基于物聯網的分布式光伏能源監測系統設計

關鍵詞：物聯網；光伏能源；數據監測；系統設計

0 引言

能源危機的日益加劇與環境問題的不斷突顯，讓清潔能源的開發與利用已成為全球范圍內的熱門議題[1]。在清潔能源領域中，光伏能源作為一種可再生、環保的能源形式，受到了廣泛關注[2]。然而，光伏發電系統的效率和穩定性受到諸多因素的影響，如天氣、陰影、灰塵等。因此，為了有效監測和管理光伏發電系統，開展基于物聯網的分布式光伏能源監測系統的設計與研究顯得尤為重要。隨著物聯網技術[3-4]的不斷發展和普及，基于物聯網的光伏能源監測系統逐漸成為一個重要的方向。這種系統利用物聯網技術實現對光伏發電系統各個節點的實時監測和數據采集，能夠有效地提高光伏發電系統的管理效率和運行穩定性。然而，目前對于基于物聯網的分布式光伏能源監測系統的研究還比較匱乏，尤其是在系統架構設計、數據采集模塊設計、通信方法等方面的深入探討不多。因此，本文針對以上問題，開展基于物聯網的分布式光伏能源監測系統的設計與研究。首先，對分布式光伏能源檢測系統的設計進行深入探討，包括系統架構設計、數據采集模塊設計、通信方法研究等內容。隨后，對系統的構建過程進行詳細闡述，包括硬件選型、基于低代碼技術的軟件平臺構建等方面。最后，對所設計的系統進行實驗驗證，并對結果進行分析。通過本文研究，不僅可以為光伏發電系統的監測與管理提供技術支持，提高其效率和穩定性，還可以推動基于物聯網技術在清潔能源領域的應用和發展，具有重要的理論和實際意義。

1 分布式光伏能源監測系統設計

1.1 系統架構設計

本文研究的光伏電站分布式監測系統的架構如圖1所示，包括光伏電站節點、蜂窩網絡、服務器和監測終端。光伏電站節點在各光伏電站內采集數據，通過蜂窩網絡傳輸至服務器，服務器進行數據處理和存儲。監測終端為用戶提供實時監測和管理界面，可通過軟件應用程序查看光伏電站數據和進行遠程控制。這一架構實現了光伏電站的實時監測、數據管理和遠程控制，提高了系統的智能化管理水平。

1.2 數據采集模塊設計

該監測系統的數據采集模塊是系統的核心組件，其工作原理主要涉及光照強度傳感器、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、數據傳輸單元等部分的協同作用，如圖2所示。

首先，光照強度傳感器用于實時監測光照條件，可用于評估光伏電站的光照條件，從而影響發電效率的預測和優化。其次，定位模塊用于獲取光伏電站的地理位置信息，可以幫助監測系統實現對光伏電站的定位追蹤和地理信息管理，為系統的運行監控提供位置依據。接著，溫濕度傳感器用于實時監測環境溫度和濕度，對光伏電站的運行環境進行監測，有助于評估系統的環境適應性和穩定性。然后，STM32微控制器作為數據采集模塊的核心控制器，負責數據的采集、處理和傳輸。STM32微控制器通過與各傳感器模塊的接口進行數據交互，實現對光照強度、溫濕度等數據的實時采集和處理，并將處理后的數據傳輸至服務器。同時，供電單元為數據采集模塊提供穩定的電源供應，保證系統的正常運行。供電單元通常采用電池、太陽能電池板等方式為系統提供電能，以應對不同環境下的供電需求。最后，SIM800模塊用于數據的無線傳輸，通過蜂窩網絡將采集到的數據發送至服務器。SIM800 模塊通過與STM32 微控制器的串口通信，實現數據的可靠傳輸，保障監測系統的遠程數據管理和控制。

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

1.3 物聯網通信方法研究

針對傳感器模塊，本研究基于蜂窩網絡使用了MQTT通信協議[7-8]進行數據傳輸，包括數據采集模塊、MQTT客戶端、MQTT Broker。首先，數據采集模塊（如圖2所示）負責采集光伏電站節點的數據，如光照強度、溫濕度、用電發電等信息，并將其封裝成消息進行傳輸。數據采集模塊作為MQTT通信的一端，扮演著數據發布者的角色。接著，MQTT客戶端是數據的發布者或訂閱者，在該研究中主要是數據采集模塊和服務器。數據采集模塊作為MQTT客戶端的發布者，將采集到的數據發布到MQTT Broker；而服務器則作為MQTT客戶端的訂閱者，訂閱感興趣的數據主題。最后，MQTT Broker是消息傳輸的中間代理，負責接收來自發布者的消息并將其路由給對應的訂閱者。MQTT Broker接收到數據采集模塊發布的消息后，根據訂閱者的需求進行消息分發，將數據傳輸給訂閱了相應主題的MQTT客戶端（如服務器）。

