一种基于云平台的微电网光伏模块数据采集装置的设计
摘要:随着国家定下的碳中和目标以及相关政策的推进，微电网项目的数量会持续增加，常规微电网中主要的发电组件是光伏发电平台，因此对于光伏发电平台的运行和维护的需求也会增加。机智云开发者设计的一种将本地监测数据进行收集并通过云平台传送到总控室PC或维护人员随身移动设备的装置，在总控室的PC以及移动设备上可以对实时数据进行查看，对一些可能的故障以及其类型进行警示提醒，从而提高设备维护的实时性及其效率。
引言小型微电网的位置分布零散，一般没有现场实时值守的运行和维护人员，而光伏发电平台容易出现光伏板遮挡、光伏组件隐裂、接线故障等问题，一旦出现故障，从工作人员发现故障、到达现场进行监测，维修，直到最后解决故障问题的时间周期会很长，会影响原本微电网的供电设备的稳定运行状态。
通过在现场加装数据测量装置和通信装置，将现场设备运行的参数进行测量通过云平台将数据发送到总控室进行监测和分析，使得当现场发生故障后，维修人员能立即知晓从而迅速响应，此外主控室的主控机对微电网的运行参数进行分析处理，可以对系统的运行状态进行一个预评估，评估可能发生的故障类型以及发生故障的可能性，现场可以重点关注，维修人员能够预知故障类型，可以减少现场监测环节，减少维修时间。
1系统方案设计
整个系统分为控制器、光伏组件测量模块、WiFi模块、物联网云平台、总控室PC和手机app如图1。除了一些偏远地区建立的离网微电网，比如通信基站等，不方便搭建WiFi传输环境之外，对于一些家用的微电网、大型工厂、工业园区和科技园等区域一般都有WiFi覆盖，因此选择WiFi来作为无线通信方式可以极大降低项目成本。控制器的功能是收集测量模块的数据，发送给WiFi模块，以及对现场一些信号灯以及开关进行控制。
物联网云平台的功能是将WiFi模块上传的数据发送给手机app和主控室的主控机。用户通过手机app可以对实时数据进行查看和对现场一些信号灯和开关进行控制。用户还可以通过总控室的PC对测量的数据进行收集，在总控室的PC上进行数据分析和故障诊断，从而减少设备因故障停运的时间。
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图1系统整体方案结构图
2物联网云平台的选择在本方案里的物联网云平台选择了机智云开发平台，这个平台有面向个人用户和企业用户的机智云平台，通过自助的工具、软件开发工具包和应用编程接口服务等，将物联网硬件开发人员的技术壁垒尽可能地减少，开发人员的研发时间降低，提高了开发商的生产速度，还帮助开发者进行智能升级，更好连接、服务终端消费者。
要使用机智云物联网云平台，用户只需要编写建立连接和传输协议，将GAgent植入到WiFi模块中，并将WiFi模块与路由器连接到互联网中，控制器就可以通过WiFi模块把数据传输到云平台的服务器。用户通过在手机端平台提供的APP应用里进行绑定，就可以通过手机查看相关数据或者收发对应的控制信号。
GAgent是一个可以在许多不同类型的通信模块上运行的应用程序，也叫作固件。它不仅提供了手机应用、其他控制终端和云平台与产品设备之间的三向的数据通信，而且还提供对设备配置、网络接入、发现绑定等多元化功能。主要用于数据的接收和转发，是硬件数据、机智云物联网平台、移动应用端的数据交互桥梁。可以在各种通信模块上写入GAgent固件，实现WIFI模块、GPRS模块、蓝牙模块、电脑端等联网配网功能。
3硬件设计
系统的电路分为MCU主控电路、测量电路、WiFi通信电路、供电电路和控制继电器电路四个部分。其中MCU主控电路由STM32F103C8T6作为控制芯片，还包括芯片运行所需要的最小系统如图2，比如供电电路、晶振电路、复位电路。
测量电路是由HLW8012测量模块和其他辅助元件组成如图3。HLW8012是一款用于测量各类电路中的各类参数的芯片，可用于测量电路中电压、电流值以及有功功率值等。同时通过内部计算，输出高频脉冲，通过高频脉冲得出相应的参数值的大小。广泛应用于各类智能家居和智能电表中。
