器電路四個部分。其中MCU主控電路由STM32F103C8T6作為控制芯片，還包括芯片運行所需要的最小系統如圖2，比如供電電路、晶振電路、復位電路。

測量電路是由HLW8012測量模塊和其他輔助元件組成如圖3。HLW8012是一款用于測量各類電路中的各類參數的芯片，可用于測量電路中電壓、電流值以及有功功率值等。同時通過內部計算，輸出高頻脈沖，通過高頻脈沖得出相應的參數值的大小[7-8]。廣泛應用于各類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 軟件設計

系統的軟件設計主要包括MCU主控程序、WiFi模塊程序。MCU主控程序主要包含外部設備的控制以及和WiFi模塊的通信程序。WiFi模塊的程序通過互聯網和云平臺進行連接和通信。設備接上電源得電之后，進行自動搜索且根據記憶優先搜索之前連接成功的路由器，如果連接成功后，將與云服務器進行TCP數據的通信，從而進行對硬件設備的控制及數據的傳輸通信。如果WiFi連接失敗，可能是WiFi路由器的內部信息遭到更改導致無法連接上。當網絡連接失敗時，此時系統將會進入另外一個工作模式，即AP模式，此時的系統會等待用戶來手動配置入網信息，并且將手機連接同一局域網下的WiFi網絡進行與系統的對接，此時的路由器會使用UDP的形式將設備的一些信息進行發送，收到設備信息的芯片系統將與路由器建立TCP連接，然后把路由器發送的信息記錄下來。系統工作于STA模式時是屬于一個正常的工作模式，在這樣的工作狀態下會通過路由器連接網絡后把智能設備的信息全部發送至云服務器去，當系統芯片收到相關信息時，會對消息進行相關的函數處理，對數據進行轉換，且對收到的信息進行分析后，執行相應命令對硬件端進行控制[9]。

5 應用app的開發

機智云平臺對軟件程序提供APP、IOS等開源框架源碼，可以使用開發者工具自動生成APP與IOS程序。除此之外，開發者還可以根據項目中的實際需求，選擇合適的方式對APP進行開發。機智云平臺為研發者提供了APP的開源框架代碼，并且能根據研發人員所創建的數據點自動生成相應的設備功能需求的控制APP，對產品的測試以及開發帶來了極大的便利，降低了開發的門檻，從而深受電子開發愛好者的喜歡。自動生成的APP代碼模塊化集成了智能硬件所需的功能，主要包括：（1）用戶注冊、登錄，或者第三方登錄等功能。（2）配置設備入網分為三種Airlink+SoftAP+Airkiss模式。（3）設備進行搜索，然后在APP中進行列表。（4）對硬件設備進行操作控制。

我們只需將源碼的壓縮包下載完之后進行解壓，然后需要在控制功能部分對機智云的控制設備部分進行同步對應，編寫控制流程，也可以根據自身需求對UI界面進行更改以APP控制界面的修改設計，整個過程基本無需做太大的改變，只需將源碼下載修改后進行打包安裝即可完成客戶端APP，從而實現對智能設備進行遠程操控，使生活更加貼近智能及方便[10]。

6 系統調試

系統調試分為以下幾個步驟，首先是使用測量模塊對已知的數據進行測量，通過MCU收集和顯示，對測量數據進行統計和對比分析測量模塊的準確性和穩定性。之后連接上WiFi模塊，通過在手機端和主控機端查看到的數據進行收集和對比。通過上述測試方法，本文設計的光伏模塊數據測量和采集裝置的穩定性和準確性都很高。

7 結語

本文設計的基于云平臺的微電網光伏模塊數據采集裝置具有適用范圍廣的優點，由于不需要布線，安裝方便，可以對大多數現存的光伏發電系統進行升級，通過控制總站的數據收集和分析，可以實現一總站監控多光伏發電系統的功能。維護人員還可以在總站之外通過網頁系統或者移動端管理系統實現隨時隨地對監控范圍內的光伏發電系統進行管理。