總的來說，基于蜂窩網絡使用MQTT通信協議進行數據傳輸的工作原理是數據采集模塊將采集到的數據封裝成消息并發布到MQTT Broker，MQTT Broker 將消息路由給相應的訂閱者（如服務器），實現數據的可靠傳輸和實時更新。這種基于發布/訂閱模式的通信方式具有較好的靈活性和可擴展性，適用于光伏電站分布式監測系統的實時數據傳輸和管理。

2 系統實施方法研究

2.1 硬件與軟件配置

為了對系統的實施進行深入探討，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包括光照強度傳感器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。

為了對系統進行實時監測，還需要合適的軟件平臺。本文基于低代碼技術對系統級的軟件部分進行構建，選用的軟件架構為JEECG[9-10]。該架構是一款低代碼開發平臺，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建各種類型的應用，包括移動應用、Web 應用和桌面應用。

2.2 系統實施方案

系統實施計劃主要包括硬件系統建設、軟件系統構建以及系統集成三個步驟。

1） 硬件系統建設。將STM32微控制器與光照強度傳感器、定位模塊、溫濕度傳感器進行連接，確保數據采集模塊能夠正常接收傳感器的數據。然后將該器件安裝在光伏電站節點的適當位置，保證其能夠準確地采集環境數據。并且，將SIM800蜂窩網絡通信模塊連接至微控制器，并進行相應的通信設置，以實現數據的無線傳輸，將智能電表和微處理器相連接，通過TAS-LET-892C來實現有線通信。

2） 軟件系統構建。在Linux上搭建研發環境，利用JEECG架構，后端基于SpringBoot技術，前端采用VUE.JS框架、數據庫采用主從架構的Mysql；總體基于低代碼技術，設計和開發光伏能源監測系統的應用程序，主要包括實時數據監測功能的設計和實現。

3） 系統集成。將硬件系統和軟件系統進行對接，確保數據采集模塊能夠正常與MQTT平臺進行通信，并將采集到的數據傳輸至服務器后臺。對整個系統進行全面測試和調試，包括硬件系統的穩定性和準確性測試以及軟件系統的功能完整性和性能測試。根據測試結果進行必要的優化和調整，在測試通過后，將系統部署至實際應用環境中，并進行光伏電站的環境監測。

2.3 結果與分析

本文構建的監測系統界面如圖3所示。

結果表明，在硬件系統和軟件系統的建設與集成過程中，成功實現了光伏能源監測系統的設計目標。通過對光照強度傳感器、溫濕度傳感器、定位模塊、光伏發電板、智能電表、DTU等硬件設備的合理配置和連接，系統能夠準確地采集光伏電站節點的環境數據，包括溫度、濕度、光照等關鍵指標。另外，也能夠采集光伏電站發電用電能源數據，如圖4所示。同時，利用低代碼技術實現的監控界面的設計和實現，能夠直觀地進行數據可視化信息展示。通過監控界面，用戶可以實時查看光伏電站各個節點的數據，包括當前溫度、濕度、光照強度等環境信息以及光伏電站的發電、用電、儲電等相關信息，這為用戶提供了直觀、方便的數據監測和管理手段，有助于及時發現和處理系統運行中的異常情況，提高了光伏發電系統的效率和穩定性，具有重要的使用和推廣價值。

3 結束語

本文提出了一種基于物聯網和低代碼技術的分布式光伏能源監測系統，通過對硬件選型和軟件平臺的合理選擇和設計，實現了光伏電站環境數據的實時監測和管理。該系統結合了光照強度傳感器、定位模塊、溫濕度傳感器、智慧電表、數據傳輸單元等硬件設備，利用JEECG平臺構建了用戶友好的監控界面，為用戶提供了方便快捷的數據展示和管理方式。實驗結果表明，該系統能夠有效監測光伏發電系統的效率和穩定性，為清潔能源領域的應用和“雙碳”目標達成提供了新的思路和技術支持。未來，可以進一步優化系統的性能和功能，拓展其在實際應用中的應用范圍和推廣價值。