WiFi通信电路是由esp8266芯片以及其他辅助元件组成如图4。
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图2MCU主控电路图
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图3测量电路
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202206/02/200009ohkhzn8zfk0qhffs.jpg.thumb.jpg图4WiFi通信电路
4软件设计系统的软件设计主要包括MCU主控程序、WiFi模块程序。MCU主控程序主要包含外部设备的控制以及和WiFi模块的通信程序。WiFi模块的程序通过互联网和云平台进行连接和通信。设备接上电源得电之后，进行自动搜索且根据记忆优先搜索之前连接成功的路由器，如果连接成功后，将与云服务器进行TCP数据的通信，从而进行对硬件设备的控制及数据的传输通信。如果WiFi连接失败，可能是WiFi路由器的内部信息遭到更改导致无法连接上。
当网络连接失败时，此时系统将会进入另外一个工作模式，即AP模式，此时的系统会等待用户来手动配置入网信息，并且将手机连接同一局域网下的WiFi网络进行与系统的对接，此时的路由器会使用UDP的形式将设备的一些信息进行发送，收到设备信息的芯片系统将与路由器建立TCP连接，然后把路由器发送的信息记录下来。系统工作于STA模式时是属于一个正常的工作模式，在这样的工作状态下会通过路由器连接网络后把智能设备的信息全部发送至云服务器去，当系统芯片收到相关信息时，会对消息进行相关的函数处理，对数据进行转换，且对收到的信息进行分析后，执行相应命令对硬件端进行控制。
5应用app的开发
机智云开发平台对软件程序提供APP、IOS等开源框架源码，可以使用开发者工具自动生成APP与IOS程序。除此之外，开发者还可以根据项目中的实际需求，选择合适的方式对APP进行开发。机智云平台为研发者提供了APP的开源框架代码，并且能根据研发人员所创建的数据点自动生成相应的设备功能需求的控制APP，对产品的测试以及开发带来了极大的便利，降低了开发的门槛，从而深受电子开发爱好者的喜欢。
自动生成的APP代码模块化集成了智能硬件所需的功能，主要包括：（1）用户注册、登录，或者第三方登录等功能。（2）配置设备入网分为三种Airlink+SoftAP+Airkiss模式。（3）设备进行搜索，然后在APP中进行列表。（4）对硬件设备进行操作控制。
我们只需将源码的压缩包下载完之后进行解压，然后需要在控制功能部分对机智云的控制设备部分进行同步对应，编写控制流程，也可以根据自身需求对UI界面进行更改以APP控制界面的修改设计，整个过程基本无需做太大的改变，只需将源码下载修改后进行打包安装即可完成客户端APP，从而实现对智能设备进行远程操控，使生活更加贴近智能及方便。
6系统调试
系统调试分为以下几个步骤，首先是使用测量模块对已知的数据进行测量，通过MCU收集和显示，对测量数据进行统计和对比分析测量模块的准确性和稳定性。之后连接上WiFi模块，通过在手机端和主控机端查看到的数据进行收集和对比。通过上述测试方法，本文设计的光伏模块数据测量和采集装置的稳定性和准确性都很高。
7结语本文设计的基于云平台的微电网光伏模块数据采集装置具有适用范围广的优点，由于不需要布线，安装方便，可以对大多数现存的光伏发电系统进行升级，通过控制总站的数据收集和分析，可以实现一总站监控多光伏发电系统的功能。维护人员还可以在总站之外通过网页系统或者移动端管理系统实现随时随地对监控范围内的光伏发电系统进行管理。
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