Master's Thesis

Software Platform for Home Energy Management Devices

Final Thesis 7.08 MB Appendix 7.11 MB

Author of thesis: Bc. Petr Tlustoš

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Abstract:

The growing adoption of photovoltaic systems in the residential sector creates a demand for control systems capable of coordinating energy production, consumption, and storage. This thesis therefore addresses the design and implementation of a Home Energy
Management System (HEMS) aimed at optimizing energy utilization from a photovoltaic installation with battery storage. As a foundation for the design, the principles of energy management, communication protocols of photovoltaic inverters, and available commer-
cial HEMS solutions were analyzed. A common limitation of existing solutions is their closed architecture with no possibility of customization. The proposed architecture divides control responsibilities between a local microcontroller and a cloud platform, where
the local unit handles inverter communication via Modbus TCP/IP and the cloud computes the optimal control schedule. The firmware running on the ESP32-S3 platform in ESP-IDF is structured into nine modular components communicating through FreeRTOS
queues. The key contribution is a modular inverter driver that allows additional models to be supported without modifying the application logic, a driver for the GoodWe hybrid inverter of the ET series was implemented as part of this work. The system was veri-
fied on a real installation with a GoodWe GW10K-ET inverter and a 10.6 kWh battery storage, confirming its readiness for deployment in a real-world environment.

Keywords:

Home Energy Management, photovoltaic power plant, energy consumption management, Modbus, GoodWe, ESP32, Microcontroller, HEMS, FreeRTOS, REST API, ESPHome

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. (předseda)
doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Petyovský, Ph.D. (člen)

V rámci své práce se student zabýval návrhem a implementací systému pro energetický management domácnosti (HEMS) optimalizujícího využití energie z fotovoltaické elektrárny s bateriovým úložištěm. Cílem bylo navrhnout architekturu řídicího systému, implementovat odpovídající firmware na zvolené hardwarové platformě a ověřit funkčnost při komunikaci s reálným fotovoltaickým střídačem.
Práce je prakticky orientovaná, navržená modulární architektura driveru střídače umožňující přidání dalších modelů bez zásahu do aplikační logiky představuje netriviální softwarový přínos s přímou použitelností v praxi. Systém byl ověřen na reálné instalaci a provedená měření (např. využití CPU, watermark zásobníků tasků, stav haldy po 60 s ustáleného provozu) prokazují technickou vyspělost autora. Kladně hodnotím přehledné členění do devíti logicky oddělených SW komponent s dobře definovanými rozhraními přes fronty FreeRTOS a zdůvodnění přechodu z protokolu SunSpec na proprietární Modbus mapu střídače GoodWe. Formální úroveň práce je nadprůměrná, text je přehledně strukturován.
Technickou stránu práce poněkud snižuje fakt, že testování celého systému bylo  omezeno na krátké časové záznamy; tedy nebyla prokázána stabilita systému v řádu hodin nebo dní, přestože se jedná o systém navržený pro kontinuální provoz.
Odevzdaná práce nicméně splňuje hlavní body zadání a prokazuje solidní technickou zdatnost autora. Výsledný systém je funkční, ověřený v reálném prostředí a má potenciál pro praktické nasazení. Proto doporučuji práci k obhajobě se známkou 85 bodů - B. Points proposed by supervisor: 85

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem a implementací softwarového vybavení zařízení pro energetický management domácnosti s fotovoltaickou elektrárnou a bateriovým úložištěm, postaveného na platformě ESP32‑S3 a komunikaci se střídačem GoodWe řady ET přes Modbus TCP/IP. Cíle práce jsou jasně formulovány a v předložené podobě jsou naplněny – vzniká funkční prototyp HEMS ověřený na reálné instalaci s měničem GW10K‑ET a baterií 10,6 kWh.
Rozsah textu odpovídá diplomové práci, struktura (teoretická část – návrh – implementace – testování – závěr) je logická a čtenáře dobře provádí od kontextu HEMS a FVE přes analýzu komerčních řešení až k vlastnímu návrhu. Prezentační úroveň je obecně dobrá, grafy, bloková schémata i výpisy z logů vhodně dokumentují implementaci, nicméně některé dlouhé výpisy kódu či sériových logů by bylo vhodnější přesunout do příloh a v textu pouze stručně interpretovat výsledky.
Formální a jazyková stránka je na solidní úrovni, odborná terminologie je užita správně a konzistentně, objevují se jen drobné stylistické a typografické nedostatky, které nenarušují srozumitelnost. Práce s literaturou je adekvátní – autor shrnuje komerční HEMS řešení, vysvětluje principy Modbus, SunSpec a komunikační architektury vybraných střídačů; citace jsou převážně z relevantních technických zdrojů a dokumentace výrobců. Je škoda, že v práci není diskutováno kvantitativního srovnání přínosů použitých strategií řízení spotřeby, ale rozsah práce by tím byl extrémní a reálně to nelze očekávat.
Významným přínosem je modulární architektura firmware s oddělením aplikační logiky a driveru střídače, včetně implementace driveru pro GoodWe ET a návrhu komunikace s cloudovou platformou. Testovací část přináší ověření komunikace, funkce režimů řízení i základní analýzu zatížení CPU a paměti, chybí však podrobnější kvantifikace energetického přínosu (změna odběru z DS, míra využití vlastní výroby) v typických provozních scénářích. Celkově jde o kvalitní, prakticky orientovanou diplomovou práci s dobrým potenciálem pro další rozvoj směrem k pokročilejším optimalizačním algoritmům a robustnímu nasazení v rezidenčních instalacích. Práci doporučuji k obhajobě - hodnocení A/90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. V práci podrobně popisujete implementaci a testy komunikace (Modbus TCP, REST API, ESPHome), ale výrazně méně je kvantifikován samotný energetický přínos HEMS. Jak byste navrhl(a) experimentální scénáře a jaké by byly podle vás vhodné optimalizační metriky (kWh, podíl vlastní spotřeby, snížení odběru z DS) pro objektivní vyhodnocení dopadu vašeho řešení na reálnou domácnost?
  2. Navržená architektura dělí odpovědnosti mezi lokální jednotku a cloudovou platformu, přičemž klíčová rozhodnutí o nabíjení/vybíjení baterie jsou v základním návrhu v cloudu. Jaké vidíte hlavní výhody a rizika tohoto rozdělení?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová