CN104779904A - 一种基于物联网的太阳能光伏监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于物联网的太阳能光伏监测系统。该系统包括基站部分、若干节点部分；所述的每个节点部分包括数据采集单元、第一数据处理单元、无线发送模块、有线通信模块，其中数据采集单元包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、辐照度采集模块；基站部分包括无线接收模块、有线通信模块、第二数据处理单元、显示屏、GPRS模块。本发明提出了从分布式太阳能光伏系统设备采集数据到大数据的组织与管理，再到光伏领域云计算与应用的全流程信息化框架。

Description

一种基于物联网的太阳能光伏监测系统

技术领域

本发明属于太阳能光伏电网监测技术，具体涉及一种基于物联网的太阳能光伏监测系统。

背景技术

物联网，新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。它通过智能感知、识别技术与普通计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中。物联网架构可分为三层：感知层、网络层和应用层，通过传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域，可以满足不同用户的需求。

太阳能是一种储量极为丰富而且清洁无污染的可再生能源, 它是替代传统化石能源的重要选择。目前全球都在大力发展太阳能光伏系统，但是由于太阳能光伏系统存在波动性、间歇性、不匹配现象、以及系统输出的非线性等特点，因此需要开发一种太阳能光伏监测系统，对系统的参数进行实时监测与分析。现有的监测系统能够对太阳能光伏系统进行实时监测，但是该套系统只是获得相应的监测数据，并没有对系统进行性能分析、故障诊断、趋势分析等功能，加之缺少相应客户终端使个人无法及时获取系统信息，同时政府、系统集成商、供应商等部门无法及时、同步获取信息，造成数据资源浪费，无法得到合理应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，监测系统运行数据，同时能够将获取的监测数据进行系统性能分析、故障诊断、趋势分析等高级功能。

为了实现上述目的，本发明的系统采用的技术方案是：

一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，包括基站部分、若干节点部分；所述的每个节点部分包括数据采集单元、第一数据处理单元、无线发送模块、有线通信模块，其中数据采集单元包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、辐照度采集模块；基站部分包括无线接收模块、有线通信模块、第二数据处理单元、显示屏、GPRS模块；

在每个节点部分，数据采集单元的输出端与第一数据处理单元的输入端信号连接，第一数据处理单元的两个不同输出端分别与无线发送模块的输入端、有线通信模块的输入端信号连接，无线发送模块的输出端与基站部分无线接收模块的输入端信号连接，有线通信模块的输出端与基站部分有线通信模块的输入端信号连接；

在基站部分，无线接收模块的输出端、有线通信模块的输出端分别与第二数据处理单元的两个不同输入端信号连接，第二数据处理单元的一个输出端与显示屏的输入端信号连接，第二数据处理单元的另一个输出端与GPRS模块的输入端信号连接。

所述的电压采集模块采用的是电阻分压原理，电路结构简单，可采集每个组件当前电压参数。

所述的电流采集模块采用的是MAX4080高精度单向电流检测放大器电路，输入电压范围可达到4.5V至76V，能够较准确地检测每个组件当前电流参数。

所述的温度采集模块采用的是数字温度传感器DS18B20，DS18B20可直接读出被测温度并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。

所述的辐照度采集模块采用较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器，具有测量范围宽、线性度好等特点，能有效测量当前光伏系统光照强度。

所述的第一数据处理单元采用单片机控制芯片的型号为STM32F103C6T6A或STM32F103C8T6；内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，本身具有存储器，具有时钟、复位和电源管理，低功耗等特点。

所述的第二数据处理单元采用单片机控制芯片的型号为STM32F103VCT6；内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，本身具有存储器，具有时钟、复位和电源管理，低功耗等特点。

