太陽能屋頂清掃機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計

俞 雯， 魏山河

(浙大城市學(xué)院 工程分院， 浙江 杭州 310015)

太陽能電池板作為太陽能屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件，其性能的好壞將直接影響發(fā)電系統(tǒng)的性能，但是民用的太陽能面板積灰和結(jié)垢問題對于系統(tǒng)效率的影響卻經(jīng)常被忽視[1]。近幾年隨著戶用光伏電源的不斷增加，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶的光伏面板存在運(yùn)行維護(hù)困難的問題。為了提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，需使用人工定時去清潔太陽能電池板玻璃的表面。這種清掃方式成本較高且實(shí)現(xiàn)起來比較困難[2]，因此，亟需找到一種智能化和自動化程度高、可靠性和性價比高的清掃太陽能電池板的技術(shù)方案，也就是研制出不更改現(xiàn)有設(shè)備的情況下能清潔太陽能面板的屋頂清掃機(jī)。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是減少碳排放，促進(jìn)綠色能源的發(fā)展與普及[3]。為此，課題組設(shè)計了一款基于Wifi通信的太陽能清掃機(jī)控制器，以MCU控制器作為其控制終端，具有有效控制清掃機(jī)自動工作，調(diào)節(jié)工作模式以及實(shí)現(xiàn)定時清掃等功能。該系統(tǒng)主要適用于家庭光伏系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

光伏面板積塵主要來源于大氣飄塵在面板上面的沉降，考慮到該清掃機(jī)主要應(yīng)用于民用的太陽能屋頂，無軌道式和毛刷式相結(jié)合的方式是較為合理的方案。課題組設(shè)計的太陽能屋頂清掃機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。清掃機(jī)的上表面安裝太陽能電池板，用于自主供電；在其一端安裝一個矩形盒子，用于安放電路控制面板；清掃機(jī)的下表面有3根軸：中間軸上安裝毛刷，由1臺直流電機(jī)驅(qū)動，作為清掃裝置，執(zhí)行對光伏面板的清潔工作；兩側(cè)軸的兩端分別裝1個滾輪，2根軸用齒輪、鏈條進(jìn)行連接，通過另一臺直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，作為動力裝置。電機(jī)安裝在清掃機(jī)的一端，用導(dǎo)線與電路控制面板相連接。此外，考慮到清掃機(jī)的行走與安裝功能特性，在整體結(jié)構(gòu)選型方面選用了U型半包式結(jié)構(gòu)，易于運(yùn)輸和安裝，也與家用太陽能電池板契合度較高。

圖1 太陽能屋頂清掃機(jī)結(jié)構(gòu)示意Figure 1 Structure diagram of solar roof sweeper

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

清掃機(jī)的各項(xiàng)功能都需要由控制器控制，控制器的設(shè)計策略和方法決定著清掃機(jī)器的可拓展性和功能。清掃機(jī)控制器硬件組成如圖2所示，主要包括控制部分、電源部分、行走部分、清掃部分以及感知部分。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件組成Figure 2 Hardware composition of control system

2.1 控制部分

該部分主要包括MCU控制器、WiFi模塊及上位機(jī)界面構(gòu)成。MCU作為清掃機(jī)的控制中心需要控制行走電機(jī)、毛刷電機(jī)、收發(fā)WiFi模塊的信號、檢測和反饋清掃機(jī)工作狀態(tài)等，該MCU控制器采用ATmega328作為主控芯片， MCU控制器電路如圖3所示。WiFi模塊實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，接收或發(fā)送上位機(jī)指令。該模塊采用ESP8266芯片，工作電壓為3.3 V，RST接口接按鈕S3實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，電路如圖4所示。

2.2 電源部分

電源部分為整個系統(tǒng)提供所需要的電能，能量儲存在蓄電池中，選用12V的鉛蓄電池。鉛蓄電池的特點(diǎn)是工作電壓波動不大，對溫度和使用電流的范圍承受度大，能夠循環(huán)充放電數(shù)百次且性價比高。此外，選用了BA_Pr_XX_30A鉛酸電池太陽能充放電保護(hù)板模塊，為鉛酸電池提供過放及過充保護(hù)功能。圖5為鉛酸電池太陽能充放電保護(hù)板模塊，圖6為電源模塊。

2.3 行走部分及清掃部分

行走部分和清掃部分的執(zhí)行元件都采用直流電機(jī)。根據(jù)功能需要，選用GPG-05SC型直流電機(jī)。電機(jī)是整個清掃系統(tǒng)的執(zhí)行者，需要驅(qū)動毛刷的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)清掃，同時驅(qū)動行進(jìn)輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)行走并控制行走速度等。

