Мониторинг солнечных панелей с использованием фотонов частиц: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Цель проекта - повысить эффективность солнечных батарей. Проект разработан для надзора за производством солнечной фотоэлектрической энергии с целью повышения производительности, мониторинга и технического обслуживания солнечной электростанции.

В этом проекте фотон частицы соединяется с выводом напряжения солнечной панели, датчиком температуры LM-35 и датчиком LDR для контроля выходной мощности, температуры и интенсивности падающего света соответственно. Символьный ЖК-дисплей также подключен к фотону частицы для отображения измеренных параметров в реальном времени. Photon не только отображает измеренные параметры на ЖК-экране, но также отправляет измеренные значения на облачный сервер для просмотра данных в реальном времени.

Шаг 1: Требуемый компонент

• Частица Фотон $ 20
• ЖК-дисплей 16x2 $ 3
• Солнечная пластина $ 4
• Датчик температуры LM-35 $ 2
• LDR $ 1
• Макетная плата $ 4
• Провода-перемычки $ 3

Общая стоимость оборудования составляет около 40 долларов.

Шаг 2: Оборудование

1. Частичный фотон

Photon - популярная плата IoT, доступная на платформе Particle. На плате установлен микроконтроллер ARM Cortex M3 STM32F205 с частотой 120 МГц и 1 МБ флэш-памяти, 128 КБ ОЗУ и 18 контактов ввода-вывода общего назначения (GPIO) со смешанными сигналами с расширенными периферийными устройствами. Модуль имеет встроенный чип Cypress BCM43362 Wi-Fi для подключения к Wi-Fi и однополосный IEEE 802.11b / g / n 2,4 ГГц для Bluetooth. Плата оснащена двумя интерфейсами SPI, одним I2S, одним I2C, одним CAN и одним интерфейсом USB.

Следует отметить, что 3V3 - это выходной сигнал с фильтром, используемый для аналоговых датчиков. Этот вывод является выходом встроенного регулятора и внутренне подключен к VDD модуля Wi-Fi. При питании Photon через VIN или порт USB на этом выводе будет выходное напряжение 3,3 В постоянного тока. Этот вывод также можно использовать для непосредственного питания Photon (макс. Входное напряжение 3,3 В постоянного тока). При использовании в качестве выхода максимальная нагрузка на 3V3 составляет 100 мА. Сигналы ШИМ имеют разрешение 8 бит и работают на частоте 500 Гц.

2. 16x2 символьный ЖК-дисплей

ЖК-дисплей 16X2 используется для отображения значений измеряемых параметров. Он подключается к Particle Photon путем подключения его выводов данных D4 - D7 к выводам D0 - D3 платы Particle. Контакты E и RS ЖК-дисплея подключаются к контактам D5 и D6 на ДСП соответственно. Вывод R / W ЖК-дисплея заземлен.

3. Датчик LDR (фоторезистор)

LDR или светозависимый резистор, также известный как фоторезистор, фотоэлемент, фотопроводник. Это резистор одного типа, сопротивление которого изменяется в зависимости от количества света, падающего на его поверхность. Когда свет падает на резистор, сопротивление меняется. Эти резисторы часто используются во многих цепях, где требуется обнаруживать наличие света. Эти резисторы имеют множество функций и сопротивлений. Например, когда LDR находится в темноте, его можно использовать для включения света или для выключения света, когда он находится на свету. Типичный светозависимый резистор имеет сопротивление в темноте 1 МОм, а при яркости - пару кОм.

Принцип работы LDR

Этот резистор работает по принципу фотопроводимости. Это не что иное, как когда свет падает на его поверхность, тогда проводимость материала уменьшается, а также электроны в валентной зоне устройства возбуждаются в зону проводимости. Эти фотоны в падающем свете должны иметь энергию больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводникового материала. Это заставляет электроны переходить из валентной зоны в зону проводимости. Эти устройства зависят от света, когда свет падает на LDR, сопротивление уменьшается, и увеличивается в темноте. Когда LDR хранится в темном месте, его сопротивление велико, а когда LDR находится на свету, его сопротивление уменьшается. Датчик LDR используется для измерения интенсивности падающего света. Интенсивность света выражается в люксах. Датчик подключается к выводу A2 Particle Photon. Датчик включен в цепь делителя потенциала. LDR выдает аналоговое напряжение, которое преобразуется в цифровое значение встроенным АЦП.

4. датчик температуры LM-35

LM35 - это прецизионный датчик температуры IC, выходной сигнал которого пропорционален температуре (в oC). Диапазон рабочих температур от -55 ° C до 150 ° C. Выходное напряжение изменяется на 10 мВ в зависимости от повышения / понижения температуры окружающей среды на каждый oC, то есть его масштабный коэффициент составляет 0,01 В / oC. Датчик имеет три контакта - VCC, Analogout и Ground. Вывод Aout LM35 подключен к аналоговому входному выводу A0 фотона частицы. VCC и земля соединены с общими VCC и землей.

Функции

Калибровка непосредственно в градусах Цельсия (Цельсия)

Линейная при масштабном коэффициенте 10,0 мВ / ° C

• Гарантированная точность 0,5 ° C (при температуре 25 ° C)
• Рассчитан на полный диапазон от -55 ° C до 150 ° C
• Работает от 4 до 30 вольт
• Потребление тока менее 60 мА
• Низкое самонагревание, 0,08 ° C всасывающий воздух
• Нелинейность всего 0,25 ° C типично
• Выход с низким сопротивлением, 0,1 Ом для нагрузки 1 мА

5. солнечная панель

Солнечные панели - это устройства, преобразующие свет в электричество. Они получили название «солнечные» панели от слова «Sol», которое астрономы использовали для обозначения солнца и солнечного света. Их также называют фотоэлектрическими панелями, где фотоэлектрические означает «свет-электричество». Явление преобразования солнечной энергии в электрическую называется фотоэлектрическим эффектом. Этот эффект генерирует напряжение и ток на выходе при воздействии солнечной энергии. В проекте используется солнечная панель на 3 вольта. Солнечная панель состоит из нескольких солнечных элементов или фотоэлектрических диодов. Эти солнечные элементы представляют собой диод с P-N переходом и могут генерировать электрический сигнал в присутствии солнечного света. Под воздействием солнечного света эта солнечная панель вырабатывает на своих выводах выходное напряжение постоянного тока 3,3 В. Эта панель может иметь максимальную выходную мощность 0,72 Вт и минимальную выходную мощность 0,6 Вт. Его максимальный зарядный ток составляет 220 мА, а минимальный зарядный ток - 200 мА. Панель имеет два терминала - VCC и Ground. Выходное напряжение снимается с вывода VCC. Выходной контакт напряжения подключен к аналоговому входному контакту A1 фотона частиц для измерения выходной мощности солнечной панели.

Шаг 3: Программное обеспечение

Веб-среда разработки частиц

Для написания программного кода для любого Photon разработчику необходимо создать учетную запись на веб-сайте Particle и зарегистрировать доску Photon под своей учетной записью. Затем программный код можно записать в Web IDE на веб-сайте Particle и передать зарегистрированному фотону через Интернет. Если выбранная плата Particle, Photon здесь, включена и подключена к облачному сервису Particle, код записывается на выбранную доску по воздуху через Интернет-соединение, и плата начинает работать в соответствии с переданным кодом. Для управления платой через Интернет разработана веб-страница, которая использует Ajax и JQuery для отправки данных на доску с использованием метода HTTP POST. Веб-страница идентифицирует плату по идентификатору устройства и подключается к облачной службе Particle через токен доступа.

Как подключить фотон к Интернету

1. Включите свое устройство

• Подключите USB-кабель к источнику питания.
• Как только оно будет подключено, светодиодный индикатор RGB на вашем устройстве должен начать мигать синим. Если ваше устройство не мигает синим, нажмите и удерживайте кнопку SETUP. Если ваше устройство вообще не мигает или светодиод горит тускло. оранжевый цвет, возможно, ему не хватает мощности. Попробуйте сменить источник питания или USB-кабель.

2. Подключите свой Photon к Интернету. Вы можете использовать веб-приложение или мобильное приложение двумя способами.

а. Использование веб-приложения

• Шаг 1 Перейдите на setup.particle.io
• Шаг 2 Щелкните по настройке Photon
• Шаг 3 После нажатия на ДАЛЕЕ, вам должен быть представлен файл (photonsetup.html)
• Шаг 4 Откройте файл.
• Шаг 5 После открытия файла подключите ваш компьютер к Photon, подключившись к сети с именем PHOTON.
• Шаг 6 Настройте учетные данные Wi-Fi. Примечание. Если вы неправильно ввели учетные данные, Photon будет мигать темно-синим или зеленым цветом. Вам нужно повторить процесс снова (обновив страницу или щелкнув часть процесса повтора)
• Шаг 7 Переименуйте ваше устройство. Вы также увидите подтверждение, было ли устройство заявлено или нет.

б. С помощью смартфона

• Откройте приложение на своем телефоне. Войдите или зарегистрируйте учетную запись в Particle, если у вас ее нет.
• После входа в систему нажмите значок плюса и выберите устройство, которое хотите добавить. Затем следуйте инструкциям на экране, чтобы подключить устройство к Wi-Fi.

Если ваш Photon подключается впервые, он будет мигать фиолетовым в течение нескольких минут во время загрузки обновлений. Для завершения обновления может потребоваться 6-12 минут, в зависимости от вашего интернет-соединения, при этом Photon перезагружается несколько раз в процессе. Не перезагружайте и не отключайте Photon в это время. Если вы это сделаете, вам, возможно, придется следовать этому руководству, чтобы исправить свое устройство.

После того, как вы подключили свое устройство, оно узнало эту сеть. Ваше устройство может хранить до пяти сетей. Чтобы добавить новую сеть после первоначальной настройки, вы должны снова перевести устройство в режим прослушивания и действовать, как указано выше. Если вам кажется, что на вашем устройстве слишком много сетей, вы можете стереть память устройства обо всех обнаруженных сетях Wi-Fi. Вы можете сделать это, продолжая удерживать кнопку настройки в течение 10 секунд, пока светодиод RGB не начнет быстро мигать синим, показывая, что все профили были удалены.

Режимы

• Циан, ваш Фотон подключен к Интернету.
• Пурпурный, в настоящее время загружается приложение или обновляется прошивка. Это состояние запускается обновлением прошивки или миганием кода из Web IDE или Desktop IDE. Вы можете увидеть этот режим, когда впервые подключаете свой Photon к облаку.
• Зеленый, он пытается подключиться к Интернету.
• Белый - модуль Wi-Fi выключен.

Web IDEParticle Build - это интегрированная среда разработки или IDE, которая означает, что вы можете разрабатывать программное обеспечение в удобном в использовании приложении, которое запускается в вашем веб-браузере.

1. Чтобы открыть сборку, войдите в свою учетную запись частиц и нажмите на сборку, как показано на изображении.
2. После того, как вы нажмете, вы увидите такую консоль.
3. Чтобы создать новое приложение для создания, нажмите «Создать новое приложение».
4. Чтобы включить библиотеку в программу, перейдите в раздел библиотек, найдите liquidcrystal и выберите приложение, в которое вы хотите добавить библиотеку. В моем случае это мониторинг солнечных панелей.
5. Проверить программу. Нажмите "Подтвердить".
6. Чтобы загрузить код, нажмите на flash, но перед этим выберите устройство. Если у вас более одного устройства, вы должны убедиться, что вы выбрали, какое из ваших устройств для прошивки кода. Щелкните значок «Устройства» в нижнем левом углу панели навигации, затем, когда вы наведете курсор на имя устройства, слева появится звездочка. Щелкните по нему, чтобы установить устройство, которое вы хотели обновить (оно не будет отображаться, если у вас только одно устройство). После того, как вы выбрали устройство, связанная с ним звездочка станет желтой. (Если у вас только одно устройство, нет необходимости выбирать его, вы можете продолжить.

Шаг 4: Как работает схема

В схеме 6 контактов GPIO модуля используются для взаимодействия с символьным ЖК-дисплеем, а три аналоговых входа используются для подключения датчика температуры LM-35, солнечной панели и датчика LDR.

Как только схема собрана, она готова к развертыванию вместе с солнечной панелью. Пока солнечная панель продолжает вырабатывать электричество, к устройству присоединяется. Устройство питается от сети, которая также управляет другим оборудованием для повышения производительности. После включения устройства на его ЖК-дисплее мигают некоторые начальные сообщения, указывающие на намерение приложения. Выходная мощность панели, температура и интенсивность падающего света измеряются выходным выводом напряжения солнечной панели, датчиком температуры LM-35 и датчиком LDR соответственно. Выход напряжения солнечной панели, датчик температуры LM-35 и датчик LDR подключены к аналоговым входным контактам A1, A0 и A2 фотона частиц.

Соответствующие параметры измеряются путем измерения аналогового напряжения на соответствующих контактах. Аналоговое напряжение, измеренное на соответствующих выводах, преобразуется в цифровые значения с помощью встроенных каналов АЦП. Particle Photon имеет 12-битные каналы АЦП. Таким образом, оцифрованные значения могут находиться в диапазоне от 0 до 4095. Здесь предполагается, что резистивная сеть, соединяющая датчик LDR с контактом контроллера, откалибрована для индикации интенсивности света по прямой пропорциональности.

LM-35 IC не требует какой-либо внешней калибровки или подстройки для обеспечения типичной точности ± 0,25 ° C при комнатной температуре и ± 0,75 ° C в диапазоне температур от -55 ° C до 150 ° C. В нормальных условиях температура, измеряемая датчиком, не выходит за пределы рабочего диапазона датчика и не выходит за его пределы. За счет обрезки и калибровки на уровне пластины гарантируется использование датчика с меньшими затратами. Благодаря низкому выходному сопротивлению, линейному выходу и точной калибровке LM-35, подключение датчика к схеме управления становится простым. Поскольку устройство LM-35 потребляет от источника питания всего 60 мкА, у него очень низкий самонагрев - менее 0,1 ° C в неподвижном воздухе. Обычно в диапазоне температур от -55 ° C до 150 ° C выходное напряжение датчика увеличивается на 10 мВ на градус Цельсия. Выходное напряжение датчика определяется следующими формулами

Vвых = 10 мВ / ° C * T

где, Vout = выходное напряжение датчика.

T = Температура в градусах Цельсия Итак, T (в ° C) = Vвых / 10 мВ

T (в ° C) = Vout (в В) * 100

Если предполагается, что VDD составляет 3,3 В, аналоговые показания связаны с измеренным напряжением в 12-битном диапазоне по следующей формуле

Vout = (3,3 / 4095) * Аналоговое показание

Итак, температуру в градусах Цельсия можно определить по следующим формулам

T (в ° C) = Vout (в В) * 100

T (в ° C) = (3,3 / 4095) * Аналоговое значение * 100

Таким образом, температуру можно измерить напрямую, считывая аналоговое выходное напряжение с датчика. Функция analogRead () используется для считывания аналогового напряжения на выводе контроллера. Выходное напряжение солнечной панели обычно должно составлять 3 В, что может быть непосредственно измерено Фотоном частиц. Фотон частицы может непосредственно измерять напряжение до 3,3 В. Для оцифровки измеренного аналогового напряжения он снова внутренне привязан к VDD. Оцифрованное показание напряжения масштабируется в 12-битном диапазоне, то есть от 0 до 4095. Итак

Vout = (3,3 / 4095) * Аналоговое показание

Считанные данные датчика сначала отображаются на ЖК-дисплее, а затем передаются в облако частиц через соединение Wi-Fi. Пользователь должен войти в зарегистрированную учетную запись Particle, чтобы просмотреть считанные значения датчиков. Платформа позволяет подключиться к доске с зарегистрированного аккаунта. Пользователь может отслеживать полученные данные датчиков в режиме реального времени, а также регистрировать данные.

Шаг 5: Подключения и принципиальная схема

Фотон ==> ЖК-дисплей

D6 ==> RS

D5 ==> Включить

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

Фотон ==> ЛМ-35

A0 ==> Aout

Фотон ==> LDR

A2 ==> Vcc

Фотон ==> Солнечная пластина

A1 ==> Vcc

Шаг 6: Результат