太陽能農(nóng)機發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計—基于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集

楊玉霞，湯金金

(濟源職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，河南 濟源 459000)

0 引言

目前，我國農(nóng)業(yè)正處于轉(zhuǎn)型期，由小規(guī)模的種植方式向大規(guī)模種植方式發(fā)展是主流方向，隨之帶來的是作業(yè)方式的轉(zhuǎn)變，如何對大規(guī)模作業(yè)實現(xiàn)高效化和信息化的管理是當前一個急需解決的問題。對于環(huán)境和作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)控，國內(nèi)目前還大部分采用傳統(tǒng)的人工手段，不僅監(jiān)控效率低，而且不利于大規(guī)模作業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)可以利用局部網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)進行通信，可以將農(nóng)機、傳感器和人員等聯(lián)系在一起，形成人與物和物與物的信息化管理，以便于遠程控制。但是，由于農(nóng)田作業(yè)環(huán)境的限制，加上傳感器節(jié)點耗能大等問題影響了監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，而采用太陽能為傳感節(jié)點供電，可以有效地解決監(jiān)測系統(tǒng)的功耗問題，對于提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能具有重要的意義。

1 農(nóng)機發(fā)動機信息采集

采用太陽能發(fā)電作為農(nóng)機發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)的能量來源，將會有效地降低能量損耗，提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能。在使用太陽能發(fā)電發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)時，為了對太陽能電池和發(fā)動機運行狀態(tài)進行監(jiān)測，在基站較少的農(nóng)田區(qū)域，需要架設(shè)WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)。一個基本的WSN網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 基本W(wǎng)SN通信網(wǎng)絡(luò)框架Fig.1 The basic WSN communication network framework

發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)通過ZigBee無線通信的方式采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和噪聲的信息，然后通過數(shù)據(jù)處理和融合，利用自組織通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)以多跳的方式接收和發(fā)送，最后在用戶監(jiān)控中心顯示數(shù)據(jù)，管理人員利用反饋數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)遠程作業(yè)和管理。

在圖2所示的監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測的主要項目包括太陽能發(fā)電和發(fā)動機的一些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的接收采用事件驅(qū)動的方式循環(huán)讀?。蛔x取后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解析后，計算光伏電池的功率，判斷光伏電池工作狀態(tài)；同時，對發(fā)動機允許的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，判斷發(fā)動機的運行狀態(tài)，做到及時預(yù)警，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，可供后續(xù)查閱。

2 農(nóng)機發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)

由于農(nóng)機的作業(yè)條件較差，而發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器節(jié)點在進行監(jiān)測時，傳感器會消耗較大的能量，對監(jiān)測系統(tǒng)的性能影響較大。如果采用太陽能發(fā)電，不僅可以有效節(jié)省能源，還可以從整體上提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。太陽能電池發(fā)電的原理是基于PN結(jié)，將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換成電能。在實際工作時，照射到太陽能電池上的光線一部分被吸收，另一部分被反射。在吸收光子時，半導(dǎo)體中原子的價電子會被激活，在P區(qū)和N區(qū)都會產(chǎn)生光電子，使P帶正電，N帶負電，從而產(chǎn)生電動勢，如圖3所示。

圖2 基于太陽能發(fā)電的發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)框架Fig.2 The engine monitoring system framework based on solar power

圖3 光伏電池PN結(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 The PN junction of photovoltaic cell

當PN結(jié)結(jié)構(gòu)受到光照時，在電極上下會產(chǎn)生電勢差，如果將正極和負極相連接，便會產(chǎn)生直流電。將多個PN結(jié)串聯(lián)在一起，可以封裝成電池組，這些電池組具有不同的功率，將這些組件按照發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)用電的需求，形成太陽能電池陣列，可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)的供電。圖4為太陽能電池的基本單元。在線性電路中，當外部電路的負載同電池內(nèi)阻相同時可以得到最大的輸出功率，雖然太陽能電池功率輸出具有一定的非線性，但在較短時間內(nèi)可以認為是線性的，因此在外部環(huán)境影響下，太陽能輸出功率具有一定的特性，如圖5所示。

