太陽能電池供電養(yǎng)魚池加溫加氧控制系統(tǒng)設(shè)計

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(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖一般都在遠(yuǎn)離市區(qū)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如果選擇市電供電，在電力系統(tǒng)不完善和電力運行不穩(wěn)定的地域會給養(yǎng)殖帶來困難。在現(xiàn)代生活中，太陽能是一種新能源，因技術(shù)日趨完善成本大大降低，對太陽能新能源進(jìn)行開發(fā)與利用已經(jīng)成為各行各業(yè)必然的趨勢，并且在可再生能源中所占的比重越來越大?，F(xiàn)今，太陽能應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)擁有成功的先例，如深海抗風(fēng)浪網(wǎng)箱太陽能電池供電系統(tǒng)，文中即以太陽能電池為動力，采用單片機控制設(shè)計了一套供電魚池養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1 控制原理

系統(tǒng)以太陽能電池為電源，同時對系統(tǒng)供電和蓄電池充電。使用STM32為主控芯片，通過光傳感器采集信號，利用反相器、光電耦合器、晶閘管、太陽能上下傾角、追光電動機實現(xiàn)太陽能板傾斜旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)，使太陽能板在每個時刻都能獲得充足的光照轉(zhuǎn)化成太陽能，克服了傳統(tǒng)固定太陽能板在光利用率上不足的缺點。在養(yǎng)殖水中放入水溫傳感器，獲得溫度信號，再通過放大電路將信號放大，AD轉(zhuǎn)換器將溫度信號變成數(shù)字信號作用于主控器。當(dāng)溫度低時，控制魚池水溫加熱器工作；水溫高時，控制魚池降溫電動機工作，以使水溫控制在適宜溫度，同理可以控制水位和PH值。另外，通過無線傳輸模塊將信號輸送到室內(nèi)STM32控制的接收器，使人能時刻在室內(nèi)觀測到各種數(shù)據(jù)的變化，充分體現(xiàn)了智能化，人性化的設(shè)計理念。

在太陽能板上的四個點安裝光照傳感器GY30，系統(tǒng)控制器接收四個點的光照強度，并且根據(jù)各點光照強度的值通過步進(jìn)電機改變太陽能板的傾斜追光角度，使得太陽能板每次都能獲得最大的光照強度。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 全系統(tǒng)組成框圖

2 模塊化設(shè)計與功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)程控制，根據(jù)各傳感器檢測和傳回的數(shù)據(jù)，及時對魚池池水參數(shù)做出調(diào)整。

1)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊組成

圖3 執(zhí)行模塊組成

圖4 通信模塊組成

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、電壓放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D組成。傳感器將溫度、濕度、PH及水位等參數(shù)的非電信號變成電信號、電壓放大器放大傳感器輸出的信號電壓值，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將放大器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給控制器單片機處理。

系統(tǒng)控制器和通信控制器選擇STM32為核心芯片。系統(tǒng)控制器和通信控制器連接控制NRF無線傳輸模塊，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2)系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器模塊由STM32F103ZET6單片機實現(xiàn)，它接受采集數(shù)據(jù)模塊傳送來的數(shù)字信號，經(jīng)過處理后向執(zhí)行模塊發(fā)出控制信號。

3)執(zhí)行模塊和負(fù)載

如圖3所示，系統(tǒng)控制器發(fā)出信號經(jīng)過光電耦合器傳送給晶閘管電流放大用以控制負(fù)載太陽能板傾角電動機、太陽能板追光電動機、冷卻水泵電動機、魚池加水電動機和魚池加熱器的運行，使用光電耦合器的目的是提高干擾能力。

4)通信模塊設(shè)計

如圖4所示，通信收發(fā)模塊傳送魚塘溫度、濕度、PH及水位等檢測數(shù)據(jù)監(jiān)控器可以根據(jù)魚塘與監(jiān)控室的距離選擇有線或無線傳輸，這里選用的是無線通信傳輸。

圖5 遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)

圖6 能源控制系統(tǒng)

圖7 單片機軟件流程圖

數(shù)據(jù)接收和發(fā)送均采用NRF24L01無線模塊進(jìn)行傳輸，其擁有2.4GHz全球開放ISM頻段，自動重發(fā)功能，自動檢測和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制。NRF24L01無線模塊遵循SPI協(xié)議，STM32控制器裝有SPI接口，可與NRF無線模塊完成對接。

5)遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)

如圖5所示，通信收發(fā)模塊(右)接收到通信發(fā)收模塊(左)的檢測數(shù)據(jù)后，再由(通信)控制器處理送給WI-FI模塊傳到通信終端手機或電腦；反之，利用手機或電腦輸入控制信號，經(jīng)WI-FI模塊、控制器處理、通信發(fā)收模塊(右)傳送給通信收發(fā)模塊(左)，再傳給系統(tǒng)控制器處理，系統(tǒng)控制器向執(zhí)行模塊發(fā)出控制信號，驅(qū)動電動機或加熱器負(fù)載工作。

WI-FI模塊ESP8266一般傳輸距離有100m左右，在空曠地區(qū)可以達(dá)到300m，還可以根據(jù)實際情況換用Zigbee通信等。

6)供電模塊

如圖6所示，當(dāng)太陽光足夠充足的時候，太陽能控制器既為蓄電池充電，又為系統(tǒng)電路供電；當(dāng)太陽光能弱的時候，就由蓄電池為系統(tǒng)電路供電，太陽能電池只為蓄電池充電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制裝置主要分通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行模塊，利用STM32芯片，編寫控制程序，實現(xiàn)系統(tǒng)工作，流程圖見圖7。

4 結(jié) 論

太陽能電池板能夠隨著太陽的變化，改變太陽能板的傾斜角，使得每一時刻獲得的能量最大，且最大效率地利用太陽能，實現(xiàn)太陽能從自動化向智能化的轉(zhuǎn)變。用戶也可以遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖場的各個指標(biāo)(PH，溫度，含氧量，光照強度等)，隨時了解養(yǎng)殖的情況，這項技術(shù)的實現(xiàn)使得遠(yuǎn)離市區(qū)的養(yǎng)殖場通過太陽能供電，與采用市電供電相比大大降低了成本。

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