基于阿里云平台的光伏发电智能监控系统

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2024年1月7日发(作者：)

控制系统与智能制造DOI

:10.19557/j

.cnki.1001-9944.2019.01.004基于阿里云平台的光伏发电智能监控糸统薛家祥，叶興，吴

坚(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)摘要：为了便于用户获取实时监控发电状况和维修人员快速排除故障，提出了基于云平台

的分布式光伏发电智能监控系统。该系统用于监测光伏发电的功率、电压、电流等电参数，

展现了直观的数据。系统采用STM32作为主控芯片的网关模块、阿里云ECS服务器为云平

台.MySQL

5.7为云端数据库，开发了适合Android客户端的监控App。该系统可以实现对光

伏发电的实时远程监控的要求。关键词：光伏监控；电参数；STM32；Android客户端；ZigBee；云服务中图分类号：TP393.4；TP277

文献标志码：A

文章编号:1001-9944(2019)01-0015-05Intelligent

Monitoring

System

for

Photovoltaic

Power

Generation

Based

on

Aliyun

PlatformXUE

Jia-xiang,YE

Xing,WU

Jian(College

of

Mechanical

and

Automobile

Engineering,South

China

University

o£

Technology,Guangzhou

510640,China)

Abstract:

In

order

to

facilitate

users

to

obtain

real-time

monitoring

of

power

generation

status

and

quickly

trou­bleshooting

by

maintenance

personnel,

a

distributed

intelligent

photovoltaic

power

generation

monitoring

system

based

on

cloud

platform

is

proposed.

The

system

is

used

to

monitor

the

power,

voltage,

current

and

other

electrical

parame­ters

of

photovoltaic

power

generation,

showing

intuitive

data.

The

system

uses

STM32

as

the

gateway

module

of

the

main

control

chip,Aliyun

ECS

server

as

the

cloud

platform,and

MySQL

5.7

as

the

cloud

database

to

develop

a

monitoring

App

which

is

suitable

for

Android

clients.

The

system

has

realized

the

requirement

for

real-time

remote

monitoring

of

photovoltaic

power

words:

photovoltaic

(PV)

monitoring

；

electrical

parameter

；

STM32

；

Android

application

；ZigBee

；

cloud

service随着化石能源的消耗和环保观念的深入人心，

寻找可再生、绿色的能源代替化石能源已经成为必

到各行业。为了方便用户获取实时监控发电状况以

及维修人员快速排除故障，因此开发基于阿里云平

台的光伏发电监控系统对于当前的光伏发电监控

然的趋势。光伏发电是一种绿色、安全、取之不尽的

新能源，然而，光伏发电功率极易受到温度、湿度、

具有极大的应用价值。在此所提出的云平台智能监控系统采用阿里

太阳能辐射等因素的影响而出现波动叭近年来随

着云计算技术快速的发展，云计算已经广泛地运用

收稿日期：2018-10-16；修订日期：2018-12-07云ECS服务器，以STM32为主控芯片的通信模块

基金项目：2015年东莞市引进第三批创新科研团队项目(2)；2015年东莞市东城区产学研合作项目(东城府

办复［2016J447号)；广东省自然基金项目(2015A030313675)；广州市南沙区科技计划项目(2016CX010)；T东

省交通厅科技项目(科技-2017-02-041)作者简介：薛家祥(1962-),男.博士，教授，博士生导师，研究方向为光伏新能源、数字化焊接电源：自动化与仪表2019,34(1)15

