基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验研究

华 驰， 毕海峰， 王 辉， 杨 慧

(1. 江苏信息职业技术学院 物联网工程系， 江苏 无锡 214101； 2. 无锡英臻科技有限公司， 江苏 无锡 214101； 3. 中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 216009 )

物联网是继计算机、互联网、移动通信之后的新一轮信息技术革命[1]，是信息技术领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力,其作为国家重点发展的新兴产业，无论是在基础研究、产品开发、设备制造、系统集成领域，还是在行业应用领域都需要大量的人才[2]。物联网技术专业作为新兴专业，当前综合实训案例较少能按照物联网项目工程的方法以一个完整项目的具体实现过程来进行实验组织[3]，对于物联网应用技术专业的学生来说，过于偏重于理论的专业综合实训实验，不利于模仿实现及项目式教学。本综合实验的开发依托于在企业参与完成的工程实践项目及企业总经理和项目经理的充分参与，以企业物联网应用系统的开发过程为主线，贯穿于整个专业综合实验的构建过程中。

本研究通过构建基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验，使学生能够从物联网感知层、传输层和应用层3层结构出发[4]，对物联网应用系统的设计和开发过程进行模仿，深入学习和理解物联网应用系统开发过程中的重点和难点，引导学生进行自主学习，从而提升教学效果，增加学生的自主创新能力，进而提高学生的就业竞争力与工作质量[5]。

1 基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验系统架构

1.1 基于物联网的太阳能光伏组件监控系统整体设计

基于物联网的太阳能光伏组件监控系统是在每个光伏组件上安装数据采集模块，基于数据采集模块中的无线传感器网络组成自组织网络，各数据采集模块的控制命令与采集的数据沿着其他传感器节点逐条地进行传输，并经过多条路由到汇聚节点——网关(中继接受传输器)，最后通过有线以太网或WiFi、3G等无线通信方式送达监控中心[6]。系统模型如图1所示。

图1 太阳能光伏组件监控系统模型

监控中心接收各中继传输器传输来的数据后进行分析处理，并通过显示系统展示出太阳能发电组件(矩)阵中每块太阳能电池板的工作状态，从而起到对整个太阳能发电系统的管理监控、维修维护和安全防范的作用，保证系统的正常工作。用户通过远程管理系统对传感器网络中数据采集模块进行配置和管理，发布监测任务并分析、显示监测数据。

系统数据流程设计如图2所示，在服务器需调用太阳能光伏电板数据信息时，数据服务器向网关提出数据申请，而该请求又由网关传递到数据采集器，数据采集器将该请求传递到逆变器，逆变器进行分析后，再向太阳能光伏电板的串设备发送请求，串设备再发送请求给多个电板设备；当该请求得到电板设备响应后，则包含多个电板信息数据的数据包由电板向太阳能光伏电板的串设备传递，再进一步传递到逆变器、数据采集器，最终被发送至网关，由网关根据IP地址发送、传递给数据库服务器，系统管理门户应用服务器则实时调用数据库服务器中的数据，从而使系统管理门户应用服务器可以实时获取太阳能光伏电板的信息数据，实时更新电板的实时信息表，而电板的历史数据信息表也在不断地更新，数据也在不断地增加。

图2 太阳能光伏组件监控系统数据流程图

温度传感器、光照传感器、风速传感器的数据信息则是直接经由数据采集器传递到网关，由网关发送，传递到数据库服务器，系统管理门户应用服务器实时调用数据库服务器中的数据，并更新其实时数据信息表，实时转移和更新其历史数据信息。

1.2 综合实验系统构架设计

根据物联网系统主要是由感知层、传输层、应用层3个层次组成，基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验系统结构设计，主要也就是根据此3个层次来完成3个学习情境的设计。

学习情境一为系统感知层，也就是底层硬件上传的数据，包括每块电板的5路电压值、电板的及时电流值、电板的及时温度值、中继器与电板之间的连接状态等数据。

学习情境二为系统传输层，也就是上位机根据底层硬件上传的数据进行计算的数据，包括根据发电量、电池板光效值计算电压、温度是否处在设定的报警条件区间内以及根据光照度、发电量等数据计算是否有局部的阴影遮盖。

学习情境三为系统应用层，也就是系统管理门户软件，主要以直观、易操作的特点让用户能够快速地完成各类数据的统计及分析。

通过在综合实验过程中对以上3个学习情境的模仿，从而达到深入学习和理解物联网应用系统开发过程中的重点和难点的目的，培养出符合社会需求的物联网应用技术合格人才。

2 专业综合实验系统感知层设计

基于物联网的太阳能光伏组件监控系统的感知层结构示意图如图3所示。光照辐射传感器、风向传感器、风速传感器、组件温度传感器等通过0～5 V转ModBUS 设备和8位单片机R5F212B8相连，温湿度传感器直接与8位单片机R5F212B8相连；8位单片机R5F212B8中包含了内存，SD卡及各类外围电路；感知层对外通信接口类型包括RS232、RS485、网络接口、LAN、WiFi、GPRS等。

图3 系统感知层结构示意图

数据采集模块主要由风速传感器、光照辐射传感器、风向传感器、温湿度传感器等完成。其中各类传感器电路都由电源电路、控制电路、模拟量计算电路、通信电路及风速采样电路组成，各类传感器电路的电源电路、控制电路、模拟量计算电路、通信电路的设计基本是一致的，不同的就是根据各类传感器的特点来设计其类型的数据采集电路，以下以风速传感器电路的详细设计为例来进行说明。

数据采集中最重要的环节分别为数据采集及数据传送，其中数据采集由风速采样电路完成，如图4所示的风速采样电路中，4针插座的1脚接地，4脚接Vcc，2脚和3脚为风速传感模块的数据脚，输出信号经过电容和电阻的处理滤波后进入模拟量计算电路中。数据传送由通信电路完成，如图5所示的通信电路中，通信电路由无线收发芯片SI4432、晶振XA3、切换开关U6、天线P4及外围的一些电容和电阻等组成。

图4 风速采样电路

图5 通信电路

3 综合实验系统传输层设计

基于物联网的太阳能光伏组件监控系统传输层中数据获取及上传处理如图6所示，在图中，基于物联网的太阳能光伏组件监控系统中各类传感器不工作时处于休眠低功耗运行状态。在需要调用太阳能光伏组件监控系统数据信息时，各终端访问云计算中心，云计算中心向网关提出数据申请，而该请求又由网关传递到逆变器，逆变器进行分析后，唤醒各个低功耗运行的传感器，各类传感器开始工作后基于RS485接口，通过Modbus协议把数据发送并存储至网关SD卡或Flash ROM中，网关通过LAN、WiFi、GPRS等方式连入Internet并基于TCP/IP协议把数据传输并保存至云计算中心服务器中。

4 专业综合实验系统应用层设计

4.1 应用层流程设计

应用层位于系统管理门户系统，该系统流程设计如图7所示，系统管理门户软件中，管理员登录系统后可以完成系统管理和系统设置，系统设置包括了太阳能电板管理、逆变器管理、网关管理及传感器管理等。系统管理门户普通用户需要注册后方可登录系统，用户成功登录之后可以浏览包括每日电量、每日功率、天气信息、电站图片、环境报告等信息在内的系统整体状况，还可以浏览各太阳能电板实施状态，进行图表查询、报警信息查看及报表生成等操作。

图6 数据获取及上传处理流程程图

4.2 应用层系统架构设计

在软件体系架构设计中，分层式结构是最常见也是最重要的一种结构[7]。本系统也使用分层式结构，从下至上分别为数据访问层、业务逻辑层、表示层。系统主要功能和业务逻辑都在业务逻辑层进行处理，而用户的交互式操作界面与数据库的访问功能则主要由表示层与数据访问层实现，具体如图8所示，其中数据库部署在云计算中心。

图7 系统管理门户系统流程图

图8 系统架构示意图

4.3 应用层功能模块设计及实现

基于物联网的太阳能光伏组件监控系统的系统管理门户系统用户的角色分为2类，一类是普通用户，一类是管理员。根据这2类用户角色的功能区别[8]，将管理门户软件系统功能分为前台功能和后台功能[9]。

系统管理门户软件前台功能的主要使用角色为普通用户，系统前台功能如图9所示。

图9 系统管理门户软件前台功能示意图

普通用户主要功能有整体状况查看、实时状态查看、历史图表查看、报警信息查询等。系统管理门户软件后台功能如图10所示，主要使用角色为管理员，管理员主要功能有系统设置和用户管理。

图10 系统管理门户软件后台功能示意图

系统客户端软件的设计遵循界面友好，操作简便的原则来完成对系统采集数据的统计分析处理[10]，并可以基于各类终端以友好的界面显示出来各类监测结果。用户在客户端输入正确的用户名和密码登录系统，进入该太阳能光伏组件监测系统。系统访问时序如图11所示。本系统软件基于eclipse平台使用java语言完成开发，图形显示界面基于JavaScript技术，另外还在开发过程中使用了WebService、Ajax等其他技术。系统完成后电板发电电压日查询功能界面如图12所示。

5 结束语

本研究通过构建基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验，使学生能够从物联网感知层、网络层和应用层3层结构出发，对物联网应用系统的设计和开发过程进行模仿。开发过程进行模仿。基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验系统的设计与实现过程可以完成物联网技术专业综合实训。通过该实验的完成，学生能够加深对物联网系统设计及实现过程的理解，掌握物联网应用系统感知层中各种传感器的数据采集、传输层中数据的传输及存储以及上位机远程监控系统的设计[11-12]。该综合实验系统为物联网应用系统的设计和开发提供了一种解决的方案。

图11 系统访问时序图

图12 日电压查看示意图

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