光伏發電故障檢測與遠程管理系統設計

摘要：隨著可再生能源的快速發展，光伏發電系統逐漸成為一種主流能源選擇。然而，光伏發電系統在運行過程中易受自然災害等因素影響，產生安全隱患，且用戶難以獲取實時數據進行故障診斷和處理。針對以上問題，本文設計并實現了一種基于STM32 微控制器的光伏發電故障檢測與遠程管理系統。該系統通過傳感器網絡采集電流、溫度等關鍵參數，利用LORA 無線技術匯聚數據至中心節點，再通過4G 模塊將數據上傳至阿里云物聯網平臺。用戶可通過網站和安卓軟件，基于MQTT 協議與平臺對接，實現對光伏發電系統的遠程數據監測、故障診斷和異常處理，提高了運維效率，降低了運營成本。

關鍵詞：光伏發電；遠程實時監控；無線通信技術；傳感器；STM32

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）06-0106-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0 引言

光伏發電系統作為當下清潔能源的重要組成部分之一，其可靠性和效率對能源行業的發展十分的重要。然而，光伏發電系統在長期運行中可能會面臨著多種潛在的故障風險[1]，如組件老化、天氣條件變化、設備故障等，這些問題可能導致系統性能下降甚至完全停止發電。針對光伏發電系統存在的安全隱患和數據封閉問題，光伏發電故障監測與遠程管理系統應運而生[2]。

故障監測與遠程管理系統通過實時采集和分析光伏組件的電流、溫度等關鍵數據，能夠及時發現異常狀況并預測可能的故障，增強了光伏發電系統的運維效率和管理便捷性。傳統的現場巡檢通常需要耗費大量的人力和時間，而遠程管理系統通過互聯網技術，使得工作人員能夠遠程實時監控和控制整個光伏發電的運行狀態。無論是在辦公室、家中甚至是在移動中，工作人員都能夠通過手機或電腦輕松地查看系統的實時數據，進行遠程故障診斷和操作調整。這種靈活性不僅提高了運維效率，還極大地降低了運營成本和維護困難度。

除故障監測和遠程管理外，這些系統還具有拓展性，起著優化光伏發電系統性能的重要角色。通過長期積累和分析大量的數據，工作人員可以識別出系統中的瓶頸和潛在的改進空間。例如，通過優化光伏組件的布局、改進清潔工作流程或調整電力輸出策略，系統可以顯著提高發電效率和經濟效益，進而提升整體能源利用率。

1 系統總體設計方案

為實現對光伏發電系統的實時監控和故障診斷，本文設計的系統需要滿足以下功能需求。

1）實時采集光伏組件的電流、溫度、光照強度等關鍵參數。

2）對采集到的數據進行分析，及時發現異常狀況并預警。

3）通過遠程平臺實時監控系統運行狀態，并進行遠程故障診斷和處理。

本系統采用ST 公司的STM32G431RBT6微控制器作為主控芯片。外圍電路有溫濕度光照三合一傳感器、電流互感器、蜂鳴器、MPU6050陀螺儀、LORA 無線模塊、4GDTU、OLED顯示屏，實現光伏發電故障檢測與遠程管理系統的搭建。

光伏發電故障檢測與遠程管理系統主要研究問題有以下兩點。

1）光伏發電故障檢測硬件系統設計與搭建。

2）遠程管理系統設計與搭建。

為實現以上功能，本文設計的系統包含硬件系統和軟件系統兩部分。硬件系統主要負責數據采集和無線傳輸，由子節點、中心節點和云平臺組成；軟件系統主要負責數據存儲、分析、展示和遠程控制，包括網站和安卓軟件。系統總體框架圖如圖1所示。

2 硬件系統設計

本部分將詳細介紹光伏發電故障檢測與遠程管理系統的硬件設計方案，主要包括主控芯片的選型以及檢測采集模塊的具體設計。

2.1 核心微控制器設計

中央處理器主要用于實現對所選用的處理器的信息獲取，信息參數的測量按鍵輸入信息的捕獲，報警系統的控制以及上位機通信的處理。系統采用ST 公司的STM32G431RBT6 微控制器作為主控芯片。STM32系列單片機[3]具有高性價比、體積小、可靠性高等優點，其豐富的外設資源和強大的計算能力[4]能夠滿足本系統對光伏發電系統關鍵參數監測和采集的需求。

2.2 溫濕度、光照傳感器設計

溫濕度、光照傳感器選用溫度、濕度、光照強度三合一工業級威盟士光照溫濕度變送器（485型）[5]，該產品采用高靈敏度的感光探頭，信號穩定，精度高。具有測量范圍寬、線性度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠等特點。最大功耗：0.4W；溫濕度量程-40至+60℃，0%RH至80%RH;光照強度量程0～65535Lux，0～20萬Lux。采用基于串口通信的MOD?BUS協議，可通過RS485總線與主控芯片進行通信，實現數據的實時采集。核心在于RS485為半雙工工作模式，不能同時進行收發，需要通過控制485芯片控制位的GPIO引腳高低電平來間隔發送問詢幀和間隔接收傳感器的數據。當控制位引腳為高電平時為發送，低電平為接收，所以，需要開啟一個定時器來計時觸發中斷，這里設置計時1s，當計時到1s則觸發中斷，在中斷服務函數里面，將標志位置位1，在主程序中，根據標志位進行控制控制位的高低電平進行收發數據，從而獲取實時數據。