利用数据采集单元采集系统的监测数据如光伏强度、温度、电压、电流，并将系统监测数据发送至第一数据处理单元；第一数据处理单元将系统监测数据进行处理，并通过无线发送模块将数据发送到基站的无线接收模块，无线接收模块将系统监测数据发送至第二数据处理单元；另一方面，第一数据单元处理后的数据可以将处理后的数据通过有线通信模块将数据发送到基站的有线通信模块，基站的有线通信模块将系统监测数据发送至第二数据处理单元；第二数据处理单元对系统监测数据进行处理，并可以通过显示屏进行显示，同时，第二数据处理单元将系统数据通过GPRS模块上传至云服务器，云服务器会对数据进行分析，对系统进行性能分析、故障诊断和趋势分析等高级功能，针对不同用户提供不同的服务，实现数据的开放与共享。

所述的云服务器是一种处理能力可弹性伸缩的计算服务，其管理方式比物理服务器更简单高效；具有独立的数据空间、独享带宽、内存、CPU，具有足够的网页空间，支持多种网站开发语言。

所述的云服务器的传输层采用面向连接的TCP/IP协议进行数据传输。

所述的云服务器的应用层采用HTTP协议，客户端向云服务器端发送一次请求，云服务器端响应、处理中断请求后即断开连接，一方面绑定GPRS模块并监听；另一方面等待接收客户端浏览器的连接请求，同时根据请求做出相应处理，向客户端浏览器发送响应信息，关闭TCP连接，实现GPRS模块与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。

所述的GPRS模块采用GPRS网络进行数据传输，GPRS即为通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以"分组"的形式传送资料到用户手上。首先将GPRS模块配置到GPRS网络模式进行拨号连接，然后在ISP返回PPP链路配置请求时，PPP协议与ISP进行交互，成功后ISP会GPRS模块分配一个临时IP地址，此时能够在外围配上相应的通信协议与云服务器端进行通信,GPRS模块将数据经TCP协议上传至云服务器，用户基于HTTP协议，通过浏览器访问相关数据。

所述的第一数据处理单元和第二数据处理单元能够分别对无线发送模块和无线接收模块按SPI串口协议配置，并通过天线接收数据。

所述的无线发送模块和无线接收模块是高稳定性、高性价比、低功耗的无线微功率透明数据收发模块。该模块相对一般模块具有尺寸小、灵敏度高、传输距离远、通讯数率高、内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。模块利用了多频段、多信道来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。模块采用了交织白化算法、前进纠错以及循环冗余校验方法，抗干扰和灵敏度都大大提高。用户可以通过PC串口、单片机串口以及远程无线配置方式，设置串行速率、工作信道、发射功率、无线通讯速率等参数。无线发送模块和无线接收模块能够进行软件编码设计地址，用于区别不同基站数据；且其室外通信距离大于1000米。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过数据采集单元采集太阳能光伏系统的运行数据，系统运行数据经第一数据处理单元处理后，通过无线发送模块发送到基站，基站可以通过显示屏显示现场的运行数据，现场人员可以看到系统运行的参数，据此作出关于系统的运行情况估计；同时基站能将数据通过GPRS模块将系统数据发送到云服务器，云服务器能够对现场数据进行处理，可以对系统进行性能分析、故障诊断和趋势分析等高级功能，对于不同的客户能够提出不同的解决方案，完善用户体验。

2、云服务器提供独立的数据空间；可用于创建数据库，存储各个监测模块传来的系统运行数据；提供独享带宽、内存、CPU等，可提供数据传输速率；具有较大的网页空间，支持多种网站开发语言，方便进行网页设计，而且云服务器租用价格低于传统服务器，具有快速供应和部署能力。

3、云服务器为数据传输及共享提供了平台，采用面向连接第TCP/TP协议进行数据传输。传输需要经过三个阶段：与云服务器建立连接，数据传输，终止连接。参数采集单元将采集到的数据发送至第一数据处理单元，第一数据处理单元对数据进行编码、封装等处理后传输至GPRS模块，同时向云服务器发出数据传输请求，进一步保证了检测方法的可靠性。

4、GPRS模块采用GPRS网络进行数据传输，将GPRS模块配置到GPRS网络模式进行拨号，在ISP返回PPP链路配置请求时，PPP协议与ISP进行交互，成功后ISP会给GPRS模块分配一个临时IP地址，此时可在外围配上相应通信协议与服务器进行通信。GPRS模块将数据经TCP协议上传至云服务器，用户基于HTTP协议，通过浏览器访问相关数据。

