摘要：隨著可再生能源的快速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為一種主流能源選擇。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中易受自然災(zāi)害等因素影響，產(chǎn)生安全隱患，且用戶難以獲取實時數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和處理。針對以上問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STM32 微控制器的光伏發(fā)電故障檢測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)采集電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，利用LORA 無線技術(shù)匯聚數(shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)，再通過4G 模塊將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。用戶可通過網(wǎng)站和安卓軟件，基于MQTT 協(xié)議與平臺對接，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障診斷和異常處理，提高了運(yùn)維效率，降低了運(yùn)營成本。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；遠(yuǎn)程實時監(jiān)控；無線通信技術(shù)；傳感器；STM32

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）06-0106-03開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為當(dāng)下清潔能源的重要組成部分之一，其可靠性和效率對能源行業(yè)的發(fā)展十分的重要。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)在長期運(yùn)行中可能會面臨著多種潛在的故障風(fēng)險[1]，如組件老化、天氣條件變化、設(shè)備故障等，這些問題可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至完全停止發(fā)電。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的安全隱患和數(shù)據(jù)封閉問題，光伏發(fā)電故障監(jiān)測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

故障監(jiān)測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)通過實時采集和分析光伏組件的電流、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)異常狀況并預(yù)測可能的故障，增強(qiáng)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)維效率和管理便捷性。傳統(tǒng)的現(xiàn)場巡檢通常需要耗費(fèi)大量的人力和時間，而遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得工作人員能夠遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和控制整個光伏發(fā)電的運(yùn)行狀態(tài)。無論是在辦公室、家中甚至是在移動中，工作人員都能夠通過手機(jī)或電腦輕松地查看系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和操作調(diào)整。這種靈活性不僅提高了運(yùn)維效率，還極大地降低了運(yùn)營成本和維護(hù)困難度。

除故障監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理外，這些系統(tǒng)還具有拓展性，起著優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的重要角色。通過長期積累和分析大量的數(shù)據(jù)，工作人員可以識別出系統(tǒng)中的瓶頸和潛在的改進(jìn)空間。例如，通過優(yōu)化光伏組件的布局、改進(jìn)清潔工作流程或調(diào)整電力輸出策略，系統(tǒng)可以顯著提高發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提升整體能源利用率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時監(jiān)控和故障診斷，本文設(shè)計的系統(tǒng)需要滿足以下功能需求。

1）實時采集光伏組件的電流、溫度、光照強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。

2）對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況并預(yù)警。

3）通過遠(yuǎn)程平臺實時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和處理。

本系統(tǒng)采用ST 公司的STM32G431RBT6微控制器作為主控芯片。外圍電路有溫濕度光照三合一傳感器、電流互感器、蜂鳴器、MPU6050陀螺儀、LORA 無線模塊、4GDTU、OLED顯示屏，實現(xiàn)光伏發(fā)電故障檢測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的搭建。

光伏發(fā)電故障檢測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)主要研究問題有以下兩點(diǎn)。

1）光伏發(fā)電故障檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計與搭建。

2）遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計與搭建。

為實現(xiàn)以上功能，本文設(shè)計的系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，由子節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和云平臺組成；軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、分析、展示和遠(yuǎn)程控制，包括網(wǎng)站和安卓軟件。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本部分將詳細(xì)介紹光伏發(fā)電故障檢測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，主要包括主控芯片的選型以及檢測采集模塊的具體設(shè)計。

2.1 核心微控制器設(shè)計

中央處理器主要用于實現(xiàn)對所選用的處理器的信息獲取，信息參數(shù)的測量按鍵輸入信息的捕獲，報警系統(tǒng)的控制以及上位機(jī)通信的處理。系統(tǒng)采用ST 公司的STM32G431RBT6 微控制器作為主控芯片。STM32系列單片機(jī)[3]具有高性價比、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的計算能力[4]能夠滿足本系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測和采集的需求。

2.2 溫濕度、光照傳感器設(shè)計

溫濕度、光照傳感器選用溫度、濕度、光照強(qiáng)度三合一工業(yè)級威盟士光照溫濕度變送器（485型）[5]，該產(chǎn)品采用高靈敏度的感光探頭，信號穩(wěn)定，精度高。具有測量范圍寬、線性度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。最大功耗：0.4W；溫濕度量程-40至+60℃，0%RH至80%RH;光照強(qiáng)度量程0～65535Lux，0～20萬Lux。采用基于串口通信的MOD?BUS協(xié)議，可通過RS485總線與主控芯片進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集。核心在于RS485為半雙工工作模式，不能同時進(jìn)行收發(fā)，需要通過控制485芯片控制位的GPIO引腳高低電平來間隔發(fā)送問詢幀和間隔接收傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)控制位引腳為高電平時為發(fā)送，低電平為接收，所以，需要開啟一個定時器來計時觸發(fā)中斷，這里設(shè)置計時1s，當(dāng)計時到1s則觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)里面，將標(biāo)志位置位1，在主程序中，根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行控制控制位的高低電平進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，從而獲取實時數(shù)據(jù)。

2.3 MPU6050姿態(tài)陀螺儀設(shè)計

MPU6050角度傳感器體積很小，但其功能十分強(qiáng)大。MPU6050[6]通過IIC協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信，傳遞偏移角度信息并加以計算即可獲取光伏電路板的實時X軸、Y軸及Z軸角度。根據(jù)光伏電板擺放的三維角度設(shè)置閾值，從而判斷光伏發(fā)電板是否倒下。