2.3 MPU6050姿態陀螺儀設計

MPU6050角度傳感器體積很小，但其功能十分強大。MPU6050[6]通過IIC協議與單片機進行通信，傳遞偏移角度信息并加以計算即可獲取光伏電路板的實時X軸、Y軸及Z軸角度。根據光伏電板擺放的三維角度設置閾值，從而判斷光伏發電板是否倒下。

2.4電流互感器ZMCT103C模塊設計

在發電、變電、輸電、配電和用電的線路中電流大小懸殊，從幾安到幾萬安都有。為便于測量、保護和控制需要轉換為比較統一的電流，另外線路上的電壓一般都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到電流變換和電氣隔離作用。單片機通過內部開啟的ADC接口與電路互感器OUT接口接線，傳感器電源接口接節點板的5V和GND，即可采集到光伏板的電流參數。

2.5 OLED顯示屏模塊選型設計

OLED顯示技術具有自發光的特性、可視角度大，功耗低、對比度高、厚度薄等特點。主控芯片通過SPI 協議與顯示模塊通信，即可控制OLED顯示各個實時參數供工作人員查看。

2.6 LORA 模塊選型設計

LoRa[7]擴頻技術打破了傳輸功耗和傳輸距離之間的平衡，它給人們呈現了一個能實現遠距離、長電池壽命、大系統容量、低硬件成本的全新通信技術。相對藍牙等無線通信，LORA具有更遠的無線通信距離，本系統采集LORA進行硬件本地組網[8]，將各個子節點采集的參數匯聚中心節點。首先設置LORA模塊的工作模式為透傳模式，將工作模式的M0、M1對應的GPIO引腳設置為低電平即可，其次初始化單片機串口功能，子節點和中心節點的波特率要一致。

2.7 4G DTU模塊選型設計

該模塊主要將中心節點收集到的子節點各參數打包上傳至服務器[9]。通信模式主要為透傳模式，即無轉化的直接轉發，通過上位機將連接至阿里云平臺的三元組進行燒錄，從而將板子采集的數據直接轉發到云平臺。關鍵點在于編寫傳輸幀的格式為json 格式。

2.8 報警模塊設計

系統的報警電路設計，可以實現參數超過閾值的報警功能，蜂鳴器采用5V供電的蜂鳴器，通過GPIO口的高低電平即可控制它的聲響。

3 軟件系統設計

3.1軟硬件交互設計

系統的軟件部分與硬件部分通過阿里云物聯網平臺進行數據交互，數據流向如圖2所示。硬件部分將采集到的數據上傳至阿里云物聯網平臺，軟件部分通過調用平臺提供的API 接口獲取數據，并進行存儲、分析和展示

3.2網站設計

網站設計基于Spring Boot 框架和阿里云IoT 平臺。它通過Sample類與阿里云IoT平臺進行交互，獲取設備數據，并通過GetData類處理HTTP請求，將數據存儲到數據庫或從數據庫中檢索數據。Identifier?InsertImpl類負責實現數據插入和查詢的服務邏輯，通過調用Sample類獲取數據并存儲到數據庫。頁面使用show.html 和show.js 展示數據，并提供交互功能。整體架構清晰，功能模塊化，易于擴展和維護，主要功能模塊如表1所示。

3.3 安卓軟件設計

安卓軟件基于MQTT 協議[10]與阿里云平臺通信，獲取并處理傳感器數據，然后在UI上顯示。軟件分為UI層、數據處理層和后端數據處理層。UI層使用線性布局和文本視圖顯示數據，背景為光伏發電背景圖。數據處理層包括MQTT協議的初始化、連接和消息處理。后端數據處理通過MQTT 協議與阿里云平臺通信，獲取并處理傳感器數據。Handler處理來自MQTT客戶端的消息，并在UI界面上更新數據和顯示連接狀態。主要功能模塊如表2所示。

4 系統測試

為驗證系統的功能和性能，本文搭建了實驗環境，對系統進行了測試。測試環境如下：

硬件平臺：STM32G431RBT6節點板及中心節點板設備

軟件平臺：安卓軟件及網站

測試數據：4G_DTU-temperture、4G_DTU-Light?Current、4G_DTU-Humidity

本文主要測試了系統的以下功能：

數據采集功能：安卓軟件實時顯示硬件采集數據如圖4

故障檢測功能：實時監控光伏發電板是否倒下，如圖4移動端監測數據顯示中的姿態數據

遠程監控功能：網站頁面顯示采集的數據曲線圖，如圖3所示

4 結束語

本文設計并實現了一種基于STM32微控制器的光伏發電故障檢測與遠程管理系統，該系統能夠實時采集光伏發電系統的關鍵參數，并通過遠程平臺實現對系統的監控和管理。經測試，系統運行穩定，能夠有效地檢測和預警光伏發電系統的故障，提高了系統的可靠性和運維效率。未來研究，我們將在系統基礎上進行優化，彌補系統的不足。