薛家祥，龔 普，吳 堅

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

能源問題一直是當今世界關注的重大問題，隨著化石能源等不可再生能源的耗盡，太陽能作為來源廣、資源足、用之不竭的新能源迅速得到廣泛地應用，隨之而來的是光伏發(fā)電作為應用太陽能的技術得到了各國政府的大力支持。但是由于太陽能在分布上一般處于偏遠的地區(qū)，對于人力監(jiān)控提出了很高的要求。再者，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，無線通信被應用到了光伏監(jiān)控系統(tǒng)上，并且得到了廣泛的應用。另外，隨著近年來手機行業(yè)的發(fā)展，手機應用已經(jīng)深入到大眾之中，所以開發(fā)出一套基于無線通信和手機應用的智能光伏監(jiān)控系統(tǒng)對于當前光伏發(fā)電監(jiān)控行業(yè)具有十分重大的應用價值。

本文提出的智能光伏監(jiān)控系統(tǒng)采用WiFi232作為無線通信模塊，采用JAVA語言開發(fā)手機端監(jiān)控應用來達到實時監(jiān)控的目的，為發(fā)電系統(tǒng)提供服務。目前，此款手機應用處在試驗階段。

1 系統(tǒng)總體方案的設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)包括太陽能板、光伏發(fā)電逆變器、WiFi無線通信板、智能手機客戶端等，智能手機客戶端利用當前很流行的手機應用來監(jiān)控，WiFi無線通信則使用WiFi232模塊作為通信技術，其系統(tǒng)結構如圖1所示。本系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個參數(shù)進行監(jiān)控，讓用戶可以了解每日發(fā)電量、總發(fā)電量等直觀的參數(shù)，也可以讓專業(yè)人員監(jiān)測到電壓、電流、效率等專業(yè)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of control system

1.2 網(wǎng)絡通信部分

本系統(tǒng)網(wǎng)絡通信采用局域網(wǎng)絡內(nèi)由光伏逆變器集成的USART串口，結合WiFi232來達到無線通信的功能。

光伏逆變器通過傳感器對光伏發(fā)電系統(tǒng)運行過程中太陽能板的電壓、電流等進行檢測并且通過USART串口通信把數(shù)據(jù)傳遞到建立了WiFi通信的終端（設置成為AP和Sta模式）上，由于這些WiFi232模塊通過路由器已經(jīng)建立了Internet網(wǎng)絡，把數(shù)據(jù)傳到本地計算機上，進而將這些數(shù)據(jù)傳到Bomb數(shù)據(jù)庫，最后通過手機應用訪問這些數(shù)據(jù)，最終顯示在用戶的手機上，達到實時監(jiān)控的目的。其通信框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡流程Fig.2 Network communication flow chart

1.3 數(shù)據(jù)庫

本文采用的數(shù)據(jù)庫是Bmob云端數(shù)據(jù)庫，是一種后端服務（BaaS）。Bmob作為后端服務，為移動應用和游戲開發(fā)提供后端服務，包括數(shù)據(jù)存儲、文件存儲、云參數(shù)、推送、支付等各個方面。BaaS產(chǎn)品目的是降低開發(fā)者的成本、簡化開發(fā)流程，讓開發(fā)者只需要關心具體業(yè)務和邏輯的實現(xiàn)，而不需要關心后端基礎設施運行相關工作。Bmob后端云為移動應用程序提供了一整套完整的后端解決方案，目的是消除編寫服務器代碼以及維護服務器的煩惱，讓移動開發(fā)變得簡單有效。

光伏監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)建了名為PvData的表，其字段有電壓 PvVoltage、電流 PvCurrent、效率 Efficient、頻率Hz等。

1.4 手機客戶端

手機客戶端使用的是Android智能手機，采用的編程語言為JAVA語言。JAVA語言由于其具有跨平臺、易于理解等特點，已經(jīng)成為最廣泛使用的語言之一[1]。而Android自從其問世以來，基于其開源性，直接促進了Android系統(tǒng)的崛起，且逐步占據(jù)主流市場，據(jù)研究表明截至到2015年，Android市場份額達到45.4%，成為全球最大智能手機操作系統(tǒng)。而正是由于Android系統(tǒng)的崛起，所以采用了JAVA和Android相組合的手機客戶端應用開發(fā)[3]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

光伏監(jiān)控系統(tǒng)中，通信是實現(xiàn)逆變器與監(jiān)控系統(tǒng)信息交換的關鍵。目前，在無線通信方面可供選擇的方式主要有ZigBee通信技術、藍牙通信技術以及WiFi通信技術。這3種通信技術各有優(yōu)缺點。ZigBee技術具有低成本、低功耗、可靠性高、安裝方便等優(yōu)點，但是也同樣因為數(shù)據(jù)傳輸率低、通信距離短、開發(fā)難度大而制約了其發(fā)展；藍牙技術的推出使得終端之間通信速度更快速、更高效，大大改善了電力企業(yè)部門之間通信電纜數(shù)據(jù)巨大、分布散亂的狀況，但是藍牙技術相對來說成本頗高，且通信協(xié)議復雜、通信距離有限，限制了其進一步的發(fā)展壯大；WiFi通信技術是一種基于IEEE802.11b協(xié)議的無線局域網(wǎng)技術，其通信距離長、通信速率快、兼容性高、使用范圍廣，因而在很多領域得到大力推廣。對比藍牙通信技術來說，其通信范圍達到了200 m，是藍牙通信技術的5～10倍。

綜上所述，我們選擇WiFi通信技術作為我們監(jiān)控系統(tǒng)的通信技術。

2.1 WiFi通信技術電路設計

WiFi網(wǎng)絡主要由以下幾部分組成[2]：

（1）無線保真聯(lián)結點成員和結構站點（Sta），是網(wǎng)絡最基本的部分；

（2）基本服務單元（BBS），是網(wǎng)絡最基本的服務單元；

（3）分配系統(tǒng)（DS），分配系統(tǒng)用于連接不同的基本服務單元，分配系統(tǒng)使用的媒介邏輯上和基本服務單元使用的媒介是分開的，盡管它們物理上可能會是同一媒介；

（4）接入點（AP），接入點既有普通站點的身份，又有接入到分配系統(tǒng)的功能；

（5）擴展服務單元（ESS），由分配系統(tǒng)和基本服務單元組合而成。這種組合是邏輯上而并非物理上的，不同的基本服務單元有可能在地理位置上相去甚遠，分配系統(tǒng)也可以使用各種各樣的技術；

（6）關口（Portal），用于將無線局域網(wǎng)和有線局域網(wǎng)或其他網(wǎng)絡聯(lián)系起來。

2.2 WiFi模塊及其電路分析

本文選用微雪WiFi232模塊，該模塊支持802.11b無線標準、支持TCP/IP/UDP網(wǎng)絡協(xié)議棧、支持USART/GPIO/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口，可以工作在Sta/AP/Sta+AP模式，這些特點就足以保證了此模塊在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。

由于此WiFi232模塊需要工作在3.3 V，且其需要和逆變器的串口連接起來才能工作，因此為其設計了WiFi通信底板，此底板不僅為其提供3.3 V標準電壓，還提供串口接口供其串口通信，連接電路如3所示。由于在監(jiān)控系統(tǒng)中，有些功能接口并未用到，因此未標出。在標出的接口中，nReload為恢復出廠設置，nLink為WiFi連接指示，RESET為模塊復位口，低電平觸發(fā)，WiFi_RXD為串口發(fā)送端，WiFi_TXD為串口收發(fā)接口端。

圖3 WiFi232模塊與底板連接電路Fig.3 Connection of WiFi232 module and bottom plate

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)

光伏監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括WiFi模塊組網(wǎng)開發(fā)和手機端應用的開發(fā)。

3.1 WiFi組網(wǎng)

WiFi232模塊既可以配置成AP（無線接入點），也可以配置成STA（無線站點），還可以配置成AP+STA工作模式，因此WiFi232無線組網(wǎng)十分靈活，大致上有3種組網(wǎng)方式：①其中1個作為AP，其他的作為STA接入；②都作為STA連入到其他AP上組成網(wǎng)絡；③單個模塊支持AP接口和STA接口，模塊的STA接口可以與其他的AP相連，同時其他的STA可以連入到AP接口上。

針對以上3種組網(wǎng)模式，本系統(tǒng)選擇將WiFi232模塊配置成AP+STA模式，將STA接入到可以上網(wǎng)的路由器上，AP配置成其他STA接入的無線接入點。在這樣的配置下，只要路由器可以連入Internet，連入這個WiFi232網(wǎng)絡的設備就都可以直接訪問Internet，達到了與Internet直連的目的。

3.2 手機端應用開發(fā)

手機端應用開發(fā)選擇Android系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，主要是基于其廣闊的市場，以及其開源的特性。在語言的選擇上，選擇JAVA作為開發(fā)語言，JAVA作為一門面向對象的語言，對于以后的擴展有更好的支持。光伏監(jiān)控應用的界面主要包括登錄界面、首頁、實時監(jiān)控界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、設置界面。

首頁顯示當前正在檢測的光伏逆變器的今日發(fā)電量、總發(fā)電量，今日天氣、當前電網(wǎng)的信息，當然以后會有什么其他的功能都可以直接加入，而不需要重新開發(fā)，這就是選擇JAVA的原因。統(tǒng)計這些信息，可以為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)，這樣可以大概對一個地區(qū)某一段時間內(nèi)的發(fā)電量做一個估量，為光伏產(chǎn)業(yè)做一個評估。而實時監(jiān)控界面提供的信息則包括了當前電網(wǎng)的具體電壓電流等信息，還有包括當天的溫度、濕度、日照時間等，最主要的是可以繪制當前發(fā)電情況的折線圖，這樣可以很具體直觀地得到各個時段內(nèi)的發(fā)電量，讓技術人員了解到當天每個時間段內(nèi)的發(fā)電信息和天氣情況的關系。歷史數(shù)據(jù)查詢界面則可以提供根據(jù)日期來對過往的數(shù)據(jù)進行查詢，可以把查詢當天的前后7天的數(shù)據(jù)進行比較，還可以根據(jù)月份進行比較，根據(jù)年份進行比較。初步設計是可以保存10年的數(shù)據(jù)，這樣一個地區(qū)10年的發(fā)電信息就可以很直觀地顯示在手機上了。至于設置界面則只是一些軟件上的升級，與客戶的交流等設計。光伏監(jiān)控手機應用的開發(fā)界面目前已測試成功，基本功能都已實現(xiàn)，還有待更進一步的優(yōu)化。

4 系統(tǒng)測試

4.1 WiFi模塊通信功能測試

在對WiFi232模塊進行通信功能測試前，需要先對其進行配置。本監(jiān)控系統(tǒng)中，需要把模塊配置成AP/STA模式，其配置過程如下：首先，在模塊通電之后，瀏覽器打開10.10.100.254，登錄進入之后，在模式選擇選項中選擇Station模式；在無線終端設置選項中，選擇無線終端參數(shù)設置，選擇模塊要接入的網(wǎng)絡名稱（即需要接入的路由器的名稱），填上密碼（如果需要），保存；在串口及其他設置選項中，網(wǎng)絡參數(shù)設置一欄里填入網(wǎng)絡模式：Server，協(xié)議：TCP，端口：8899，服務器地址：10.10.100.100，保存；然后模塊管理選項中，確定，重啟模塊即可完成設置。這樣配置之后，重啟模塊會產(chǎn)生一個AP信號，默認為HFA11x_AP。只要終端設備，如手機、電腦等連入都可正常上網(wǎng)，連入Internet。這樣WiFi232模塊配置完成。

將電腦與WiFi232用USB連接起來，用手機安裝SocketTools軟件，即Android平臺下的TCPIP調(diào)試助手，手機也連入WiFi232模塊產(chǎn)生的HFA11x_AP網(wǎng)絡中，打開自己寫的接收程序，發(fā)送數(shù)據(jù)給WiFi232模塊，從圖4中可以看到，電腦端很快顯示了手機發(fā)送的數(shù)據(jù)。WiFi232模塊通信功能測試正常。

圖4 WiFi實物與測試結果Fig.4 WiFi connection test

4.2 手機應用功能測試

手機客戶端的功能測試很簡單，只要把開發(fā)的手機應用安裝到手機上，登錄之后，打開實時監(jiān)控界面就可以看到監(jiān)控的數(shù)據(jù)顯示在界面上。測試還包括軟件的切換流暢度、Bug產(chǎn)生、響應時間、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控正確性。實際的運行效果如圖5所示。在不同的測試條件下，手機應用都能正常工作，并且能夠做到不崩潰、流暢、實時顯示正常。

圖5 手機客戶端功能測試Fig.5 Test of cellphone interface

5 結語

本文通過利用WiFi通信技術、JAVA語言、Bmob云端數(shù)據(jù)庫、Android平臺，開發(fā)出了一套基于WiFi無線通信技術的光伏監(jiān)控系統(tǒng)的Android手機應用。測試表明，整套系統(tǒng)通信正常、監(jiān)控實時、工作穩(wěn)定，達到了實時監(jiān)控的要求。

[1]李冰.基于JAVA的光伏逆變器并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學，2014.

[2]王燕.基于WiFi模塊的多路燈光控制系統(tǒng)開發(fā)[J].電子世界，2015（17）：180-182.

[3]任玉剛.Android開發(fā)藝術探索[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4]徐宜生.Android群英傳[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5]Bruce Eckel.JAVA編程思想[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.