5、第一数据处理单元和第二数据处理单元对无线模块按SPI串口协议配置后，通过天线接收数据，由于无线模块可进行软件设计地址，编程方便，并且室外通信距离大于1000米，满足系统设计要求。

6、本发明提出了从分布式太阳能光伏系统设备采集数据到大数据的组织与管理，再到光伏领域云计算与应用的全流程信息化框架。

附图说明

图1为监测终端结构示意图；

图2为本系统的工作流程图；

图3为本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，包括基站部分、若干节点部分；所述的每个节点部分包括数据采集单元、第一数据处理单元、无线发送模块、有线通信模块，其中数据采集单元包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、辐照度采集模块；基站部分包括无线接收模块、有线通信模块、第二数据处理单元、显示屏、GPRS模块；

在每个节点部分，数据采集单元的输出端与第一数据处理单元的输入端信号连接，第一数据处理单元的两个不同输出端分别与无线发送模块的输入端、有线通信模块的输入端信号连接，无线发送模块的输出端与基站部分无线接收模块的输入端信号连接，有线通信模块的输出端与基站部分有线通信模块的输入端信号连接；

在基站部分，无线接收模块的输出端、有线通信模块的输出端分别与第二数据处理单元的两个不同输入端信号连接，第二数据处理单元的一个输出端与显示屏的输入端信号连接，第二数据处理单元的另一个输出端与GPRS模块的输入端信号连接。

所述的电压采集模块采用的是电阻分压原理，电路结构简单，可采集每个组件当前电压参数。

所述的电流采集模块采用的是MAX4080高精度单向电流检测放大器电路，输入电压范围可达到4.5V至76V，能够较准确地检测每个组件当前电流参数。

所述的温度采集模块采用的是数字温度传感器DS18B20，DS18B20可直接读出被测温度并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。

所述的辐照度采集模块采用较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器，具有测量范围宽、线性度好等特点，能有效测量当前光伏系统光照强度。

所述的第一数据处理单元采用单片机控制芯片的型号为STM32F103C6T6A或STM32F103C8T6；内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，本身具有存储器，具有时钟、复位和电源管理，低功耗等特点。

所述的第二数据处理单元采用单片机控制芯片的型号为STM32F103VCT6；内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，本身具有存储器，具有时钟、复位和电源管理，低功耗等特点。

利用数据采集单元采集系统的监测数据如光伏强度、温度、电压、电流，并将系统监测数据发送至第一数据处理单元；第一数据处理单元将系统监测数据进行处理，并通过无线发送模块将数据发送到基站的无线接收模块，无线接收模块将系统监测数据发送至第二数据处理单元；另一方面，第一数据单元处理后的数据可以将处理后的数据通过有线通信模块将数据发送到基站的有线通信模块，基站的有线通信模块将系统监测数据发送至第二数据处理单元；第二数据处理单元对系统监测数据进行处理，并可以通过显示屏进行显示，同时，第二数据处理单元将系统数据通过GPRS模块上传至云服务器，云服务器会对数据进行分析，对系统进行性能分析、故障诊断和趋势分析等高级功能，针对不同用户提供不同的服务，实现数据的开放与共享。

所述的云服务器是一种处理能力可弹性伸缩的计算服务，其管理方式比物理服务器更简单高效。具有独立的数据空间、独享带宽、内存、CPU，具有足够的网页空间，支持多种网站开发语言。

所述的云服务器的传输层采用面向连接的TCP/IP协议进行数据传输。

所述的云服务器的应用层采用HTTP协议，客户端向云服务器端发送一次请求，云服务器端响应、处理中断请求后即断开连接，一方面绑定GPRS模块并监听；另一方面等待接收客户端浏览器的连接请求，同时根据请求做出相应处理，向客户端浏览器发送响应信息，关闭TCP连接，实现GPRS模块与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。