控制系统与智能制造作为云平台监控系统的通信网关，使用Java语言搭

建了后台服务器并且开发了

Android系统移动端监

控

App。1系统总体方案设计1.1系统的总体结构基于云平台的光伏发电智能监控系统包括：太

阳能板、光伏发电逆变器以及电池组、太阳能辐射

采集模块、通信网关、智能移动设备端、阿里云服务

器。系统结构如图1所示，该系统可对光发电参数、

太阳能辐射强度、天气状态进行实时监控。用户可

以直观地获取每日以及历史发电量，检修人员可以

远程在线监测电参数。监比伏发电功率智能手机

控预测与呢量监控APP软管理策略件平台I__二现场监控APP

I比伏发电监控软件及数据库等路由器监控

太阳辐射

'WiFi硬件

模块丽硬件平台II

光伏储能

I逆变器锂电池组图1

光伏监控总体框架Fig.1

Overall

frame

of

PV

monitoring1.2通信网关部分所设计的通信网关模块具有WiFi以及ZigBee

两种无线通信方式。通信网关模块以STM32F103为

主控芯片,ZigBee通信模块选用广州致远公司的

ZM5168模块，WiFi无线通信选用深圳安信可公司

基于乐鑫ESP8266模块开发的ESP-12F。两者均通

过与主控芯片串口端相连接。通信网关模块通过

RS-232总线与光伏逆变器通信，逆变器主控芯片采

集光伏电站各组成部分的状态数据，传输到网关模

块进行解析和重新打包，然后通过WiFi模块(STA+

AP模式)上传到云端服务器中。网关模块通过Zig­Bee

模块与辐射传感器模组通信，

采集太阳辐射强

度数据，再通过WiFi上传到云端服务器中。云端服

务器读取通信网关数据包，解析数据包并将数据存

入云数据库。网关通信如图2所示。16Fig.2

Gateway

communication

schematic

diagram

1.3数据库采用MySQL

5.7数据库。MYSQL占用体积小,

操作简单，提供多种编程接口，通过自身的权限访

问控制机制限制用户访问，保证所存储数据的安

全；以表格的形式存储数据，访问速度较快，灵活度

较高，有效地防止数据冗余。因此，选用MYSQL作

为本监控系统的数据库并将其部署到阿里云ECS

服务器，并将其部署到阿里云ECS服务器，作为监

控系统的后端数据库，云数据库作为监控系统的数

据中心，至关重要，不仅起到了存储数据的作用，还

可提供逻辑计算。光伏监控系统数据库创建pvindata,

grid,

bat­tery, history

表格。pvdata表格存储光伏组件工作数

据，记录光伏组件的实时发电的电压、电流等数据。

grid表存储实时电网数据，记录电网的电压、电流等

参数。battery表格记录电池组的电压、电流、功率以

及电池电量ohistory表格记录光伏发电的历史数据,

包括年发电量、月发电量。1.4云服务器与智能移动端云服务器采用阿里云ECS服务器。阿里云ECS

是基于阿里云飞天操作系统的云服务器，可根据用

户需求提供弹性可伸缩的计算服务。在阿里云后台

部署Windows系统，并且安装Java环境以及TOM­CAT

8.5软件，开放服务器访问端口。移动端采用Android系统智能手机或者平板作

为监控客户端。2监控系统的硬件设计光伏监控系统中，通信网关是信息交换的关

键，承担着逆变器与云服务、太阳能辐射模组传感

器与云服务器之间的通信。目前在物联网应用上多

采用esP8266

WiFi模块进行联网通信。WiFi通信

模块具有

AP(access

point)I作模式

aSTA(station)

Automation

&

Instrumentation

2019,34(1)

控制系统与智能制造工作模式、AP+STA模式3】。WiFi模块通过连接广

统通信。域网，即可与部署于云端平台的远程服务器进行数

2.1通信网关主控电路设计据通信，实现设备数据上云以及云端智能控制。通信网关主要包括：网关与逆变器的串口通

由于ZigBee模块的价格相对较便宜，而且功耗

信、网关与太阳能辐射采集模块的ZigBee通信、网

低，自组网的能力强大，使得ZigBee通信技术在小

关与云服务器通信。综上所述选取以ARM核心的

型局域网通信中具有明显优势&51。故选用了

ZigBee

STM32F103作为网关的主控芯片。网关主控电路如

通信技术作为无线网关与太阳能辐射强度采集系

图3所示。UlAPAO-WKUPPBO

A--------XU|BOSC32JNU2TXPAIPB1L2RXPA2PB2

G‘2()

B()()tK

_1_‘39

JTD()