2.4電流互感器ZMCT103C模塊設(shè)計

在發(fā)電、變電、輸電、配電和用電的線路中電流大小懸殊，從幾安到幾萬安都有。為便于測量、保護(hù)和控制需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓一般都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到電流變換和電氣隔離作用。單片機(jī)通過內(nèi)部開啟的ADC接口與電路互感器OUT接口接線，傳感器電源接口接節(jié)點(diǎn)板的5V和GND，即可采集到光伏板的電流參數(shù)。

2.5 OLED顯示屏模塊選型設(shè)計

OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光的特性、可視角度大，功耗低、對比度高、厚度薄等特點(diǎn)。主控芯片通過SPI 協(xié)議與顯示模塊通信，即可控制OLED顯示各個實時參數(shù)供工作人員查看。

2.6 LORA 模塊選型設(shè)計

LoRa[7]擴(kuò)頻技術(shù)打破了傳輸功耗和傳輸距離之間的平衡，它給人們呈現(xiàn)了一個能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大系統(tǒng)容量、低硬件成本的全新通信技術(shù)。相對藍(lán)牙等無線通信，LORA具有更遠(yuǎn)的無線通信距離，本系統(tǒng)采集LORA進(jìn)行硬件本地組網(wǎng)[8]，將各個子節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)匯聚中心節(jié)點(diǎn)。首先設(shè)置LORA模塊的工作模式為透傳模式，將工作模式的M0、M1對應(yīng)的GPIO引腳設(shè)置為低電平即可，其次初始化單片機(jī)串口功能，子節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的波特率要一致。

2.7 4G DTU模塊選型設(shè)計

該模塊主要將中心節(jié)點(diǎn)收集到的子節(jié)點(diǎn)各參數(shù)打包上傳至服務(wù)器[9]。通信模式主要為透傳模式，即無轉(zhuǎn)化的直接轉(zhuǎn)發(fā)，通過上位機(jī)將連接至阿里云平臺的三元組進(jìn)行燒錄，從而將板子采集的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺。關(guān)鍵點(diǎn)在于編寫傳輸幀的格式為json 格式。

2.8 報警模塊設(shè)計

系統(tǒng)的報警電路設(shè)計，可以實現(xiàn)參數(shù)超過閾值的報警功能，蜂鳴器采用5V供電的蜂鳴器，通過GPIO口的高低電平即可控制它的聲響。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1軟硬件交互設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分與硬件部分通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)流向如圖2所示。硬件部分將采集到的數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，軟件部分通過調(diào)用平臺提供的API 接口獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲、分析和展示

3.2網(wǎng)站設(shè)計

網(wǎng)站設(shè)計基于Spring Boot 框架和阿里云IoT 平臺。它通過Sample類與阿里云IoT平臺進(jìn)行交互，獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過GetData類處理HTTP請求，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫或從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)。Identifier?InsertImpl類負(fù)責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)插入和查詢的服務(wù)邏輯，通過調(diào)用Sample類獲取數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫。頁面使用show.html 和show.js 展示數(shù)據(jù)，并提供交互功能。整體架構(gòu)清晰，功能模塊化，易于擴(kuò)展和維護(hù)，主要功能模塊如表1所示。

3.3 安卓軟件設(shè)計

安卓軟件基于MQTT 協(xié)議[10]與阿里云平臺通信，獲取并處理傳感器數(shù)據(jù)，然后在UI上顯示。軟件分為UI層、數(shù)據(jù)處理層和后端數(shù)據(jù)處理層。UI層使用線性布局和文本視圖顯示數(shù)據(jù)，背景為光伏發(fā)電背景圖。數(shù)據(jù)處理層包括MQTT協(xié)議的初始化、連接和消息處理。后端數(shù)據(jù)處理通過MQTT 協(xié)議與阿里云平臺通信，獲取并處理傳感器數(shù)據(jù)。Handler處理來自MQTT客戶端的消息，并在UI界面上更新數(shù)據(jù)和顯示連接狀態(tài)。主要功能模塊如表2所示。

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)的功能和性能，本文搭建了實驗環(huán)境，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試環(huán)境如下：

硬件平臺：STM32G431RBT6節(jié)點(diǎn)板及中心節(jié)點(diǎn)板設(shè)備

軟件平臺：安卓軟件及網(wǎng)站

測試數(shù)據(jù)：4G_DTU-temperture、4G_DTU-Light?Current、4G_DTU-Humidity

本文主要測試了系統(tǒng)的以下功能：

數(shù)據(jù)采集功能：安卓軟件實時顯示硬件采集數(shù)據(jù)如圖4

故障檢測功能：實時監(jiān)控光伏發(fā)電板是否倒下，如圖4移動端監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示中的姿態(tài)數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：網(wǎng)站頁面顯示采集的數(shù)據(jù)曲線圖，如圖3所示

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STM32微控制器的光伏發(fā)電故障檢測與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并通過遠(yuǎn)程平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠有效地檢測和預(yù)警光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)維效率。未來研究，我們將在系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，彌補(bǔ)系統(tǒng)的不足。