所述的GPRS模块采用GPRS网络进行数据传输，GPRS即为通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以"分组"的形式传送资料到用户手上。首先将GPRS模块配置到GPRS网络模式进行拨号连接，然后在ISP返回PPP链路配置请求时，PPP协议与ISP进行交互，成功后ISP会GPRS模块分配一个临时IP地址，此时能够在外围配上相应的通信协议与云服务器端进行通信,GPRS模块将数据经TCP协议上传至云服务器，用户基于HTTP协议，通过浏览器访问相关数据。

所述的第一数据处理单元和第二数据处理单元能够分别对无线发送模块和无线接收模块按SPI串口协议配置，并通过天线接收数据。

所述的无线发送模块和无线接收模块是高稳定性、高性价比、低功耗的无线微功率透明数据收发模块。该模块相对一般模块具有尺寸小、灵敏度高、传输距离远、通讯数率高、内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。模块利用了多频段、多信道来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。模块采用了交织白化算法、前进纠错以及循环冗余校验方法，抗干扰和灵敏度都大大提高。用户可以通过PC串口、单片机串口以及远程无线配置方式，设置串行速率、工作信道、发射功率、无线通讯速率等参数。能够进行软件编码设计地址，用于区别不同基站数据。室外通信距离大于1000米。

如图2所示，云服务器主要完成接收、存储、处理及共享来自GPRS模块传来的数据。云服务器提供独立的数据空间，可用于创建数据库，存储各个光伏电站传来的监测数据，提供独享带宽、内存、CPU等，可提高数据传输速率；具有较大的网页空间，支持多种网站开发语言，方便进行网页设计。并且云服务器的租用价格低于传统服务器，具有快速供应和部署能力。云服务器为数据传输及共享提供了平台，为了进一步保证可靠性，云服务器的网络结构中的传输层采用面向连接的TCP/IP协议进行数据传输。传输经过三个阶段：与云服务器建立连接，数据传输、终止连接。

云服务器开始工作时，首先需要进行设备和系统的初始化，为后面所需的本发明监测终端连接、监测数据传输和用户请求响应等做准备。初始化完成后，云服务器需要与本发明监测终端建立连接，接收终端现场监测数据。第一数据处理单元会接收数据采集单元发送的系统运行数据，第一数据处理单元对数据进行编码、封装等处理后通过无线发送模块发给基站，基站的无线接收模块将接收的数据发送给第二数据处理单元，第二数据处理单元对数据进行编码、封装等处理后传输至GPRS模块，同时向云服务器发出传输请求。云服务器一方面绑定GPRS模块端口、监听，在收到传输请求后建立连接，GPRS模块向云服务器发送数据，云服务器接收并保存数据到相应的数据库，并在有需要时将缓存的监测数据进行调用。另一方面云服务器监听客户端请求，当客户端连接请求时，云服务器接收、分析请求信息，根据请求做出应答和处理，之后调用监测数据，解码和显示监测数据，完成对中断响应、处理的功能。至此云服务器的工作流程结束，实现了GPRS模块与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。

如图3所示，包括本发明监测终端和云服务器，用于需要相关信息的个人用户和政府、系统集成商、供应商等部门提供开放、共享的数据。监测终端包括若干节点和基站两个部分，内嵌于太阳能光伏板，对系统的运行数据进行实时监测。云服务器为可租用的计算服务平台，个人用户和政府、系统集成商、供应商等部门可以使用联网设备获取监测数据。本发明监测终端包括数据采集单元、第一数据处理单元、无线发送模块、无线接收模块、第二数据处理单元、GPRS模块、有线通信模块、电源模块，其中数据采集单元包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、辐照度采集模块，数据采集单元分别与电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、辐照度检测模块相连接，数据采集单元将采集到的现场数据发送给第一数据处理单元，第一数据处理单元对采集到的数据进行处理，采用无线发送模块发送给基站的无线接收模块，无线接收模块将采集到的数据发送到第二数据处理单元，对数据进行处理，并能通过显示屏显示，同时第二数据处理单元通过GPRS模块将数据上传至云服务器。第一数据处理单元和第二数据处理单元微处理器对无线模块按SPI串口协议配置后，通过天线接收数据，由于无线模块可进行软件设计地址，编程方便，并且室外通信距离大于1000米，满足系统设计要求。GPRS模块采用GPRS网络进行数据传输，将GPRS模块配置到GPRS网络模式进行拨号，在ISP返回PPP链路配置请求时，PPP协议与ISP进行交互，成功后ISP会给GPRS模块分配一个临时IP地址，此时可在外围配上相应通信协议与服务器进行通信。GPRS模块将数据经TCP协议上传至云服务器，用户基于HTTP协议，通过浏览器访问相关数据。

