雷 旺，李 鵬，江海濤，羅 琦2，付亞宇

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

太陽能是一種廣泛、可再生的綠色清潔能源，太陽能的高效利用成為全球可再生能源開發(fā)利用和研究的熱點(diǎn)[1]。發(fā)展同時(shí)滿足家庭電能和熱能需求的太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)是未來太陽能分布式應(yīng)用的重要方向[2-3]，而采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將地域分散、小規(guī)模的家庭太陽能供能系統(tǒng)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)集中式的監(jiān)控和維護(hù)具有重要的意義。研發(fā)一種遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)對太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)的測量和狀態(tài)監(jiān)測具有很高的實(shí)用價(jià)值。

本系統(tǒng)以武漢某家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)為例，現(xiàn)場設(shè)備與數(shù)據(jù)采集器間采用ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)方式組網(wǎng)[4]，數(shù)據(jù)采集器所采集數(shù)據(jù)通過家庭網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器[5-6]，用戶PC終端通過訪問云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)太陽能供能系統(tǒng)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)、供熱水參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，對家庭全天候穩(wěn)定的供電、供熱水質(zhì)量的穩(wěn)定提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，對太陽能高效利用和節(jié)能減排的研究具有重大意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 太陽能聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)組成

家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)是用于家庭實(shí)現(xiàn)電-熱聯(lián)供的太陽能熱泵系統(tǒng)，包括太陽能電熱聯(lián)產(chǎn)組件、逆變器、空氣源熱泵、水箱、水泵、水閥及熱水控制器等組成部分，如圖1所示。

圖1 家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)圖

家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)各部分介紹如下：

太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)組件：一種PV/T組件，高效地綜合利用太陽能進(jìn)行發(fā)電、集熱，是太陽能供能系統(tǒng)的核心產(chǎn)能設(shè)備。

逆變器：將太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)組件產(chǎn)生的直流電變換為交流電，以供家庭內(nèi)部使用或并入電網(wǎng)，并且能夠作為太陽能電站的數(shù)據(jù)采集裝置?？諝庠礋岜茫阂环N節(jié)能熱水制取裝置，在太陽能不足時(shí)輔助加熱用，以保證家庭全天候穩(wěn)定的熱水供應(yīng)。水箱：用來貯存用水，具有蓄熱的功能。水泵：用來輸送水或給水增壓。水閥：對管道中水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。熱水控制器：根據(jù)各出入口節(jié)點(diǎn)的溫差、流量等來控制系統(tǒng)熱水的產(chǎn)出和供應(yīng)，并且能夠作為熱水供暖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供云監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)基于云計(jì)算的監(jiān)測平臺，要求用戶能夠跨區(qū)域通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對家庭太陽能聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測[7]，進(jìn)而評估系統(tǒng)的電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供情況，還能隨時(shí)查看相關(guān)參數(shù)的歷史計(jì)量數(shù)據(jù)。

該監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)測不同[8]，由數(shù)據(jù)采集模塊、云服務(wù)器和客戶終端應(yīng)用程序三部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊采集到太陽能供能系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)后，將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器并存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫，用戶在客戶終端實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。

1.2 系統(tǒng)通訊方式

數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊通過家庭網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器，客戶終端同樣是通過網(wǎng)絡(luò)訪問云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，這過程主要用到成熟的TCP/IP協(xié)議的Socket接口通信[9]?？紤]到監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性，避免布線干擾，數(shù)據(jù)采集模塊中采用無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文選用了具有自組網(wǎng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)短距離的ZIGBEE無線通信技術(shù)，ZIGBEE功耗低，傳輸距離可以由ZIGBEE節(jié)點(diǎn)作為中繼無限延伸。由于逆變器、熱水控制器等現(xiàn)場設(shè)備均支持Modbus通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)采集模塊中將Modbus-RTU作為通信協(xié)議[10-11]。Modbus協(xié)議是一種主從模式的通訊協(xié)議，在同一時(shí)間，系統(tǒng)內(nèi)僅有一個(gè)Modbus主機(jī)，卻能夠有多個(gè)Modbus從機(jī)。Modbus請求和響應(yīng)報(bào)文都是由設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)以及差錯(cuò)校驗(yàn)組成，主機(jī)發(fā)送請求消息報(bào)文，從機(jī)響應(yīng)并將數(shù)據(jù)按照編碼發(fā)送返回到主機(jī)。

Modbus-RTU幀格式其中地址表示Modbus從機(jī)的唯一地址，功能代碼表示消息幀的功能(例如03和06功能碼分別表示操作保持寄存器的讀和寫)，數(shù)據(jù)包括N個(gè)8位字節(jié)，CRC校驗(yàn)是一種循環(huán)冗余的差錯(cuò)校驗(yàn)方式。

