光伏发电故障检测与远程管理系统设计

摘要：随着可再生能源的快速发展，光伏发电系统逐渐成为一种主流能源选择。然而，光伏发电系统在运行过程中易受自然灾害等因素影响，产生安全隐患，且用户难以获取实时数据进行故障诊断和处理。针对以上问题，本文设计并实现了一种基于STM32 微控制器的光伏发电故障检测与远程管理系统。该系统通过传感器网络采集电流、温度等关键参数，利用LORA 无线技术汇聚数据至中心节点，再通过4G 模块将数据上传至阿里云物联网平台。用户可通过网站和安卓软件，基于MQTT 协议与平台对接，实现对光伏发电系统的远程数据监测、故障诊断和异常处理，提高了运维效率，降低了运营成本。

关键词：光伏发电；远程实时监控；无线通信技术；传感器；STM32

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）06-0106-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

光伏发电系统作为当下清洁能源的重要组成部分之一，其可靠性和效率对能源行业的发展十分的重要。然而，光伏发电系统在长期运行中可能会面临着多种潜在的故障风险[1]，如组件老化、天气条件变化、设备故障等，这些问题可能导致系统性能下降甚至完全停止发电。针对光伏发电系统存在的安全隐患和数据封闭问题，光伏发电故障监测与远程管理系统应运而生[2]。

故障监测与远程管理系统通过实时采集和分析光伏组件的电流、温度等关键数据，能够及时发现异常状况并预测可能的故障，增强了光伏发电系统的运维效率和管理便捷性。传统的现场巡检通常需要耗费大量的人力和时间，而远程管理系统通过互联网技术，使得工作人员能够远程实时监控和控制整个光伏发电的运行状态。无论是在办公室、家中甚至是在移动中，工作人员都能够通过手机或电脑轻松地查看系统的实时数据，进行远程故障诊断和操作调整。这种灵活性不仅提高了运维效率，还极大地降低了运营成本和维护困难度。

除故障监测和远程管理外，这些系统还具有拓展性，起着优化光伏发电系统性能的重要角色。通过长期积累和分析大量的数据，工作人员可以识别出系统中的瓶颈和潜在的改进空间。例如，通过优化光伏组件的布局、改进清洁工作流程或调整电力输出策略，系统可以显著提高发电效率和经济效益，进而提升整体能源利用率。

1 系统总体设计方案

为实现对光伏发电系统的实时监控和故障诊断，本文设计的系统需要满足以下功能需求。

1）实时采集光伏组件的电流、温度、光照强度等关键参数。

2）对采集到的数据进行分析，及时发现异常状况并预警。

3）通过远程平台实时监控系统运行状态，并进行远程故障诊断和处理。

本系统采用ST 公司的STM32G431RBT6微控制器作为主控芯片。外围电路有温湿度光照三合一传感器、电流互感器、蜂鸣器、MPU6050陀螺仪、LORA 无线模块、4GDTU、OLED显示屏，实现光伏发电故障检测与远程管理系统的搭建。

光伏发电故障检测与远程管理系统主要研究问题有以下两点。

1）光伏发电故障检测硬件系统设计与搭建。

2）远程管理系统设计与搭建。

为实现以上功能，本文设计的系统包含硬件系统和软件系统两部分。硬件系统主要负责数据采集和无线传输，由子节点、中心节点和云平台组成；软件系统主要负责数据存储、分析、展示和远程控制，包括网站和安卓软件。系统总体框架图如图1所示。

2 硬件系统设计

本部分将详细介绍光伏发电故障检测与远程管理系统的硬件设计方案，主要包括主控芯片的选型以及检测采集模块的具体设计。

2.1 核心微控制器设计

中央处理器主要用于实现对所选用的处理器的信息获取，信息参数的测量按键输入信息的捕获，报警系统的控制以及上位机通信的处理。系统采用ST 公司的STM32G431RBT6 微控制器作为主控芯片。STM32系列单片机[3]具有高性价比、体积小、可靠性高等优点，其丰富的外设资源和强大的计算能力[4]能够满足本系统对光伏发电系统关键参数监测和采集的需求。

2.2 温湿度、光照传感器设计

温湿度、光照传感器选用温度、湿度、光照强度三合一工业级威盟士光照温湿度变送器（485型）[5]，该产品采用高灵敏度的感光探头，信号稳定，精度高。具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点。最大功耗：0.4W；温湿度量程-40至+60℃，0%RH至80%RH;光照强度量程0～65535Lux，0～20万Lux。采用基于串口通信的MOD⁃BUS协议，可通过RS485总线与主控芯片进行通信，实现数据的实时采集。核心在于RS485为半双工工作模式，不能同时进行收发，需要通过控制485芯片控制位的GPIO引脚高低电平来间隔发送问询帧和间隔接收传感器的数据。当控制位引脚为高电平时为发送，低电平为接收，所以，需要开启一个定时器来计时触发中断，这里设置计时1s，当计时到1s则触发中断，在中断服务函数里面，将标志位置位1，在主程序中，根据标志位进行控制控制位的高低电平进行收发数据，从而获取实时数据。

