基于云计算的GPRS风光互补控制器监控系统的设计与实现

赵小龙，张为民

（1.安徽工业经济职业技术学院 计算机科学技术系，安徽 合肥 230051；2.合肥为民电源有限公司，安徽 合肥 230088）

基于云计算的GPRS风光互补控制器监控系统的设计与实现

赵小龙1，张为民2

（1.安徽工业经济职业技术学院 计算机科学技术系，安徽 合肥 230051；2.合肥为民电源有限公司，安徽 合肥 230088）

本文设计一种基于云计算的GPRS风光互补控制器的监控系统，该系统由云服务器端程序、客户端监控程序、风光互补控制器、GPRS模块等构成，风光互补控制器采用单片机完成风机、太阳能电池板的数据采集，数据通过GRPS模块发送到云服务器，云服务器程序和客户端监控程序交互，完成数据的下发和采集，通过云服务器，提高了程序的读写能力，监控性能得到了优化和提高，简化了现在工业监控GPRS复杂的配置程序，提升了监控性能，减少了维护成本，随时随地实现远程控制器的故障排除，企业在实际应用中，性能稳定可靠。

云计算；GRPS；风光互补控制器；监控系统

随着经济快速发展，环境越来越恶化，雾霾肆虐。国家十三五规划中实施污染防治行动，制定空气质量达标计划，大力发展绿色环保产业，推广节能环保产品。太阳能和风能是清洁能源，新能源节能产品的综合开发已纳入国家战略性新兴产业发展规划。

风光互补控制器是风能和太阳能能源采集的核心部件，广泛应用于照明工程、发电基站、通信基站、船舶、污水处理、高速公路等供电系统。控制器作为离网型供电系统的关键部件，它的稳定性和性能决定了供电系统状态，监控控制器的数据、性能、故障排除等就非常重要[1-2]。

现行的工业系统采用的GPRS无线监控，GPRS模块要通过专门的软件来进行配置，配置指令复杂，同时对客户端监控软件也要进行相应的配置，客户对这些配置不熟悉，容易出错且花费较长时间摸索[3-4]。

本文设计一种基于云计算的GPRS风光互补控制器的监控系统，该系统通过云服务器，提高了程序的读写能力，监控性能得到了优化和提高，通过GPRS对风光互补控制器的维护提供了一个更加便捷的通道，简化了现行工业监控GPRS复杂的配置程序，提升了监控性能，减少客户维护成本，实现随时随地控制器的故障排除。

1 总的架构设计

基于云计算的GPRS风光互补控制器监控系统，包括云服务器、风光互补控制器、GPRS模块、客户端桌面监控、手机监控等，总体机构设计系统如图1。

图1 基于云计算的GPRS风光互补控制器监控系统的设计架构

该系统通过风光互补控制器的单片机完成风能、太阳能电池板的数据采集，数据通过RS232/ 485总线进入GPRS模块，无线发送到云服务器端，云服务器程序和客户端监控程序交互，完成数据的下发和采集。GPRS模块不需要进行配置，在出厂前贴有标签上指明该GPRS模块连接云服务器端的ID和Password，客户端监控软件只要输入监控相应的GPRS模块的ID和Password就可以监控系统的发电状态。

2 硬件设计

风光互补控制器发电系统设备主要有：光伏阵列、风力发电机组、风光互补控制器、逆变器组、大容量蓄电池组和交流、直流负载等。风光互补控制器采用16F1947单片机，由防反冲电路、电子开关电路、驱动电路、卸荷电路、工频升压电路和逆变电路等部分构成[5-8]，如图2。

图2 风光互补控制器发电系统框图

风光互补控制器系统主要包括风光互补控制器和GPRS模块的连接。由单片机、供电电路、通信接口、SIM卡、SIM900A和GSM模块构成，风光互补控制器通过单片机MCU-16F1947，采集相关数据，通过串口RS232进入SIM900A控制模块，SIM900A通过SIM卡和GSM模块实现RS232采集数据转换为无线数据传输。风光互补控制器单片机与GPRS控制模块的硬件原理见图3所示。Mcu-16F1947通过引脚4、5和SIM900A模块引脚10、9相连，完成数据RS232的传输。通过第4TX2、5RX2引脚连接SIM900A模块的第10RXD、第9TXD引脚，将RS232数据转换成GPRS无线数据发送给云服务器端程序接受。

3 软件设计

该系统的软件设计主要包括三大部分，嵌入式程序、云服务器端程序和客户端监控程序。嵌入式程序主要是风光互补控制器的单片机程序和GPRS模块的单片机程序部分，客户端监控程序包括：桌面监控程序和移动手机监控程序。

3.1 GPRS控制模块嵌入式软件设计

GPRS模块嵌入式设计流程分为两个部分，GPRS模块连接控制器的单片机部分和GPRS模块和云服务器程序完成数据的读写的部分。具体又分为启动开机、控制器管理、短信监听、网络管理、网络数据监听和控制器回复监听流程等几个方面。首先，初始化GPRS模块，读取设备的ID号，完成开机初检。进入主程序循环，开始控制器管理流程，读取控制器参数，解析控制器参数，然后循环读取数据模块。如果GPRS模块和云服务器端程序完成数据的读写，需要完成网络管理配置，进行网络初始化，打开网络连接，将GPRS模块注册到云服务器等操作，并完成网络数据监听流程，监听网络数据，收到服务器端程序发送过来的数据，解析数据并转发给控制器。控制器收到数据并给出返回数据，解析并返回给云服务器端程序。

图3 单片机与GPRS模块的硬件原理电路图

GRPS模块是通过短信的方式来修改控制器的设备的ID号和Password密码，流程见图4。

图4 短信监听流程图

GPRS模块在出厂的时候，就写好了该模块的ID和Password密码，如果用户更改用户名和密码可以通过编辑短信的形式来进行更改，更改后GPRS模块自动将该ID和Password密码在云服务器程序中进行注册。

3.2 云服务器端程序设计

云服务器端程序包括服务器端监听接受、线程管理网络链接和线程资源回收等三个部分。主服务器通过服务器端套接字进行监听和接受客户端的申请连接，采用动态数组的来接受存放网络套接字，并接受客户端请求。同时创建线程管理网络连接，线程管理网络连接流程见图5。

资源回收线程，是一种自毁线程，可以关闭网络管理连接线程和自身线程，同时定时监听网络是否有错误、数据超时、长时间有无心跳包等。该线程启动关闭管理，将当前套接字移除动态数组，并关闭自身线程。

3.3 客户机程序设计

客户端监控程序分为移动客户端和PC客户端程序，都是通过Socket编程来实现，客户端监控程序向云服务器程序发送连接请求，服务器接收请求，这样客户端和云服务器端建立网络通讯通道，验证客户端程序发送过来的ID和Password密码，如果云服务程序在数据库中找到相应的ID和Password密码，则验证通过。客户端监控程序下发读写指令并通过云服务端程序、GPRS模块读取风光互补控制器的数据，流程见图6。

4 测试结果

本文以PC端监控软件作为客户端，服务端程序安装在阿里云服务器上，IP地址：115.124. 16.13，端口号：64250，风光互补控制器采用合肥为民电源有限公司的生产的48 V、600 W机型，GPRS模块的型号：SIM900A，ID：GPRS00000001，Password：11111；表1为性能测试指标。

图5 线程管理网络连接流程图

图6 客户端监控程序流程图

表1 监控软件性能测试指标

PC客户端监控软件采集数据如图7。PC端监控软件可以采集蓄电池、光伏和风能的电压、电流及功率，每日的发电量和年、月的发电量的累积值，同时还能显示碳减排值。

图7 监控软件数据采集界面截图

5 总结

工业监控系统中，利用GPRS实现无线监控，企业提供一个GPRS模块监控配置程序和使用说明书，按照说明书一步一步进行配置，配置步骤繁琐复杂，使一些用户特别对GPRS模块软硬件不熟悉的用户，使用起来非常困难，配置容易出错。针对这种情况，本文采用了云服务器程序解决了工业中采用GPRS无线监控的复杂的配置过程，简化了客户操作过程，客户只要在PC段和移动手机端输入出厂配置好的粘贴在GPRS模块标签上的ID和Password密码，就直接可以监控了。客户也可以通过发送短信的方式改变GPRS的ID和Password密码。云服务器程序提高监控程序的性能，保证随时随地通过客户端来监控控制器的数据，随时可以调试、巡检风光互补控制器，并对出现的故障及时解决，降低了维护成本，促进行业的发展。

[1]杜荣华，张 婧，王丽宏，等.风光互补发电系统简介[J].节能，2007，26（3）：36-38．

[2]都志杰.可再生能源离网独立发电技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2009：3-4．

[3]郑江送，徐建军，李世中，等.运用单片机及GSM模块的远程温度采集系统设计[J].现代制造工程，2012（11）：84-86．

[4]赵玉江，林 君，杨泓渊，等.基于GPRS的无缆地震仪远程监控系统[J].仪表技术与传感器，2014（10）：75-77．

[5]张为民.基于网络接口技术风光互补控制器系统的设计[J].微型机与应用，2013，32（10）：17-19．

[6]张为民，赵小龙.基于SD卡文件记录的风光互补控制器系统的研制[J].电子技术，2013，40（4）：21-23．

[7]赵小龙，张为民.Modbus协议在风光互补控制器中的应用研究[J].安庆师范学院学报(自然科学版)，2014，20（2）：62-65,69．

[8]赵小龙，张为民.基于Android平台的智能监控风光互补控制器系统的设计与实现[J].阜阳师范学院学报(自然科学版)，2014，31（1）：59-62．

Design and implementation of an intelligent monitoring system of GPRS wind solar hybrid controller based on cloud computing

ZHAO Xiao-long1,ZHANG Wei-min2
(1.Department of Computer Science&Technology,Anhui Technical College of Industry and Economy,Hefei Anhui230051, China;2.Hefei Weimin Power Co.,Ltd.,Hefei Anhui230088,China)

This paper designs a monitoring system based on cloud computing of GPRS wind solar hybrid controller.The system consists of a cloud server,client monitoring program,wind solar hybrid controller and GPRS module.Wind solar hybrid controller uses MCU to complete the data collection of wind and solar panels.The data will be sent to the cloud server via GRPS module,the cloud server program interacts with the client monitoring program to complete data collection and data acquisition. The cloud server improves the reading and writing ability of the program,optimizes and improves the monitoring performance, simplifies the complicated industrial monitoring GPRS configuration procedures,promotes the monitoring performance and reduces the maintenance cost,thus,making it possible to realize troubleshooting anytime and anywhere with the remote control, which will be stable and reliable in its application in the enterprises.

cloud computing;GPRS;wind solar hybrid controller;monitoring system

TP319

：A

：1004-4329（2016）04-074-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2016)04-074-04

2016-07-11

安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2016A107）；安徽省教学研究重点项目(2014jyxm588)；省级精品资源共享课程（2015gxk123）；校教学团队项目（2015YJTD01）资助。

赵小龙（1974- ），男，硕士，副教授，研究方向：人工智能、算法设计、嵌入式软件研发。