Master's Thesis

Edge device for home PV

Final Thesis 5.51 MB Appendix 5.73 MB

Author of thesis: Bc. Samuel Vaculík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis presents the design and implementation of an edge device for a residential photovoltaic power plant. The device is built on the ESP32-S3 platform and provides monitoring and control of a GoodWe hybrid inverter via the Modbus TCP protocol. Acquired telemetry data is transmitted to the Microsoft Azure IoT Hub cloud platform usingt he MQTT protocol. The device also incorporates a Zigbee gateway based on the ESP32-H2, enabling control of smart plugs including electrical measurement. To ensure system reliability, data is backed up locally to an SD card during internet outages and automatically retransmitted upon connection restoration. The control logic
is implemented within the ESP-IDF framework using FreeRTOS and supports multiple operating modes, including manual and sequential inverter control. System functionality was verified both using a Modbus simulator and on a real photovoltaic installation.

Keywords:

PV system, PV inverter, ESP32, Modbus TCP, Zigbee, Microsoft Azure, IoT Hub,
MQTT, GoodWe, JSON, Wi-Fi, FreeRTOS, SD card, RTC, ESP-IDF

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval práci a zodpověděl otázky oponenta. Na podnět komise diskutoval bezpečnost navrženého sytému ve srovnání s komerční platformou.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Lepka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Pan Vaculík se musel zorientovat v komplexní oblasti tvorby DPS a software na heterogenní procesorové struktuře požadovaného zařízení určeného pro monitorování a řízení domácí fotovoltaické elektrárny. Dále si musel osvojit implementaci několika komunikačních technologií včetně Azure IoT.
Práce přinesla funkční realizační výstup v podobě edge zařízení pro domácí fotovoltaickou elektrárnu, které v sobě implementuje rozšířené funkce, jako je hlavně ukládání dat při výpadku internetového připojení a jejich následná synchronizace. Funkce zařízení byla ověřena na reálné fotovoltaické instalaci a ukázala, že tento koncept je vhodné dále rozvíjet či převést do výrobní fáze.
Po formální stránce je práce zpracována na velmi dobré úrovni. V práci se vyskytují pouze drobné stylistické a terminologické nepřesnosti související zejména s používáním anglických odborných výrazů.
Student pracoval samostatně, přičemž občas využíval konzultace pro korekci postupu. Prokázal schopnost samostatně navrhnout a implementovat komplexní embedded systém zahrnující více komunikačních technologií a cloudovou integraci. Přes dílčí nedostatky hodnotím práci jako nadprůměrnou. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Úkolem studenta v rámci diplomové práce bylo navrhnou a vytvořit edge zařízení pro domácí fotovoltaické elektrárny. Student se měl zaměřit na vytvoření zařízení, které je schopné spolupráce se standardní domácí fotovoltaickou elektrárnou a dále schopné komunikovat s domácími zařízeními pomocí bezdrátové komunikační sítě ZigBEE. Edge zařízení má být také schopné komunikace s cloudovými službami přes rozhraní MQTT pro účely monitorování, sběru dat a řízení celého systému. Student se má zaměřit na tvorbu elektronky využívající procesory ESP32. Nedílnou součástí práce je nejen návrh a realizace HW, ale i definice a zprovoznění komunikace do cloudu a komunikace se zařízeními přes ZigBEE. Pro zprovoznění je třeba vytvořit obsáhlé programové vybavení, implementovat komunikační protokoly a celý systém nakonec oživit a otestovat.
Student diplomovou práci rozdělil na několik samostatných kapitol. V první části práce se student věnoval úvodu do konstrukce a funkce fotovoltaických elektráren. Následně student definoval požadavky na své řešení a shrnul dostupné systémy na trhu, které mají podobnou funkcionalitu.  Další kapitoly student věnoval vlastnímu návrhu, konstrukci zařízení, analýze a návrhu komunikačních rozhraní a protokolů, datovým modelům, ukládání a archivaci dat a nezbytné časové synchronizaci.
V rámci diplomové práce student následně pokračoval popisem a zpracováním vlastní realizace, kde se zaměřuje na využití operačního systému reálného času FreeRTOS a implementaci nezbytného programového vybavení pro účely lokální bezdrátové komunikace, komunikace s cloudem, programovým vybavením pro ukládání a archivaci dat a časovou synchronizaci s NTP serverem.
Ke konci se student podrobně věnuje ověření funkčnosti jak hardwarového řešení, tak i implementovaného programového vybavení. Student definoval scénáře a své řešení otestoval včetně vlastního řízení celé sestavy FVE. V poslední kapitole se student věnuje vyhodnocení své práce, zhodnocení dosažených výsledků a splnění požadavků zadání diplomové práce.
Po prostudování diplomové práce mohu s potěšením konstatovat, že předložená práce je na velmi dobré úrovni. Student si počínal svědomitě a strukturoval svojí práci správným způsobem. Jak technické řešení, tak i textová úroveň diplomové práce je velmi dobrá. Mám za to, že student splnil všechny body diplomové práce a prokázal své inženýrské schopnosti. Předloženou diplomovou práci navrhuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Jaké jsou zásadní výhody vašeho systému oproti již existujícím řešením na trhu?
  2. Jaká komunikační rozhraní se využívají u MPPT regulátorů a střídačů kromě komunikace Modbus?
  3. Jaké další standardy bezdrátové komunikace kromě ZigBEE se využívají pro komunikaci mezi komponentami v obětech?
Points proposed by reviewer: 92

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová