CN113050511A - 一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统，包括太阳能数据采集模块、数据处理模块、数据安全保护模块、远程供水控制模块以及用户管理模块。本发明针对偏远地区供水条件不足的特点，提出了一种基于IoT的太阳能远程控制系统，利用移动通信网络，向系统中的云端服务器传递数据，用户可以通过Web端和移动端等多种方式接入系统，对太阳能供水设备进行远程控制，实现远程智能控制。同时，本发明采用数据加密和用户对等认证的方式，保护系统中的用户隐私数据，防止太阳能设备或系统被非法控制，从而提高了系统的安全性。本发明还公开了一种基于IoT的太阳能供水远程控制方法，具有上述有益效果。

Description

一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法。

背景技术

据不完全统计，世界上目前没有供电的地区集中在工业欠发达地区，而这些地方往往面临着能源短缺、资源匮乏、自然环境恶劣等现状，加上这些地区也同时面临着电网铺设难度大、维护成本高等问题，这使得这些地区拥有较少的可持续电能供应。另外一方面这些工业欠发达地区主要经济是以农业或畜牧业为主，对农业用水的需求较高，同时生活用水也往往使用地下水供应，这使得这些地区对电能供水系统需求旺盛。

因此，为了保障正常的农业或畜牧业灌溉需求，也为了保障正常的生活用水需求，太阳能发电供水系统应运而生，获得了较大的市场需求。太阳能作为世界上最清洁的能源，它具有零污染、可再生、安全性高等特点，太阳能发电系统的技术也相对较为成熟，价格也较为低廉，这使得太阳能技术得到了广泛的应用，也为本项目的顺利实施提供必要的硬件条件。

在国内，以青藏高原地区为例，部分地区自然环境恶劣、电力基础设施薄弱等原因，电力供应一直比较紧张，用电成本也较高，部分地区采取晚间三小时供电，这不利于居民的生活，特别是供水系统，而青藏高原的绝大部分太阳能资源较为丰富，这也为太阳能供电系统的建设提供了必要基础。在这些地区建立太阳能系统，既可以方便该地区的居民用电需求，同时也能促进当地的农业和畜牧业的发展，实现自动化太阳能供水系统。

在国外，由于很多地区地广人稀，电力资源的分配非常不均匀，特别是很多农场，由于面积较广、位置偏远，架设电力系统成本较高，电力部门往往不会提供电力资源。另一方面，这些地区对农业或畜牧业水资源的需求较大，人工灌溉的效率低、人力资源成本较高等因素的影响，使得该地区对太阳能供水系统的需求较高。

另一方面，对于太阳能供水系统来说，用户需要实时掌握太阳能电池板的电压、电流、工作状态等信息，以便及时对异常事件处理，保证太阳能系统稳定正常运行。传统的太阳能监控采取的人工监控，耗费大量的人力资源成本的同时，得到的信息时效性也较差。

为了解决这些问题，本发明提出了一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法，主要针对国内外工业、农业、生活等太阳能供水需求的用户，利用传感器设备实现太能硬件数据收集，并将将数据返回给服务器处理，通过无线网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对太阳能设备的智能化感知、识别和管理，完成太阳能供水系统的远程控制操作。

发明内容

针对部分地区自然环境恶劣，电力基础设施薄弱以及工农业用水不便利的问题，本发明提出了一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法，使用太阳能设备进行远程供水控制，保证基本的工农业供水需求，其发明的具体内容如下所述。

一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统，包括以下内容：

系统初始化模块。移动终端、Web端和太阳能设备完成系统初始化后，会将移动终端和设备的初始化信息传递给服务器保存，用户通过移动端和Web端即可查看系统信息。

数据采集模块。该模块负责采集太阳能硬件设备中的电压、电流、功率、频率、运行状态等实时信息，以及采集太阳能设备的额定电压、额定功率、设备信息等基本信息；当数据信息采集完成后，系统中的云端服务器会将收集相关的信息推送到用户端设备。

数据处理模块。云端服务器负责对采集的数据进行处理工作，其处理的步骤为：

步骤1：服务器将数据的格式固定为8bit，组成64位数据，其中0-14位数据由机器型号生产的机器ID等基本信息，该信息唯一，通过ID，服务器可以解密对应的设备信息，包括机器的额定功率、电压、电流等；15-16位是控制单元数据，控制数据开机、关机、状态等；17-56位是太阳能设备的实时信息，包含电压、电流、运行状态、电机水位、错误码等；57-64位是预留位，方便今后数据的扩展。

步骤2：将数据发送方式写入到太阳能远程控制单元中，太阳能设备按预定方式给服务器发送数据，服务器通过对应位数对数据进行解码操作，将解码后的数据存入服务器，并将处理好的数据推送到用户端。

步骤3：太阳能设备运行出错时，机器会将错误码数据发送给服务器，服务器根据错误码解码出对应的问题，包括：电压偏低、频率不足、运行出错等，方便用户根据错误状态码，远程进行操作或处理，实现无人值守的目标。

数据安全保护模块；该模块主要对太阳能设备中的数据进行安全保护，在通信数据中，采用远程认证的方式，只允许合法用户进行设备远程操作；在云端服务器中，数据采用加密传输和存储，保证数据的安全性。

远程供水控制模块；系统中的移动终端和Web端通过太阳能供水系统的认证后，可以在对应终端中对太阳能设备进行远程控制，实现设备供水操作。

用户管理模块；该模块主要对用户进行管理，当用户数据异常时，可以对设备进行远程锁死操作，防止非法入侵系统；同时，该模块提供必要用户管理操作，如用户创建、用户修改、用户删除等。

一种基于IoT的太阳能供水远程控制方法，其具体内容包括：

系统初始化，太阳能远程供水控制系统对移动端或Web端的ID1、设备ID2进行初始化，并通过ID1判定系统的操作系统、状态等信息，通过ID2获取太阳能设备的额定功率、最大电压、最大电流、最大频率等基本信息；云端服务器根据系统中存储的设备ID2信息，判定太阳能设备的合法性，并仅允许合法设备接入云端服务器。

数据格式的制定方法，服务器和太阳能设备根据制定对应的数据格式，规定数据大小为64位，传输大小为8bit，数据进制为二进制0和1表示，其中0-14位数据由机器型号生成的机器ID等基本信息，该ID和所述初始化中的设备ID2相同，通过设备ID2，服务器可以解密对应的设备信息，包括机器的额定功率、电压、电流等；15-16位是控制单元数据，控制数据开机、关机、状态等；17-56位是太阳能设备的实时信息，包含电压、电流、运行状态、电机水位、错误码等；57-64位是预留位，方便今后数据的扩展；通过传输的电压U和电流I，根据计算公式E = UI，可以得到实时功率E。

太阳能设备错误码的制定方法，将64位数据中的54、55、56位标记为错误码，并约定000表示设备正常运行，无错误；001表示设备电压过低；010表示设备电压过高或超载；011表示设备电流状态异常；100表示频率异常；101表示太阳能水泵异常；110表示太阳能逆变器工作异常；111表示太阳能无法正常工作。

太阳设备的远程控制方法；用户通过移动终端或Web终端对太阳能系统进行远程操作时，通过15-16位的4位状态位进行远程控制，并将00表示设备关机状态；11表示设备已开机，并运行正常；01表示系统无法开机；10表示设备开机状态无法获取；用户完成远程开机或关机操作，只需将对应的状态码发送即可实现远程控制。