1.3 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)是一種分布式的家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)和熱水供暖系統(tǒng)，現(xiàn)場采集設(shè)備由逆變器、熱水控制器、環(huán)境參數(shù)傳感器和用于安防監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)攝像頭等構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集器完成對逆變器、熱水控制器和環(huán)境參數(shù)傳感器的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場采集設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳保存在云端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用戶在PC客戶終端通過網(wǎng)絡(luò)訪問云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對家庭太陽能的電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供情況的監(jiān)測。

家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、云服務(wù)器和客戶終端三個(gè)部分?？傮w架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由現(xiàn)場設(shè)備及傳感器、ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)模塊、數(shù)據(jù)采集器以及串口轉(zhuǎn)WIFI模塊組成。數(shù)據(jù)采集器通過Modbus協(xié)議獲取現(xiàn)場設(shè)備及傳感器的數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)采集器為Modbus主機(jī)，現(xiàn)場設(shè)備及傳感器為Modbus從機(jī)，ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)模塊工作時(shí)，自動(dòng)組建ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從現(xiàn)場設(shè)備及傳感器部分到數(shù)據(jù)采集器之間的透明傳輸。串口轉(zhuǎn)WIFI模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入與上傳，模塊連接家庭WIFI后，通過網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)采集器發(fā)送來的數(shù)據(jù)傳輸上傳到云端。

數(shù)據(jù)采集器是數(shù)據(jù)采集模塊的核心，由STC12C5A60S2雙串口單片機(jī)作為Modbus主機(jī)，通過串口1以輪詢的方式主動(dòng)向現(xiàn)場設(shè)備及傳感器部分請求讀取Modbus從機(jī)數(shù)據(jù)，然后按照一定的格式通過串口2將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給串口轉(zhuǎn)WIFI模塊。

數(shù)據(jù)采集器的串口1用于向現(xiàn)場設(shè)備及傳感器發(fā)送Modbus請求并接收返回的Modbus數(shù)據(jù)幀，串口2通過串口線與串口轉(zhuǎn)WIFI模塊相連將單片機(jī)處理打包的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到串口轉(zhuǎn)WIFI模塊。

首先，數(shù)據(jù)采集器的串口1發(fā)送Modbus請求消息，相應(yīng)設(shè)備地址的從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)通過后，在從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)幀的末尾加上一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)分位打包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)區(qū)分位的格式為0x0A、0x0B、0x0C等，以便于服務(wù)器端的解析，最后串口2轉(zhuǎn)發(fā)打包好的數(shù)據(jù)。采集流程如圖4所示。

2.2 云服務(wù)器設(shè)計(jì)

本文家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)云監(jiān)測的云平臺選擇阿里云CES服務(wù)器，在阿里云CES部署本系統(tǒng)的TCP服務(wù)器程序和MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)家庭太陽能供能系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)及對用戶終端的請求響應(yīng)[12]。TCP服務(wù)器使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，接收數(shù)據(jù)的軟件流程如圖4所示。

圖4 TCP服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的軟件流程

云服務(wù)器采用MySQL作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于存儲(chǔ)家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。主要包括用戶信息數(shù)據(jù)，設(shè)備關(guān)系數(shù)據(jù)，逆變器數(shù)據(jù)，熱水控制器數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及警示信息數(shù)據(jù)。服務(wù)器的功能是接收和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并對客戶端的請求做出響應(yīng)。云服務(wù)器由云服務(wù)器程序和云數(shù)據(jù)庫組成，云服務(wù)器程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集模塊上傳的數(shù)據(jù)并連接云數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云數(shù)據(jù)庫，并且將云服務(wù)器部署在公網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨區(qū)域的異地訪問。

2.3 用戶應(yīng)用層

家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)監(jiān)測終端為PC端，用戶能夠在客戶機(jī)上查看家庭太陽能供能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和電量、水量等警示信息。在Windows操作系統(tǒng)中，利用Visual Studio開發(fā)平臺基于Visual Basic .Net語言開發(fā)一種面向?qū)ο蟮脑票O(jiān)測軟件作為本文的客戶終端。

客戶終端軟件采用TCP協(xié)議連接阿里云服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫，從云端數(shù)據(jù)庫獲取家庭太陽能站的發(fā)電功率、發(fā)電量、輻照、風(fēng)速、環(huán)境溫度、水流量、水溫以及水箱的水位、水溫等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)狀態(tài)圖上。同時(shí)，用戶能夠在PC端查看歷史數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。此外，客戶終端還能夠登錄網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)現(xiàn)對家庭太陽能供能狀態(tài)的視頻監(jiān)控。

基于.Net設(shè)計(jì)的客戶端軟件，作為家庭太陽能供能系統(tǒng)云監(jiān)測的重要部分，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。

(1)用戶登錄：通過正確的用戶名和密碼進(jìn)入客戶端軟件，獲取數(shù)據(jù)時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)用戶名從數(shù)據(jù)庫匹配相應(yīng)用戶的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)系統(tǒng)狀態(tài)：系統(tǒng)演示能夠動(dòng)態(tài)直觀地演示太陽能供能系統(tǒng)的運(yùn)行情況；天氣情況欄自動(dòng)更新城市天氣、溫度以及風(fēng)向、濕度、紫外線、空氣質(zhì)量等天氣實(shí)況信息；通過客戶端軟件可以連接云端MySQL數(shù)據(jù)庫，每分鐘獲取并更新顯示家庭太陽能供能系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)、供熱水參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(3)歷史報(bào)表：歷史數(shù)據(jù)表格與云端MySQL數(shù)據(jù)庫綁定，按時(shí)間篩選數(shù)據(jù)，顯示歷史數(shù)據(jù)情況，包括時(shí)間、輸出功率、逆變器效率、全輻照、直射輻照、風(fēng)速、環(huán)境溫度、各出入口節(jié)點(diǎn)的水溫及流量、水箱水量等數(shù)據(jù)；發(fā)電量圖從逆變器數(shù)據(jù)表獲取當(dāng)前月份的日發(fā)電量，以柱狀圖的形式顯示；溫度曲線顯示客戶端軟件實(shí)時(shí)更新的溫度曲線走向。

(4)視頻監(jiān)控：通過動(dòng)態(tài)IP地址和端口登錄網(wǎng)絡(luò)攝像頭，能夠?qū)崟r(shí)預(yù)覽視頻監(jiān)控畫面；右鍵能夠?qū)崿F(xiàn)抓圖功能，選擇保存畫面為JPEG或BMP格式圖片；云臺控制能夠通過按鍵調(diào)整網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視角和焦距，查看清晰的視頻畫面。

(5)報(bào)警信息：顯示參數(shù)報(bào)警信息的代碼及描述，幫助用戶排查異常。

由以上介紹可以知道客戶終端軟件的基本功能，圖5為客戶終端軟件的總體流程圖。

圖5 客戶終端軟件總體流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

在各部分模塊分析設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了系統(tǒng)的測試。家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測客戶端軟件主界面包括四大子界面，它們分別是：系統(tǒng)狀態(tài)、歷史報(bào)表、視頻監(jiān)控、報(bào)警信息。

如圖6所示為系統(tǒng)的四個(gè)子界面，系統(tǒng)狀態(tài)頁面主要包含天氣狀況、系統(tǒng)簡圖以及家庭太陽能站的發(fā)電參數(shù)、供熱水參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、輸出功率、逆變器效率、全輻照、直射輻照、風(fēng)速、環(huán)境溫度、各出入口節(jié)點(diǎn)的水溫及流量、水箱水量等數(shù)據(jù)；

圖6 系統(tǒng)測試頁面

左上角圖為歷史報(bào)表，其中發(fā)電量圖從逆變器數(shù)據(jù)表獲取當(dāng)前月份的日發(fā)電量，以柱狀圖的形式顯示；溫度曲線顯示客戶端軟件實(shí)時(shí)更新的溫度曲線走向。打開更新數(shù)據(jù)開關(guān)，軟件會(huì)連接云端數(shù)據(jù)庫，每分鐘更新顯示發(fā)電參數(shù)、供熱水參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

右下角圖為視頻監(jiān)控畫面，各參數(shù)設(shè)置完成后打開實(shí)時(shí)預(yù)覽開關(guān)，還可以根據(jù)需要通過右側(cè)的云臺控制來調(diào)整視角和焦距。

最后為報(bào)警信息頁面，描述并記錄系統(tǒng)異常，幫助查找故障原因，讓太陽能電熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

為滿足對家庭太陽能電-熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、分析以及智能管理的需求，研究了一種基于云平臺的太陽能遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率、發(fā)電效率、太陽熱能系統(tǒng)水溫等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測。未能對家庭能耗進(jìn)行有效的質(zhì)量評估和管理指導(dǎo)，沒有開發(fā)平板或手機(jī)移動(dòng)端監(jiān)測軟件需進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)與測試。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試可知，本監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能，可以隨時(shí)隨地掌握家庭太陽能供能系統(tǒng)的運(yùn)行情況并對可能出現(xiàn)的異常做出及時(shí)的處理，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)空的局限性，可擴(kuò)展性強(qiáng)， 對太陽能供能系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。