圖4 太陽能電池單元模型Fig.4 The solar cell model

圖5 光伏陣列輸出特性Fig.5 The PV array output features

圖5中：在不同的光強度下，曲線1和曲線2輸出的特性是不同的，其中A和C分別是光伏電池輸出的最大功率點。在光強度發(fā)生變化的情況下，裝置輸出特性由曲線1降低到曲線2，但是電池內(nèi)阻是不變的，這時需要調(diào)整電池的內(nèi)阻，使其可以輸出最大功率。而電池的內(nèi)阻和太陽能電池的表面溫度也有關(guān)系，可通過調(diào)整溫度，使太陽能電池發(fā)揮最大功效。光伏電池板數(shù)據(jù)存儲如表1所示。

表1 光伏電池板數(shù)據(jù)存儲

根據(jù)農(nóng)機發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)的需求，進行儲存的數(shù)據(jù)主要是從串口讀取的，存儲數(shù)據(jù)類型較為單一，不需要設(shè)計E-R圖或者其他的物理模型等，發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲表如表2所示。

表2 發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲

串口通信是比較簡單的通信方式，可以直接發(fā)送和接收字節(jié)，還可以通過一端發(fā)送一端接收的通信方式，實現(xiàn)遠距離通信。在進行發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸時，需要使發(fā)送端和接收到端遵循一定的協(xié)議，針對發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)串口通信的特點，指定規(guī)則如表3所示。

表3 太陽能電池板編號和存儲

太陽能電池編號和存儲能力都用單塊板數(shù)據(jù)格式的形式，即看成是單個節(jié)點，假設(shè)投入的電池板數(shù)為6塊，則數(shù)據(jù)的發(fā)送格式如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

如表4所示：6塊太陽能電池板的數(shù)據(jù)在前邊，發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)在后邊，其通信規(guī)則是28字節(jié)×6+10字節(jié)+10字節(jié)+6字節(jié)。在進行WSN通信時，可以根據(jù)這個規(guī)則對數(shù)據(jù)包首先進行封存，發(fā)送給接收端，接收端可以按照通信協(xié)議，分段讀取這些數(shù)據(jù)。

3 農(nóng)機發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)太陽能發(fā)電和WSN通信測試

根據(jù)上部分的通信規(guī)則，在農(nóng)機發(fā)動機上安裝了基于WSN的信息采集系統(tǒng)，通過傳感器對發(fā)動機的溫度、轉(zhuǎn)速和噪聲進行采集，傳感器節(jié)點采用太陽能供電，如圖6所示。

圖6 農(nóng)機園林試驗作業(yè)Fig.6 The experimental work of agricultural garden

為了使太陽能電池發(fā)揮最好的功效，選擇了天氣情況的氣候條件，并且在比較開闊的園林里對一款園林修剪機械進行試驗測試，通過對20℃時光伏太陽能電池的測試得到了如圖7所示的電流電壓特性曲線。

圖7 太陽能I-U測試曲線Fig.7 The solar I-U test curve

由測試結(jié)果可以看出：其I-U特性曲線和太陽能正常工作時的曲線趨勢相吻合，對其P-U特性繼續(xù)測試，得到了如圖8所示的結(jié)果。從特性曲線圖對比可以得知：太陽能電池存在最大功率值，這個數(shù)值除了和環(huán)境因素有關(guān)之外，還與太陽能表面的溫度有關(guān)。因此，在實際使用時，也需要同時兼顧太陽能電池的表面溫度。

對發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行了測試，得到了如表5所示的測試結(jié)果。

測試結(jié)果表明：在太陽能供電情況下，監(jiān)測系統(tǒng)可以保持良好的通信功能，且通信效率和準確率都較高，從而驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

圖8 太陽能P-U測試曲線Fig.8 The solar P-U test curve表5 多發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測表Table 5 The state monitor of multi engine

4 結(jié)論

為了解決農(nóng)機發(fā)動機監(jiān)測傳感器的節(jié)點能耗問題，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一種基于太陽能發(fā)電的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多臺農(nóng)機和太陽能電池的實時監(jiān)測。根據(jù)太陽能電池的輸出特性，設(shè)計了太陽能電流、電壓和溫度的傳感器節(jié)點，從而最終監(jiān)測太陽能光伏電池的最大功率點，根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)特性，設(shè)計了發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度和噪聲的傳感器節(jié)點，實現(xiàn)了發(fā)動機工作狀態(tài)的遠程監(jiān)測。最后，分別對光伏電池輸出特性和發(fā)動機工作狀態(tài)進行了監(jiān)測試驗。測試結(jié)果表明：監(jiān)測系統(tǒng)可以有效輸出電池的發(fā)電特性曲線，可以監(jiān)測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度和噪聲的正常與異常情況，從而驗證了系統(tǒng)的可靠性。

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