有益效果：

本发明公开一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法，包括太阳能数据采集模块、数据处理模块、数据安全保护模块、远程供水控制模块以及用户管理模块。本发明针对偏远地区供水条件不足的特点，提出了一种基于IoT的太阳能远程控制系统，利用移动通信网络，向系统中的云端服务器传递数据，用户可以通过Web端和移动端等多种方式接入系统，对太阳能供水设备进行远程控制，实现远程智能控制。同时，本发明采用数据加密和用户对等认证的方式，保护系统中的用户隐私数据，防止太阳能设备或系统被非法控制，从而提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明所述的基于IoT的太阳能供水远程控制系统架构图。

图2为本发明所述的IoT的太阳能供水远程控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于移动终端可信认证系统架构图，系统包含硬件模块和软件模块两部分。

其中硬件模块部分由太阳能电池板、传感器、逆变器、水泵和收发器组成，其中逆变器收集并控制太阳能电池板的电压、电流等状态，同时对传感器中的水位信息状态进行控制，最终控制水泵工作。

同时，太阳能电池板、逆变器、水泵和液位传感器可以人工手动进行操作，完成人工供水操作，方便用户在信号不佳的地区进行供水。

另外，无线收发装置是指可以通过蓝牙、WIFI、GPRS等无线连接方式进行数据传递的装置，在太阳能抽水远程监控系统中采用的是GPRS技术。

终端设备为逆变器，如果逆变器需要将实时数据传递给用户，就需要逆变器将数据发送给收发器(730)。收发器将逆变器发送过来的数据传递给移动信号基站，数据最终通过TCP/UDP连接传递到服务器上。

服务器与客户端进行数据沟通，如果需要控制太阳能设备，则由客户端传回数据给逆变器处理。

收发器会将硬件模块部分的信息发送到云服务器上，由云服务器和客户端进行交互。同时客户端可以根据太阳能硬件模块的状态，对其逆变器进行控制。

系统的软件模块，包括以下内容：

系统初始化模块。移动终端、Web端和太阳能设备完成系统初始化后，会将移动终端和设备的初始化信息传递给服务器保存，用户通过移动端和Web端即可查看系统信息。

数据采集模块。该模块负责采集太阳能硬件设备中的电压、电流、功率、频率、运行状态等实时信息，以及采集太阳能设备的额定电压、额定功率、设备信息等基本信息；当数据信息采集完成后，系统中的云端服务器会将收集相关的信息推送到用户端设备。

数据处理模块。云端服务器负责对采集的数据进行处理工作，其处理的步骤为：

步骤1：服务器将数据的格式固定为8bit，组成64位数据，其中0-14位数据由机器型号生产的机器ID等基本信息，该信息唯一，通过ID，服务器可以解密对应的设备信息，包括机器的额定功率、电压、电流等；15-16位是控制单元数据，控制数据开机、关机、状态等；17-56位是太阳能设备的实时信息，包含电压、电流、运行状态、电机水位、错误码等；57-64位是预留位，方便今后数据的扩展。

步骤2：将数据发送方式写入到太阳能远程控制单元中，太阳能设备按预定方式给服务器发送数据，服务器通过对应位数对数据进行解码操作，将解码后的数据存入服务器，并将处理好的数据推送到用户端。

步骤3：太阳能设备运行出错时，机器会将错误码数据发送给服务器，服务器根据错误码解码出对应的问题，包括：电压偏低、频率不足、运行出错等，方便用户根据错误状态码，远程进行操作或处理，实现无人值守的目标。

数据安全保护模块；该模块主要对太阳能设备中的数据进行安全保护，在通信数据中，采用远程认证的方式，只允许合法用户进行设备远程操作；在云端服务器中，数据采用加密传输和存储，保证数据的安全性。

远程供水控制模块；系统中的移动终端和Web端通过太阳能供水系统的认证后，可以在对应终端中对太阳能设备进行远程控制，实现设备供水操作。

用户管理模块；该模块主要对用户进行管理，当用户数据异常时，可以对设备进行远程锁死操作，防止非法入侵系统；同时，该模块提供必要用户管理操作，如用户创建、用户修改、用户删除等。

如图2所示，一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统原理图，图中显示了整个服务器处理数据的流程，其中服务组件的主要作用是：解码下位机(无线收发器)返回的信息，并返回给服务器；同时将服务器的数据传递给下位机执行，起到桥梁作用。

数据库主要处理用户的信息，以及存储太阳能设备的信息，包含用户对太阳能设备修改的信息。

在服务组件部分，当服务器收到客户终端的HTTP请求后，发出相应的控制指令给该服务组件，服务组件将服务器的控制翻译成设备可识别的指令，发送给太阳能设备，让逆变器控制太阳能系统，从而实现对机器的远程操控。同时太阳能设备执行完毕后返回需要解码的比特流，服务组件进行解码后将数据结果返回给服务器。

客户端和服务器交互部分。本系统的客户端包括Web端、Android端和iOS端，所有的客户端必须向服务器发送数据请求后，才能通过服务器调取相关的信息进行查看，同时对远程机器进行操作。

其中软件部分的具体实现方法内容包括：

系统初始化，太阳能远程供水控制系统对移动端或Web端的ID1、设备ID2进行初始化，并通过ID1判定系统的操作系统、状态等信息，通过ID2获取太阳能设备的额定功率、最大电压、最大电流、最大频率等基本信息；云端服务器根据系统中存储的设备ID2信息，判定太阳能设备的合法性，并仅允许合法设备接入云端服务器。

数据格式的制定方法，服务器和太阳能设备根据制定对应的数据格式，规定数据大小为64位，传输大小为8bit，数据进制为二进制0和1表示，其中0-14位数据由机器型号生成的机器ID等基本信息，该ID和所述初始化中的设备ID2相同，通过设备ID2，服务器可以解密对应的设备信息，包括机器的额定功率、电压、电流等；15-16位是控制单元数据，控制数据开机、关机、状态等；17-56位是太阳能设备的实时信息，包含电压、电流、运行状态、电机水位、错误码等；57-64位是预留位，方便今后数据的扩展；通过传输的电压U和电流I，根据计算公式E = UI，可以得到实时功率E。

太阳能设备错误码的制定方法，将64位数据中的54、55、56位标记为错误码，并约定000表示设备正常运行，无错误；001表示设备电压过低；010表示设备电压过高或超载；011表示设备电流状态异常；100表示频率异常；101表示太阳能水泵异常；110表示太阳能逆变器工作异常；111表示太阳能无法正常工作。

太阳设备的远程控制方法；用户通过移动终端或Web终端对太阳能系统进行远程操作时，通过15-16位的4位状态位进行远程控制，并将00表示设备关机状态；11表示设备已开机，并运行正常；01表示系统无法开机；10表示设备开机状态无法获取；用户完成远程开机或关机操作，只需将对应的状态码发送即可实现远程控制。

综上所述，本发明公开一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统及方法，包括太阳能数据采集模块、数据处理模块、数据安全保护模块、远程供水控制模块以及用户管理模块。本发明针对偏远地区供水条件不足的特点，提出了一种基于IoT的太阳能远程控制系统，利用移动通信网络，向系统中的云端服务器传递数据，用户可以通过Web端和移动端等多种方式接入系统，对太阳能供水设备进行远程控制，实现远程智能控制。同时，本发明采用数据加密和用户对等认证的方式，保护系统中的用户隐私数据，防止太阳能设备或系统被非法控制，从而提高了系统的安全性。

本发明中所叙述的具体实施方案仅仅是对本发明所做出的具体说明，本发明所属技术领域中的技术人员可以根据实际情况，对具体实施案例做出对应的修改、补充或采取相似方式替换，但这并不会偏离本发明的精神或超出权利要求书中的定义范围。

Claims (2)

