基于物联网的分布式光伏能源监测系统设计

关键词：物联网；光伏能源；数据监测；系统设计

0 引言

能源危机的日益加剧与环境问题的不断突显，让清洁能源的开发与利用已成为全球范围内的热门议题[1]。在清洁能源领域中，光伏能源作为一种可再生、环保的能源形式，受到了广泛关注[2]。然而，光伏发电系统的效率和稳定性受到诸多因素的影响，如天气、阴影、灰尘等。因此，为了有效监测和管理光伏发电系统，开展基于物联网的分布式光伏能源监测系统的设计与研究显得尤为重要。随着物联网技术[3-4]的不断发展和普及，基于物联网的光伏能源监测系统逐渐成为一个重要的方向。这种系统利用物联网技术实现对光伏发电系统各个节点的实时监测和数据采集，能够有效地提高光伏发电系统的管理效率和运行稳定性。然而，目前对于基于物联网的分布式光伏能源监测系统的研究还比较匮乏，尤其是在系统架构设计、数据采集模块设计、通信方法等方面的深入探讨不多。因此，本文针对以上问题，开展基于物联网的分布式光伏能源监测系统的设计与研究。首先，对分布式光伏能源检测系统的设计进行深入探讨，包括系统架构设计、数据采集模块设计、通信方法研究等内容。随后，对系统的构建过程进行详细阐述，包括硬件选型、基于低代码技术的软件平台构建等方面。最后，对所设计的系统进行实验验证，并对结果进行分析。通过本文研究，不仅可以为光伏发电系统的监测与管理提供技术支持，提高其效率和稳定性，还可以推动基于物联网技术在清洁能源领域的应用和发展，具有重要的理论和实际意义。

1 分布式光伏能源监测系统设计

1.1 系统架构设计

本文研究的光伏电站分布式监测系统的架构如图1所示，包括光伏电站节点、蜂窝网络、服务器和监测终端。光伏电站节点在各光伏电站内采集数据，通过蜂窝网络传输至服务器，服务器进行数据处理和存储。监测终端为用户提供实时监测和管理界面，可通过软件应用程序查看光伏电站数据和进行远程控制。这一架构实现了光伏电站的实时监测、数据管理和远程控制，提高了系统的智能化管理水平。

1.2 数据采集模块设计

该监测系统的数据采集模块是系统的核心组件，其工作原理主要涉及光照强度传感器、定位模块、温湿度传感器、STM32微控制器[5-6]、供电单元和SIM800 模块、智能电表、数据传输单元等部分的协同作用，如图2所示。

首先，光照强度传感器用于实时监测光照条件，可用于评估光伏电站的光照条件，从而影响发电效率的预测和优化。其次，定位模块用于获取光伏电站的地理位置信息，可以帮助监测系统实现对光伏电站的定位追踪和地理信息管理，为系统的运行监控提供位置依据。接着，温湿度传感器用于实时监测环境温度和湿度，对光伏电站的运行环境进行监测，有助于评估系统的环境适应性和稳定性。然后，STM32微控制器作为数据采集模块的核心控制器，负责数据的采集、处理和传输。STM32微控制器通过与各传感器模块的接口进行数据交互，实现对光照强度、温湿度等数据的实时采集和处理，并将处理后的数据传输至服务器。同时，供电单元为数据采集模块提供稳定的电源供应，保证系统的正常运行。供电单元通常采用电池、太阳能电池板等方式为系统提供电能，以应对不同环境下的供电需求。最后，SIM800模块用于数据的无线传输，通过蜂窝网络将采集到的数据发送至服务器。SIM800 模块通过与STM32 微控制器的串口通信，实现数据的可靠传输，保障监测系统的远程数据管理和控制。

在智能电表数据方面，智能电表与STM32连接，并经过数据传输单元（Data Transmission Unit，DTU） TAS-LET-892C模块进行有线通信，相比无线通信方式具有更高的灵活性。

1.3 物联网通信方法研究

针对传感器模块，本研究基于蜂窝网络使用了MQTT通信协议[7-8]进行数据传输，包括数据采集模块、MQTT客户端、MQTT Broker。首先，数据采集模块（如图2所示）负责采集光伏电站节点的数据，如光照强度、温湿度、用电发电等信息，并将其封装成消息进行传输。数据采集模块作为MQTT通信的一端，扮演着数据发布者的角色。接着，MQTT客户端是数据的发布者或订阅者，在该研究中主要是数据采集模块和服务器。数据采集模块作为MQTT客户端的发布者，将采集到的数据发布到MQTT Broker；而服务器则作为MQTT客户端的订阅者，订阅感兴趣的数据主题。最后，MQTT Broker是消息传输的中间代理，负责接收来自发布者的消息并将其路由给对应的订阅者。MQTT Broker接收到数据采集模块发布的消息后，根据订阅者的需求进行消息分发，将数据传输给订阅了相应主题的MQTT客户端（如服务器）。