实施例部分，所述的第一数据处理单元单片机控制芯片U1的型号为STM32F103C6T6A或STM32F103C8T6；所述的第二数据处理单元STM32F103VCT6。

Claims (10)

1. 一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于包括基站部分、若干节点部分；所述的每个节点部分包括数据采集单元、第一数据处理单元、无线发送模块、有线通信模块，其中数据采集单元包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、辐照度采集模块；基站部分包括无线接收模块、有线通信模块、第二数据处理单元、显示屏、GPRS模块；

在每个节点部分，数据采集单元的输出端与第一数据处理单元的输入端信号连接，第一数据处理单元的两个不同输出端分别与无线发送模块的输入端、有线通信模块的输入端信号连接，无线发送模块的输出端与基站部分无线接收模块的输入端信号连接，有线通信模块的输出端与基站部分有线通信模块的输入端信号连接；

在基站部分，无线接收模块的输出端、有线通信模块的输出端分别与第二数据处理单元的两个不同输入端信号连接，第二数据处理单元的一个输出端与显示屏的输入端信号连接，第二数据处理单元的另一个输出端与GPRS模块的输入端信号连接。

2.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的电压采集模块采用电阻分压原理，可采集每个组件当前电压参数。

3.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的电流采集模块采用MAX4080高精度单向电流检测放大器电路，输入电压范围可达到4.5V至76V，能够准确地检测每个组件当前电流参数。

4.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的温度采集模块采用的是数字温度传感器DS18B20，DS18B20可直接读出被测温度并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线读写。

5.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的辐照度采集模块采用硅兰光伏探测器作为传感器，具有测量范围宽、线性度好等特点，能有效测量当前光伏系统光照强度。

6.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的第一数据处理单元采用单片机控制芯片的型号为STM32F103C6T6A或STM32F103C8T6；内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，本身具有存储器，具有时钟、复位和电源管理，低功耗等特点。

7.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的第二数据处理单元采用单片机控制芯片的型号为STM32F103VCT6；内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，本身具有存储器，具有时钟、复位和电源管理，低功耗等特点。

8.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的云服务器是一种处理能力可弹性伸缩的计算服务，其管理方式比物理服务器更简单高效；具有独立的数据空间、独享带宽、内存、CPU，具有足够的网页空间，支持多种网站开发语言；

所述的云服务器的传输层采用面向连接的TCP/IP协议进行数据传输；

所述的云服务器的应用层采用HTTP协议，客户端向云服务器端发送一次请求，云服务器端响应、处理中断请求后即断开连接，一方面绑定GPRS模块并监听；另一方面等待接收客户端浏览器的连接请求，同时根据请求做出相应处理，向客户端浏览器发送响应信息，关闭TCP连接，实现GPRS模块与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。

9.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的GPRS模块采用GPRS网络进行数据传输，GPRS即为通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接；首先将GPRS模块配置到GPRS网络模式进行拨号连接，然后在ISP返回PPP链路配置请求时，PPP协议与ISP进行交互，成功后ISP会给GPRS模块分配一个临时IP地址，此时能够在外围配上相应的通信协议与云服务器端进行通信,GPRS模块将数据经TCP协议上传至云服务器，用户基于HTTP协议，通过浏览器访问相关数据。

10.如权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能光伏监测系统，其特征在于所述的第一数据处理单元和第二数据处理单元能够分别对无线发送模块和无线接收模块按SPI串口协议配置，并通过天线接收数据；

所述的无线发送模块和无线接收模块是无线微功率透明数据收发模块；无线发送模块和无线接收模块能够进行软件编码设计地址，用于区别不同基站数据；且其室外通信距离大于1000米。