一、项目介绍和创意介绍

项目名称

光伏运行参数监测系统

项目简介

本项目设计并实现了一套基于STM32F103C8T6微控制器与ESP32物联网模块的光伏运行参数监测系统。系统实时采集光伏电池板的输出电压、输出电流、环境温度以及光照强度，通过0.96寸OLED屏幕进行本地集中显示。用户可通过三个按键灵活设置温度报警阈值，当温度超过阈值时，系统自动触发声光报警（蜂鸣器+LED）。长按按键可进入历史数据查看模式，浏览最近100组采集记录。所有实时数据（温度、电压、电流、光照）通过UART发送至ESP32，ESP32支持WiFiManager一键配网（保存配置至Flash），并通过点灯科技（Blinker）平台上传至云端，用户使用手机APP即可远程查看光伏系统运行状态。本系统适用于小型光伏电站监控、太阳能路灯管理、户外光伏实验教学等场景。本项目完成了2026 M-Design设计竞赛的任务四

创新点

• 多参数融合监测：集成电压、电流、温度、光照四类关键参数，全面评估光伏组件工作状态。
• 声光报警+阈值可调：用户按键设置温度上限，超限后蜂鸣器与LED双重报警，避免光伏板过热损坏。
• 历史数据存储与回看：系统循环存储最近100组数据，长按按键即可翻阅历史温度、电压、电流、光照值，便于故障追溯。
• 物联网云监控：ESP32采用WiFiManager实现Web配网，配置信息掉电保存；点灯科技APP实时显示四维数据
• 低功耗本地显示：OLED采用I2C接口，刷新周期1秒，兼顾实时性与功耗。

二、硬件介绍

主要硬件组件

• 主控芯片：STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3内核，72MHz）
• 物联网模块：ESP32-WROOM-32（WiFi+蓝牙，用于配网与云上传）
• 传感器：
• • 电压/电流检测：INA226（高精度双向电流/功率监测，I2C接口）
  • 温度检测：DS18B20（数字温度传感器，单总线）
  • 光照检测：BH1750（数字光照强度，I2C接口）
• 显示模块：0.96寸OLED（I2C接口，128×64分辨率）
• 交互模块：3个轻触按键（设置键、增加键、减少键）
• 报警模块：有源蜂鸣器（3.3V）、红色LED
• 电源：5V直流输入，经LDO为系统供电

硬件连接说明

• STM32与INA226：I2C1（PB6-SCL，PB7-SDA），地址0x40
• STM32与BH1750：I2C1（与INA226共用总线），地址0x23
• STM32与OLED：I2C2（PB10-SCL，PB11-SDA），地址0x3C
• STM32与DS18B20：单总线GPIO（例如PA0，代码中为DS18B20_Init2()）
• STM32与按键：PA8 PA12 PB3
• STM32与报警：
• • 蜂鸣器：PA1（高电平鸣叫）
  • LED：PA2（高电平点亮）
• STM32与ESP32：UART1（PA9-TX，PA10-RX），波特率115200
• ESP32额外引脚：
• • GPIO9：配网按键（低电平触发，重新进入配网模式）

三、方案框图和项目设计思路

方案框图

设计思路

系统遵循“采集-处理-本地显示-云端上报”的架构：

1. 采集层：
2. • INA226检测光伏输出电压（0~27V，可扩展分压）和输出电流（量程±3.2A，分流电阻0.1Ω）。
   • DS18B20测量环境温度（-55~125℃，精度±0.5℃）。
   • BH1750测量光照强度（1~65535 lux）。
2. 处理与决策层：
3. • STM32每1秒读取所有传感器数据。
   • 与用户通过按键设定的温度阈值比较：若温度 ≥ 阈值，则拉高PA1（蜂鸣器）和PA2（LED）进行声光报警；否则关闭报警。
   • 数据打包成字符串格式（例如t25.5v12.34i123.45p 567.8），通过UART发送给ESP32。
3. 本地交互层：
4. • OLED四行显示实时温度、电压、电流、光照。
   • 短按设置键进入阈值设置界面，按增加/减少键修改阈值，再次短按保存并返回主界面。
   • 长按设置键（≥800ms）进入历史数据查看模式，按增加/减少键翻阅最近100组存储的数据。
4. 云端传输层：
5. • ESP32上电后尝试读取Flash中保存的WiFi SSID/密码和Blinker设备密钥。
   • 若成功连接WiFi则初始化Blinker，每1秒接收STM32串口数据并推送到APP。
   • 若连接失败或用户按下GPIO9配网键，ESP32启动WiFiManager配网门户（ESP32-Config），用户通过手机配置后保存至Flash并重启。

四、原理图和PCB设计介绍

原理图设计特点

• 高精度电流采样：选用0.1Ω大功率分流电阻（2W），INA226内置16位ADC，可检测±3.2A电流，分辨率约0.1mA。IN+和IN-差分走线至分流电阻两端。
• 电压检测：INA226的VBUS引脚直接测量光伏输出电压（经分压电阻匹配至36V以内），本设计可直接连接锂电池或光伏输出。
• 双I2C总线：INA226和BH1750挂载在I2C1，OLED挂载在I2C2，避免地址冲突并提高刷新速度。
• 按键硬件消抖：每个按键软件配合10ms定时器去抖。
• 报警驱动：蜂鸣器和LED使用STM32的PA1/PA2输出高电平即可驱动。
• 串口电平匹配：STM32和ESP32均为3.3V逻辑，可直接连接TX/RX。

PCB设计介绍

五、软件流程图和关键代码介绍

软件流程图

1. STM32初始化：
2. • 时钟、GPIO、I2C、UART、定时器初始化。
   • OLED初始化并清屏。
   • DS18B20初始化（检测传感器）。
   • INA226初始化（配置量程、转换时间、平均值模式）。
   • BH1750初始化（连续高分辨率模式）。
   • 启动定时器（10ms周期，按键扫描），使能UART接收中断。
2. 主循环：
3. • 每1秒调用jiance()读取所有传感器值 → 更新OLED显示 → 打包数据通过UART发送。
   • 若当前在主界面（OLED==0）且温度≥阈值，则报警；否则停止报警。
   • 检测按键标志：
   • • 短按设置键（keynum==2）：切换至阈值设置界面（OLED=1）。
     • 长按设置键（keynum==22）：切换至历史数据查看界面（OLED=2）。
     • 在设置界面，短按增加/减少键（keynum==3/1）修改temp_set2，再次短按设置键保存并返回主界面。
     • 在历史查看界面，按增加/减少键切换索引num1，显示对应历史数据。
3. ESP32程序：
4. • 上电读取NVS中保存的WiFi配置和Blinker密钥。
   • 若有效则连接WiFi并初始化Blinker；若失败或长按GPIO9则启动WiFiManager配网门户。
   • 配网成功后保存新配置，并重启Blinker。
   • 循环接收串口数据，解析出温度、电压、电流、光照，通过BlinkerNumber组件推送到APP。

关键代码介绍

1. STM32端：周期采集与数据打包（jiance()）

c

void jiance(void)
{
    if(uwTick - aa > 1000)  // 1秒周期
    {
        do temp2 = DS18B20_ReadTemp2(); while(temp2>99||temp2<-1);
        light = BH1750_ReadLight();
        current = INA226_ReadCurrent() * 1000;  // 转为mA
        v = INA226_ReadVoltage();
        // 打包格式：t温度 v电压 i电流(ma) p光照
        sprintf(t, "t%4.1fv%4.2fi%8.2fp%7.1f", temp2, v, current, light);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)t, strlen(t), 50);
        aa = uwTick;
        // 循环存储100组数据
        tt[num] = temp2; ii[num] = current; ll[num] = light; vv[num] = v;
        num = (num + 1) % 100;
    }
}

2. STM32端：温度报警与阈值设置

c

// 主循环中判断
if(temp2 >= temp_set2)  // 超过设定阈值
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);  // 蜂鸣器
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);  // LED
}
else
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
}
// 阈值设置界面（OLED==1）中，按键修改temp_set2
if(keynum==1) temp_set2--;
if(keynum==3) temp_set2++;

3. STM32端：按键长短按识别（定时器10ms）

c

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    static uint8_t i[3], a[3];
    // 读取三个按键电平（PA8, PA12, PB3），i[x]记录连续按下次数
    // 当按键释放时，根据a[x]值判断：2~80为短按(20~800ms)，>80为长按
    // 设置全局 keynum 供主循环使用
}

4. ESP32端：WiFiManager配网与Blinker上传（main.cpp）

cpp

void setup() {
    // 初始化串口（UART1，引脚6(RX),7(TX)）与STM32通信
    MySerial.begin(115200, SERIAL_8N1, 6, 7);
    pinMode(9, INPUT_PULLUP);  // 配网按键
    // 读取Preferences中保存的SSID/密码/密钥
    // 若有效则连接WiFi并初始化Blinker；否则进入配网模式
}
void loop() {
    Blinker.run();
    if(MySerial.available()) {
        // 解析 't...v...i...p...' 格式数据
        // 更新 BlinkerNumber 组件（temp, ll, vi, pwr）
    }
    // 按下配网键时重新进入配网模式
}

六、功能展示图及说明

实物外观

• 正面：0.96寸OLED屏幕显示四行数据，下方三个按键（减少、设置、增加），LED指示灯。
• 侧面：电源输入接口（光伏板或适配器），蜂鸣器开孔。

本地显示效果

• 
• 
• 主界面：四行分别显示温度（℃）、电压（V）、电流（mA）、光照强度（Lux）。
• 阈值设置界面：屏幕显示“temp-setting”和当前阈值（如35℃），按增减键调整，再按设置键保存。
• 历史数据界面：显示存储序号、温度、电压、电流、光照值，按增减键翻页。

手机APP监控界面（点灯科技）

• 
• 实时数据卡片：温度、电压、电流、光照，数值每秒刷新。

配网流程

1. ESP32首次上电或长按配网键，WiFi名称为ESP32-Config。
2. 手机连接该WiFi，浏览器自动弹出配置页面。
3. 输入家庭WiFi SSID、密码和点灯科技设备密钥（在Blinker APP中获取）。
4. 保存后ESP32自动连接云端，并开始转发数据。

七、设计中遇到的难题和解决方法

ESP32串口数据粘包与解析错误

• 问题：STM32每1秒发送一次数据，ESP32接收时可能因数据格式不完整导致atof解析出0。
• 解决方法：
• • 定义的t%4.1fv%4.2fi%8.2fp%7.1f格式简洁可靠，便于调试

八、对本次竞赛的心得体会

通过本次光伏运行参数检测系统的设计与实现，我获得了以下深刻体会：

技术创新方面

• 光伏监测的实用价值：光伏组件输出受温度和光照影响显著，实时监测并报警可有效防止热斑效应和过温损坏，对提升光伏系统寿命具有重要意义。
• 物联网赋能传统能源：将本地监测数据上传云端，运维人员无需亲临现场即可掌握电站运行状况，大幅降低人工巡检成本。
• 低成本方案：STM32+ESP32组合成本不足50元，配合INA226（约15元）、BH1750（约5元），整体BOM低于100元，适合分布式光伏节点部署。

工程实践方面

• 多传感器协同设计：学习了I2C总线上挂载多个设备的地址管理、时序容错、电源去耦等技巧。
• 数据协议设计：自行定义的t%4.1fv%4.2fi%8.2fp%7.1f格式简洁可靠，便于调试和扩展。
• WiFiManager集成：首次使用该库实现了免代码烧录的配网过程，用户体验极大提升。

社会应用价值

• 本系统可用于家用光伏板监测、太阳能路灯智能管理、学校光伏实验教学等场景，助力可再生能源的推广与普及。
• 报警功能可在光伏板异常高温时及时提醒用户，避免火灾隐患。

个人成长方面

• 全栈开发能力：同时完成了STM32底层驱动、ESP32物联网应用、点灯科技平台配置，覆盖了从传感器到云端的完整链路。
• 问题解决能力：面对I2C通信不稳定、串口数据丢包等问题，通过查阅文档、抓取波形、逐步隔离最终解决。
• 文档与代码规范：养成了详细的注释和版本管理习惯，为后续项目迭代打下基础。

未来改进方向

• 增加光伏板输出功率计算（P=U×I）并显示在APP上。
• 加入SD卡数据记录功能，实现长期数据存储。
• 增加远程控制功能（通过APP下发命令，控制光伏输出继电器）。
• 采用更低功耗的ESP8266或支持DeepSleep，延长电池供电时间。

通过本次竞赛，我不仅完成了一套实用的光伏监测系统，更深入理解了嵌入式物联网项目的完整开发流程。感谢竞赛平台提供的锻炼机会，也感谢指导老师的帮助。我将继续在绿色能源和物联网领域探索，为可持续发展贡献技术力量。