根據(jù)電機(jī)參數(shù)選用了型號為XY-160D的直流電機(jī)H橋驅(qū)動模塊，該模塊的2個H橋組可同時驅(qū)動2臺直流電機(jī)，單路電流7A，支持6.5～27.0V的寬電壓輸入，信號光耦隔離輸入，可以使用單片機(jī)IO口直接控制，不受干擾。同時具有欠壓保護(hù)功效，防止大電流瞬間銷毀模塊，靜電泄放電路能承受較大功率，瞬態(tài)干擾脈沖和靜電能夠被很好地抑制，具備PWM調(diào)速功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制器的程序包括主程序模塊和一些子函數(shù)模塊，主程序流程如圖7所示。主程序包含硬件初始化程序、無線數(shù)據(jù)收發(fā)和解碼程序以及電機(jī)驅(qū)動等功能。其中數(shù)據(jù)信號由上位機(jī)發(fā)送，控制器接收上位機(jī)發(fā)送的指令執(zhí)行相應(yīng)的行為。

通過WiFi芯片—ESP8266可實(shí)現(xiàn)不同通信之間的轉(zhuǎn)換，將無線信號轉(zhuǎn)為串口信號，與單片機(jī)進(jìn)行通信；同時又可通過路由器接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，與上位機(jī)處于同一個局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)透傳操作。上位機(jī)與下位機(jī)的連接框圖如圖8所示。

圖3 MCU模塊Figure 3 MCU module

圖5 鉛酸電池太陽能充放電保護(hù)板模塊Figure 5 Solar charge and discharge protection plate module for lead-acid battery

圖6 電源模塊Figure 6 Power module

圖7 主程序流程圖Figure 7 Main program flow diagram

圖8 系統(tǒng)總體框圖Figure 8 System block diagram

WiFi模塊的程序主要實(shí)現(xiàn)與路由器的連接，完成數(shù)據(jù)的處理，建立與TCPServer的通信等功能，控制的流程如圖9所示。啟動后先初始化，設(shè)置好通信的波特率，然后連接指定的路由器，連接完成后再開始通過已給定的IP地址尋找當(dāng)前局域網(wǎng)下的指定的服務(wù)器，直到連接完成；之后開始等待接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，一旦接收到數(shù)據(jù)則解析數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的命令指令發(fā)送給單片機(jī)，然后將一個接收到數(shù)據(jù)的返回值返回給上位機(jī)。

圖9 WiFi模塊程序流程圖Figure 9 WiFi module program flow diagram

4 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)是基于LabVIEW編譯平臺進(jìn)行開發(fā)的，上位機(jī)控制的對象為太陽能屋頂清掃機(jī)控制器，其通過局域網(wǎng)搜尋到指定的下位機(jī)，向其發(fā)送相應(yīng)的控制指令即可完成指定操作。文中上位機(jī)主要要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)能夠遠(yuǎn)程操控下位機(jī)并且能夠有控制多臺下位機(jī)的能力；

2)有手動和智能2種清掃模式；

3)能夠獲取當(dāng)前城市的天氣情況，根據(jù)不同的天氣，能夠選取相對應(yīng)的清掃方式；

4)當(dāng)前清掃狀態(tài)顯示功能，方便用戶獲取當(dāng)前的清掃狀態(tài)；

5)具有調(diào)試頁面，方便工程師進(jìn)行維護(hù)和測試，也方便用戶查看清掃的日志；

6)能夠利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送，讓使用者即使不通過上位機(jī)也能夠獲取當(dāng)前清掃的狀態(tài)；

7)具有檢查更新功能，當(dāng)程序后續(xù)更新后，用戶能夠及時地獲取最新的版本。

通過這些功能，使用者能夠利用網(wǎng)絡(luò)方便地對下位機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行獲取與操控，上位機(jī)主界面如圖10所示。

圖10 上位機(jī)界面Figure 10 Upper computer interface

5 結(jié)論

課題組設(shè)計的基于Wifi通信的太陽能清掃機(jī)控制系統(tǒng)，以手機(jī)或電腦作為控制終端，遠(yuǎn)程控制清掃機(jī)智能工作，經(jīng)測試，性能穩(wěn)定、工作可靠，適用于家庭光伏系統(tǒng)。課題組所設(shè)計的控制器創(chuàng)新之處在于：

1)WiFi控制的引入，使得控制者可以遠(yuǎn)程控制清掃機(jī)器，提高了使用的便利性，并且使得大規(guī)模的集群控制成為可能。

2)上位機(jī)智能清掃模式中考慮了天氣因素，上位機(jī)能夠?qū)崟r獲取當(dāng)時天氣并根據(jù)天氣自動選擇清潔模式。

3)QQ實(shí)時日志發(fā)送工作，能夠利用QQ將清潔機(jī)的實(shí)時狀態(tài)上報給管理者；當(dāng)下位機(jī)斷開連接時給管理者QQ發(fā)送警報。

4)上位機(jī)軟件的可拓展性強(qiáng)大，上位機(jī)軟件通過發(fā)送相應(yīng)控制指令便可實(shí)現(xiàn)操縱機(jī)器的各種功能，極大地拓展了機(jī)器的使用方式。