1.一种基于IoT的太阳能供水远程控制系统，其特征在于，包括：

系统初始化模块；移动终端、Web端和太阳能设备完成系统初始化后，会将移动终端和设备的初始化信息传递给服务器保存，用户通过移动端和Web端即可查看系统信息；

数据采集模块；该模块负责采集太阳能硬件设备中的电压、电流、功率、频率、运行状态等实时信息，以及采集太阳能设备的额定电压、额定功率、设备信息等基本信息；当数据信息采集完成后，系统中的云端服务器会将收集相关的信息推送到用户端设备；

数据处理模块；云端服务器负责对采集的数据进行处理工作，其处理的步骤为：

步骤1：服务器将数据的格式固定为8bit，组成64位数据，其中0-14位数据由机器型号生产的机器ID等基本信息，该信息唯一，通过ID，服务器可以解密对应的设备信息，包括机器的额定功率、电压、电流等；15-16位是控制单元数据，控制数据开机、关机、状态等；17-56位是太阳能设备的实时信息，包含电压、电流、运行状态、电机水位、错误码等；57-64位是预留位，方便今后数据的扩展；

步骤2：将数据发送方式写入到太阳能远程控制单元中，太阳能设备按预定方式给服务器发送数据，服务器通过对应位数对数据进行解码操作，将解码后的数据存入服务器，并将处理好的数据推送到用户端；

步骤3：太阳能设备运行出错时，机器会将错误码数据发送给服务器，服务器根据错误码解码出对应的问题，包括：电压偏低、频率不足、运行出错等，方便用户根据错误状态码，远程进行操作或处理，实现无人值守的目标；

数据安全保护模块；该模块主要对太阳能设备中的数据进行安全保护，在通信数据中，采用远程用户认证的方式，只允许合法用户进行设备远程操作；在云端服务器中，数据采用加密传输和存储，保证数据的安全性；

远程供水控制模块；系统中的移动终端和Web端通过太阳能供水系统的认证后，可以在对应终端中对太阳能设备进行远程控制，实现设备供水操作；

用户管理模块；该模块主要对用户进行管理，当用户数据异常时，可以对设备进行远程锁死操作，防止非法入侵系统；同时，该模块提供必要用户管理操作，如用户创建、用户修改、用户删除等。

2.根据权利1中所述的系统，一种基于IoT的太阳能供水远程控制方法，其特征在于，包括：

系统初始化，太阳能远程供水控制系统对移动端或Web端的ID1、设备ID2进行初始化，并通过ID1判定系统的操作系统、状态等信息，通过ID2获取太阳能设备的额定功率、最大电压、最大电流、最大频率等基本信息；云端服务器根据系统中存储的设备ID2信息，判定太阳能设备的合法性，并仅允许合法设备接入云端服务器；

数据格式的制定方法，服务器和太阳能设备根据制定对应的数据格式，规定数据大小为64位，传输大小为8bit，数据进制为二进制0和1表示，其中0-14位数据由机器型号生成的机器ID等基本信息，该ID和所述初始化中的设备ID2相同，通过设备ID2，服务器可以解密对应的设备信息，包括机器的额定功率、电压、电流等；15-16位是控制单元数据，控制数据开机、关机、状态等；17-56位是太阳能设备的实时信息，包含电压、电流、运行状态、电机水位、错误码等；57-64位是预留位，方便今后数据的扩展；通过传输的电压U和电流I，根据计算公式E = UI，可以得到实时功率E；

太阳能设备错误码的制定方法，将64位数据中的54、55、56位标记为错误码，并约定000表示设备正常运行，无错误；001表示设备电压过低；010表示设备电压过高或超载；011表示设备电流状态异常；100表示频率异常；101表示太阳能水泵异常；110表示太阳能逆变器工作异常；111表示太阳能无法正常工作；

太阳设备的远程控制方法；用户通过移动终端或Web终端对太阳能系统进行远程操作时，通过15-16位的4位状态位进行远程控制，并将00表示设备关机状态；11表示设备已开机，并运行正常；01表示系统无法开机；10表示设备开机状态无法获取；用户完成远程开机或关机操作，只需将对应的状态码发送即可实现远程控制。

Images