2.3 MPU6050姿态陀螺仪设计

MPU6050角度传感器体积很小，但其功能十分强大。MPU6050[6]通过IIC协议与单片机进行通信，传递偏移角度信息并加以计算即可获取光伏电路板的实时X轴、Y轴及Z轴角度。根据光伏电板摆放的三维角度设置阈值，从而判断光伏发电板是否倒下。

2.4电流互感器ZMCT103C模块设计

在发电、变电、输电、配电和用电的线路中电流大小悬殊，从几安到几万安都有。为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用。单片机通过内部开启的ADC接口与电路互感器OUT接口接线，传感器电源接口接节点板的5V和GND，即可采集到光伏板的电流参数。

2.5 OLED显示屏模块选型设计

OLED显示技术具有自发光的特性、可视角度大，功耗低、对比度高、厚度薄等特点。主控芯片通过SPI 协议与显示模块通信，即可控制OLED显示各个实时参数供工作人员查看。

2.6 LORA 模块选型设计

LoRa[7]扩频技术打破了传输功耗和传输距离之间的平衡，它给人们呈现了一个能实现远距离、长电池寿命、大系统容量、低硬件成本的全新通信技术。相对蓝牙等无线通信，LORA具有更远的无线通信距离，本系统采集LORA进行硬件本地组网[8]，将各个子节点采集的参数汇聚中心节点。首先设置LORA模块的工作模式为透传模式，将工作模式的M0、M1对应的GPIO引脚设置为低电平即可，其次初始化单片机串口功能，子节点和中心节点的波特率要一致。

2.7 4G DTU模块选型设计

该模块主要将中心节点收集到的子节点各参数打包上传至服务器[9]。通信模式主要为透传模式，即无转化的直接转发，通过上位机将连接至阿里云平台的三元组进行烧录，从而将板子采集的数据直接转发到云平台。关键点在于编写传输帧的格式为json 格式。

2.8 报警模块设计

系统的报警电路设计，可以实现参数超过阈值的报警功能，蜂鸣器采用5V供电的蜂鸣器，通过GPIO口的高低电平即可控制它的声响。

3 软件系统设计

3.1软硬件交互设计

系统的软件部分与硬件部分通过阿里云物联网平台进行数据交互，数据流向如图2所示。硬件部分将采集到的数据上传至阿里云物联网平台，软件部分通过调用平台提供的API 接口获取数据，并进行存储、分析和展示

3.2网站设计

网站设计基于Spring Boot 框架和阿里云IoT 平台。它通过Sample类与阿里云IoT平台进行交互，获取设备数据，并通过GetData类处理HTTP请求，将数据存储到数据库或从数据库中检索数据。Identifier⁃InsertImpl类负责实现数据插入和查询的服务逻辑，通过调用Sample类获取数据并存储到数据库。页面使用show.html 和show.js 展示数据，并提供交互功能。整体架构清晰，功能模块化，易于扩展和维护，主要功能模块如表1所示。

3.3 安卓软件设计

安卓软件基于MQTT 协议[10]与阿里云平台通信，获取并处理传感器数据，然后在UI上显示。软件分为UI层、数据处理层和后端数据处理层。UI层使用线性布局和文本视图显示数据，背景为光伏发电背景图。数据处理层包括MQTT协议的初始化、连接和消息处理。后端数据处理通过MQTT 协议与阿里云平台通信，获取并处理传感器数据。Handler处理来自MQTT客户端的消息，并在UI界面上更新数据和显示连接状态。主要功能模块如表2所示。

4 系统测试

为验证系统的功能和性能，本文搭建了实验环境，对系统进行了测试。测试环境如下：

硬件平台：STM32G431RBT6节点板及中心节点板设备

软件平台：安卓软件及网站

测试数据：4G_DTU-temperture、4G_DTU-Light⁃Current、4G_DTU-Humidity

本文主要测试了系统的以下功能：

数据采集功能：安卓软件实时显示硬件采集数据如图4

故障检测功能：实时监控光伏发电板是否倒下，如图4移动端监测数据显示中的姿态数据

远程监控功能：网站页面显示采集的数据曲线图，如图3所示

4 结束语

本文设计并实现了一种基于STM32微控制器的光伏发电故障检测与远程管理系统，该系统能够实时采集光伏发电系统的关键参数，并通过远程平台实现对系统的监控和管理。经测试，系统运行稳定，能够有效地检测和预警光伏发电系统的故障，提高了系统的可靠性和运维效率。未来研究，我们将在系统基础上进行优化，弥补系统的不足。