VBATGNDPA3PB3

AVec

3.320

pFPA4PB440

JNTRSTT.2423~32.768

kHzPA5PB536VDD

1VSS

1VDD 2VSS_235PA6PB6.42'SCL48VSS_3472°pF()SC32_OUTPB7SDAVDD_3Vdoa9VDDAVSSA8L1TXPB8PA9PB9

一46：STM32F103C8T6斗卜OSC

INPA10pbio

U3TXPAHPB11

it™20

pFPA12PB12

ITCK

37^^13

PB13

----------PA

14PB14

PA15PB15GND-i20

pF

OSC-OUTPC13-TAMPER-RTCPDO-OSCJNPD1

5

()SC_INPC14-OSC32JN&6()UC()ITOSC32OUTPC15-OSC32_OUTBOOTO44

B（）（）T0NRST

*RSTVcc

3.3

VSTM32F103C8T6Vcc

3.3

V4-%

BOOTO|g

|cio

*"Tc仏R,3.3

I_EZZFI

10

kQ100

kdj||-GNDGNDGNDCON2图3网关模块主控电路Fig.3

Main

control

circuit

of

gateway

module网关模块通过STM32串口

USART2与逆变器

能,设计电路如图4b所示。其中,CH_PI）管脚外接

RS232总线相连接，接入光伏逆变器实现通信。10

kQ的上拉电阻，使能ESP-12F模块；TXD,RXD

网关与太阳能辐射模组传感器通过ZigBee通

管脚分别与MCU串口

USART3的U3RX,U3TX相

信。ZigBee通信选用ZM5168模块.ZM5158模块内

连接;RST管脚外接按键复位电路。集成了射频电路以及复杂的通信协议，而且具有

UART,SPI等通信接口，具有开发难度低、可靠性

高、功耗低、性能高等特点。根据ZM5168模块的电

气特性及管脚功能，设计其外围电路，如图4a所示。

其中，TXD,RXD管脚分别与MCU的USART1的

U1TX,U1RX相连接，通过与太阳能辐射采集模块

的ZigBee通信。WiFi模块ES-12F内集成了完整的TCP/IP网

络协议，支持

b/g/n协议和实时操作系

统（RTOS）,可通过二次开发后接入云端服务，并支

持云端进行OTA固件升级。据ESP-12F模块管脚功

(a)ZM5168

模块自动化与仪表2019,34（1）17

控制系统与智能制造ESP8266

01NRST

1__201EN

345__67定的JTAG电路，ISP烧写可利用STM32芯片US-

DTXDRXG5G4GOG25G1DGN%c5V~RAESTHCDCPGMG16GG12V口CC

ART1(使用跳线帽与ZigBee模块隔离)进行烧写。

一键下载电路即在硬件层次的对ISP烧写进行改

进，无需手动设置启动方式,便于实现程序下载。一键下载电路如图5所示。图中，USB转TTL

电平采用CH340G芯片。该芯片不仅实现电平转换

还可由下载软件控制DTR#,RTS#引脚输出的高

图4模块外围电路低电平。当DTR#输出高电平,RTS#输出低电平，

则Q「Q?被导通.BOOTO被拉低，RST复位引脚也

Fig.4

Module

peripheral

circuit由于传统的ARM程序烧写方式需要配备仿真

器，且需要人工手动设置启动方式即ISP烧写，

ARM烧写程序需要配备相对昂贵的仿真器以及特

Vcc 3.3

V被拉低，实现S复位。紧接着DTR#输岀高电平，

RTS#输出低电平，芯片进入ISP模式，从而实现一

键下载。Ri10

kQRST3.3

VMb

',PI

IN4148GND-IQ.S8O5ORg

1

kQROOTO—I

P1

k!lRioLLvccrr

jT

R232IT

RTS#_IT

DTR#—n~

DCD#RI#~nrDSR#7CTS#CH340GGNDTXDRXDV3D+D-XIXOT*，GNDU1TX3 11RX4 _________5CH340D+6CH340D—78Vcc5

VUSBTflI-GNDCH340IK2ICH340D+

3

22

pFCH340G1ri丄NC

GNDUSBAGND图5

USB-键下载电路Fig.5

USB

one-click