总的来说，基于蜂窝网络使用MQTT通信协议进行数据传输的工作原理是数据采集模块将采集到的数据封装成消息并发布到MQTT Broker，MQTT Broker 将消息路由给相应的订阅者（如服务器），实现数据的可靠传输和实时更新。这种基于发布/订阅模式的通信方式具有较好的灵活性和可扩展性，适用于光伏电站分布式监测系统的实时数据传输和管理。

2 系统实施方法研究

2.1 硬件与软件配置

为了对系统的实施进行深入探讨，本文首先研究了所需要的硬件与软件配置。本文采用的核心硬件信号包括光照强度传感器BH1750、定位模块NEO- 6M GPS、温湿度传感器DHT22、微控制器STM32、供电单元12V、通信模块SIM80、Mosquitto MQTT Broker。

为了对系统进行实时监测，还需要合适的软件平台。本文基于低代码技术对系统级的软件部分进行构建，选用的软件架构为JEECG[9-10]。该架构是一款低代码开发平台，无须编写大量的代码，并且提供了直观易用的界面和丰富的功能组件，使用户可以通过拖放和配置的方式构建各种类型的应用，包括移动应用、Web 应用和桌面应用。

2.2 系统实施方案

系统实施计划主要包括硬件系统建设、软件系统构建以及系统集成三个步骤。

1） 硬件系统建设。将STM32微控制器与光照强度传感器、定位模块、温湿度传感器进行连接，确保数据采集模块能够正常接收传感器的数据。然后将该器件安装在光伏电站节点的适当位置，保证其能够准确地采集环境数据。并且，将SIM800蜂窝网络通信模块连接至微控制器，并进行相应的通信设置，以实现数据的无线传输，将智能电表和微处理器相连接，通过TAS-LET-892C来实现有线通信。

2） 软件系统构建。在Linux上搭建研发环境，利用JEECG架构，后端基于SpringBoot技术，前端采用VUE.JS框架、数据库采用主从架构的Mysql；总体基于低代码技术，设计和开发光伏能源监测系统的应用程序，主要包括实时数据监测功能的设计和实现。

3） 系统集成。将硬件系统和软件系统进行对接，确保数据采集模块能够正常与MQTT平台进行通信，并将采集到的数据传输至服务器后台。对整个系统进行全面测试和调试，包括硬件系统的稳定性和准确性测试以及软件系统的功能完整性和性能测试。根据测试结果进行必要的优化和调整，在测试通过后，将系统部署至实际应用环境中，并进行光伏电站的环境监测。

2.3 结果与分析

本文构建的监测系统界面如图3所示。

结果表明，在硬件系统和软件系统的建设与集成过程中，成功实现了光伏能源监测系统的设计目标。通过对光照强度传感器、温湿度传感器、定位模块、光伏发电板、智能电表、DTU等硬件设备的合理配置和连接，系统能够准确地采集光伏电站节点的环境数据，包括温度、湿度、光照等关键指标。另外，也能够采集光伏电站发电用电能源数据，如图4所示。同时，利用低代码技术实现的监控界面的设计和实现，能够直观地进行数据可视化信息展示。通过监控界面，用户可以实时查看光伏电站各个节点的数据，包括当前温度、湿度、光照强度等环境信息以及光伏电站的发电、用电、储电等相关信息，这为用户提供了直观、方便的数据监测和管理手段，有助于及时发现和处理系统运行中的异常情况，提高了光伏发电系统的效率和稳定性，具有重要的使用和推广价值。

3 结束语

本文提出了一种基于物联网和低代码技术的分布式光伏能源监测系统，通过对硬件选型和软件平台的合理选择和设计，实现了光伏电站环境数据的实时监测和管理。该系统结合了光照强度传感器、定位模块、温湿度传感器、智慧电表、数据传输单元等硬件设备，利用JEECG平台构建了用户友好的监控界面，为用户提供了方便快捷的数据展示和管理方式。实验结果表明，该系统能够有效监测光伏发电系统的效率和稳定性，为清洁能源领域的应用和“双碳”目标达成提供了新的思路和技术支持。未来，可以进一步优化系统的性能和功能，拓展其在实际应用中的应用范围和推广价值。