download

circuit3监控系统的软件设计光伏监控系统的软件开发主要由通信网关软件

设计、云服务器后台软件设计、监控移动端软件设计

三大部分组成。3.1通信网软件设计通信网关部分软件，主要是将光伏逆变器的数

据和太阳能辐射的数据进行打包，上传到云服务器。

软件流程如图6所示。首先初始化主控芯片，判断云服务器是否下达

指令，定时向云服务器发送数据查询指令，通信正

常则将数据打包为

JSON(JavaScript

object

notation)

数据包上传至云服务器，如果通讯超时则报错问。所设计的网络通信数据格式为JSON数据格

式，需要在STM32

T程文件中导入cJSON库。cj-

SON数据占用的STM32的堆内存，需要开辟充足的Fig.6

图6

网关通信流程Gateway

communication

flow

chartAutomation

&

Instrumentation

2019,34(1)18

内存空间进行cJSON数据打包，以及时释放内存，

避免内存溢出。3.2云服务器后台软件设计阿里云云端部署Linux操作系统，开放公网访

问安全组，部署MySQL

5.7即可对云服务器进行公

网访问。所用云服务器后台程序采用Java语言编写。基

于

SSM (Spring+SpringMVC+MyBatis)框架搭建云端

后台服务器，SSM框架是由Spring,MyBatis两个开

源框架整合而成的，常用于数据源较为简单的Web

项目框架。云端后台代码采用Eclipse进行编译，将

编译成功的工程打包，发布到云端Tomcat

8.5服务

器下，即完成云端部署。网关通信模块通过HTTP

(

HyperText

transfer

protocol)通信请求，将数据推送到云服务器。云服务

器解析数据包，并将数据写入云端数据库。云服务

器根据智能移动端的HTTP请求，服务器后台从数

据库读取相应的数据，并将数据打包发送到智能移

动端叫3.3移动端软件设计移动端光伏监控应用的界面主要包括登陆界

面、监控主界面、交易界面、光伏发电历史数据界面

以及App设置界面。光伏发电监控界面不仅显示逆

变器电参数，还显示电池容量、天气情况，让用户以

最直观的方式获得光伏发电实时情况。历史发电界

面统计了月发电量以及年发电量。所设计的App已

经成功地应用于实验室光伏发电监控系统。4监控系统的软件测试4.1通信网关测试通信网关进行通信测试时，需要重新将WiFi

模块烧写固件并且调成STA模式，并接入路由器。

通过内置的软件自动与光伏云端服务器建立TCP/

IP连接后，随即开始每隔1

s对光伏电站采集1次

数据的循环过程，并对所采集数据包进行分段，然

后传输到光伏云端服务器。登陆服务器的数据库后

台查看光伏发电数据。4.2移动端测试用户账户登录页面如图8所示。要求用户正确输

入账户和密码，云端服务器验证账户和密码正确后，

方可登录成功进入监控页面。用户登录后，进入“监

控”主界面，界面中只显示部分最直接反应光伏电站自动化与仪表2019,34(1)控制系统与智能制造0

SDodd -1*)

grid

VpvdMa

(120

235.H06)>«»v

(u... F

*3

7...MKD

MO)

«000图7通信网关测试结果Fig.7

Test

results

of

communication

gateway工作状态的数据，如光伏发电功率、发电量等。远程监

控App可通过4G网络从云端服务器获取光伏电站

发电数据，同时也验证了云端服务器可实现预定功能。(a)登陆界面 (b)监控界面

(c)历史界面(d)监控详情界面图8

App测试结果Fig.8

App

test

results5结语采用基于阿里云服务器部署了

MySQL5.7数据

库、Tomcat

8.5,Java语言，编写了云端后台服务器

代码以及安卓监控App,开发了以STM32为主控芯

片下的多种协议下的通信网关，构成了完整的光伏

发电监控系统。经过测试表明，以STM32为主控系

统的通信网关与逆变器、太阳能模组传感器、云端

服务器通信正常稳定，通信模块工作状态良好。监

控App能够保持正常的运行状态同时与云端服务

器能够实时交互，界面显示良好。试验结果表明，基

于阿里云平台的智能监控系统，能够满足光伏发电

的实时监控要求。参考文献：[1]

袁晓玲，施俊华，徐杰彦.计及天气类型指数的光伏发电短期出

力预测[J].中国电机T.程学报，2013,33(34):57-64.[2]

薛家祥，龚普，吴坚.基于无线通信和Android手机的光伏监控

系统的实现[J].自动化与仪表,2016,31(10):28-31.(下转第23页)

19

控制系统与智能制造可即刻启动抱闸装置，使电动机停止。5控制系统工作流程总结对于目前的立体车库机械系统而言，通常采用

梳状载车板，可清晰而便捷地在整个搬运过程中进

行载车板的灵活替换与衔接，而在此采用巷道堆垛

式立体车库纵向车位排布，因而搬运过程中存在车

轮受力方向与载车板梳状平行，导致车辆位于载车

板之上容易滑动的问题。因此，根据载车板受力确

定搬运速度和改善速度变化的平滑特性十分必要。

文中以存车时纵移电动机的工作流程为例，介绍整

个控制系统的工作过程。以存车过程为例的电动机

控制系统总体工作流程如图5所示。纵移电机在工作过程中历经多次的转矩调节

和转矩与转速控制的切换，保障了整个搬运过程的

平稳过度,进一步提升了车辆在库中的安全。6结语对于立体车库的电动机控制系统，运用PLC和

图5以存车过程为例的电动机控制系统总体工作流程矢量变频器的联合工作可提高立体车库的工作效

率与安全稳定性，进一步降低建设与维护成本，是

立体车库进一步发展过程中的优良选择。随着自动

化技术的不断发展与新进设备持续更新，对于立体

Fig.5

Working

flow

chart

of

motor

control

system

for

storage

process2017,30(3):244-24&[2|刘佳强.基于PLC控制的智能化巷道堆垛式立体车库控制系统

的研究与设计[D|.青岛：青岛理工大学,2016.[3]

董冬，郭佑民，辜琳丽.基于PLC与变频髓结合的立体车库电机

车库电动机控制模式的方案必将更加的便捷与精

确，以极大提升生活服务质量。参考文献：[1|姜玉萍，李宝顺.赵高鹏.等.ACS800直接转矩控制在汽车检测

控制系统的研究[J].机电技术,2011,35(10):92-94.[4]

郭平.韦乐.陈平.基于S7-300智能立体车库控制系统的设计[J].

自动化与仪器仪表,2015,35(5):27-28.[5]

杨耕，罗应立.电机与运动控制系统[M].北京：清华大学出版社.2014:307-310.

控制系统中的应用台大学学报：自然科学与工程版，■(上接第19页)[3]

Huang

pment

of

ultrasonic ranging

system

based

on

irrigation

system

using

wire

less

sensor

network

and

embedded

Linux

board[C]//2015

International

Conference

of

Circuit,

Power

STM32[C]//Proceedings

of

2017

4th

International

Conference

on

Advanced

Education

Technology

and

Management

Science.

2017:

Computer

Technolog.2015.[6]张沪寅，屈乾松，胡瑞芸.基于JSON的数据交换模型[J].计算机

工程与设计,2015,36(12):3380-3384.[4]

骆秀江，黄细霞，刘艺，等•基于ZigBee的动力锂电池组无线远

程监控系统[J].电源技术,2018,42(3):349-352.卩]肖达，杨绿茵，孙斌.等.面向真实云存储环境的数据持有性证明

系统[J].软件学报,2016,27(9):2400-2413.[5]

Tarange

P

H, Mevekari

R

G

,Shinde

P

based

automatic

欢迎浏览t)幼祀仪素网自动化与仪表2019,34⑴

本文标签： 监控发电系统服务器数据